我们在月球上开车最怕的就是坑,但科学家最喜欢的也是坑

来源:一席

马传令,北京航天飞行控制中心工程师。

“嫦娥四号”探测器在着陆的时候有可能会掉到坑里。没办法,最后我们还是把着陆点临时又调整了1.7公里。我们当时还挺懊恼的,心说好不容易瞄了个十环,你非要让我把它掰成九环。不过我们这个团队的负责人,也是我的一个老组长,他安慰我说,我们做航天飞控工作不只是为了炫技、炫精度,最重要的还是航天器的安全。

月背征途

2021.04.17 上海

大家好,我叫马传令,是北京航天飞行控制中心的一名工程师,也是刚刚结束的“嫦娥五号”任务的轨道总体主任设计师。

其实航天是一个非常复杂的系统工程。有人说航天事业是“万人一杆枪”,其实一点都不夸张,每个人的力量好像都很渺小,但实际上每个人的破坏力都是很大的。航天器上的一个螺丝钉没有拧紧,可能都会导致航天器的任务失败。在这么复杂的航天系统里边,我们北京航天飞行控制中心是干什么的呢?

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在新闻报道中,大家可能经常会听到“各号注意,我是北京”这样的声音,那个“北京”就是指我们北京航天飞行控制中心。

简单比喻下,如果把“嫦娥五号”探测器比作一个无人驾驶的太空飞车,航天五院和八院可能就是汽车制造商,我们就是远程遥控它的驾驶员。火箭将探测器从地面送到地球上空以后,我们的工作就开始了。

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人类从何时开始探月的呢?1959年的时候,苏联就已经发射了第一颗月球探测器——“月球一号”。随后美国和苏联在接下来的20年,陆续向月球发射了几十颗月球探测器,也正是因为他们对月球的疯狂探测,大大地丰富了大家对月球的认知。

我们为什么要探索月球呢?月球探测活动可以为我们未来利用和开发月球能源做好准备工作,比如说在月球的土壤中大约含有100万吨的氦-3,

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科学家认为这是完美的核能源,可以满足地球一万年的能源需求。所以也有很多人说,月球是21世纪的波斯湾。

还有很多科学家说月球是从地球上撕裂出去的,所以研究月球也是研究地球起源和演化的一个最佳样本。另外如果我们以后想走向更远的深空,火箭能力不足的话,月球也是一个非常好的天然跳板,帮助我们从月球出发,再去向更远的深空。

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我国的科学家们从1994年开始研究探月的必要性和可行性,经过大约十年的酝酿后,最终确定了“绕、落、回”三步走来探索月球。

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2007年10月24日,“嫦娥一号”卫星搭乘着“长征三号甲”运载火箭,从中国的西昌卫星发射中心发射升空。

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▲ “长征三号甲”运载火箭

这个火箭其实很瘦小,所以它没办法把“嫦娥一号”卫星直接送到月球上去,于是我们给它设计的路线,是先把“嫦娥一号”送到一个环绕地球的大椭圆轨道,再通过三次加速,把它送到地月转移轨道。

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▲ “嫦娥一号”月球捕获示意图

当它靠近月球时,速度大约是2.4公里/秒,如果这个时候不减速的话,它就会跟月球擦肩而过,飞向更远的深空。所以我们就在此时又对它做了三次减速。

为什么这里要分成三次刹车,不一脚把刹车踩到底呢?其实是因为我们对月球的认知还不是很够,这样做就不存在撞月的风险了。

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▲  近月制动示意图。“嫦娥五号”也进行了两次近月制动。

在这个项目中,“嫦娥二号”也出场了,它是“嫦娥一号”的备份星。

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什么是备份星呢?因为我们国家的航天任务有一个习惯,如果“嫦娥一号”在发射或者是飞行的过程中出现故障,我们需要有一个卫星补位,而“嫦娥二号”就是给“嫦娥一号”及时补位的那个卫星。

但是“嫦娥一号”任务成功了,我们就给本来作为备份星的“嫦娥二号”定了一些其他目标,一个是用“长征三号甲”火箭直接把它送向了地月转移轨道,

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不再像之前一样需要经过三次加速,验证了我们已经可以实现直接地月转移技术。

还有一个就是,在它环月期间,我们对月球的全球面进行了一次高分辨率7米的成像,

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▲ “嫦娥二号”拍摄的全月图,分辨率7米


随后“嫦娥二号”对“嫦娥三号”即将着陆的月球虹湾区域,进行了一个更高分辨率的,分辨率1米的成像。

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▲ “嫦娥二号”拍摄的月球虹湾区域,分辨率1米

“嫦娥二号”的使命到这里已经全部完成了,但是因为它还剩了很多燃料,我们不希望让它像“嫦娥一号”一样,最后撞到月球上来结束它的寿命,所以就继续给它规划了新的任务,让它继续飞行。

当它飞行了77万公里后,到达了太阳和地球的引力平衡点L2,并对这个地方的空间环境进行了探测。

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随后我们又控制它飞行了700万公里,与图塔蒂斯小行星进行了一个交会实验。科学家一般形容我们这个实验的难度就像是在操控两颗万米高空飞行的子弹。

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▲ “嫦娥二号”拍摄的图塔蒂斯小行星

而后我们就没有再管它,让它自己自然而然地飞走了。但是我们一直还在跟踪它,到目前为止“嫦娥二号”已经飞到了离地球几亿公里的地方,还在继续向宇宙深处飞行,但是我们已经无法知道它到底看见什么了。

“嫦娥一号”、“二号”完成了“绕”的目标,“嫦娥三号”主要的目标就是“落”。“嫦娥三号”是真正意义上的一个探测器,它包括着陆器和巡视器。我们给巡视器起了一个非常棒的名字,叫“玉兔一号”,让它来陪伴嫦娥。

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▲ 图源来自网络

2013年12月14日,“嫦娥三号”探测器成功地在月球正面的虹湾区域进行了软着陆,它也是中国第一个在月球表面着陆的航天器。但是后来发生了一个小问题,“玉兔一号”在行进过程中出现了一个技术故障,最终在月面上只行驶了114.8米就歇菜了。

我是2010年到北京航天飞行控制中心工作的,非常荣幸地参加了“嫦娥二号“、”嫦娥三号“任务,但是让我印象最深刻的是“嫦娥四号”任务,我一步一步成长到开始深度参与任务就是从这里开始的。

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“嫦娥四号”这项任务为什么让我印象深刻呢?

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首先,“嫦娥四号”是人类历史上首次在月球背面进行软着陆和巡视探测。大家回忆一下在看月亮的时候,其实除了阴晴圆缺之外,每次看到的图案是不是都是一样的?其实这是一个非常特殊的天文现象,叫潮汐锁定。

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▲ 图源来自网络

因为月球围绕地球公转的周期跟它自转的周期是一样的,所以月球始终只有一面对着我们。也正是因为我们看不到它的背面,大家就有了很多猜测,比如科幻小说里会说月球的背面是不是有UFO,是不是有外星人基地什么的。

刚才提到美国和苏联在之前已经往月球上发射了几十颗探测器,但是其实那些都是集中在月球的正面。

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▲ 图源来自网络

这主要是因为我们地面和月球背面没有办法直接建立通信联系。那为什么即使这么困难,我们还是决定让“嫦娥四号”着陆到月球背面呢?

因为月球背面有着很吸引人的科学探测价值。它跟月球正面不太一样,月球正面比较平,而背面基本上整个都是崎岖不平的地貌,全是环形山,还有一些古老的陨石。

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▲ 月球背面(图源来自网络)

特别是“嫦娥四号”计划着陆的南极-艾特肯盆地,它是太阳系里第二大的超级陨石坑,我们去这个地方探测的话,能够为科学家们提供更多的关于月球研究,包括地球起源、太阳系起源的资料。

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▲ “嫦娥四号”计划着陆在月球背面南极-艾特肯盆地的冯·卡门撞击坑

除此之外,月球背面有着更加纯净的空间电磁环境,因为月球自己有遮挡,地球的很多射线的干扰是到不了月球背面的,所以在月球背面可以开展很多在地球和月球正面没法开展的空间观测。

那么我们和月球背面的通信是怎么建立的呢?当时我们的科学家们和工程师们反复思考,最后还是采用了一个比较经典的方案,就是在月球附近布设一个中继卫星,然后把这个中继卫星作为连接地面和月球背面的一个通信基站,我们给它起了一个浪漫的名字——“鹊桥”。

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我们经过了很多计算分析,最后决定把它放在地月L2的Halo轨道。

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▲ Halo轨道示意图

地月L2点就是地球和月球的五个引力平衡点之一,地球对这个地方的引力和月球对这个地方的引力处于平衡状态。所以在这个地方,可能你稍微给它一点晃动它就走了,但是与此同时,这样的话它只需要很少的燃料就可以长期地控制航天器围绕Halo轨道飞行。

2018年5月21日,“鹊桥”中继星在西昌卫星发射中心成功升空,经过我们中心五次精确的轨道控制,它在6月14日成功进入了Halo轨道。

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▲ 中继星发射 


“鹊桥”搭好之后,就该“嫦娥四号”探测器上场了。在“嫦娥四号”发射之前,听到有人说中国人成功到达月球背面的概率都不到50%,先给我们泼了盆冷水,但是我们该发射还是要发射。

“嫦娥四号”探测器也是由两部分组成——着陆器和巡视器。我们又给巡视器起了个名,叫“玉兔二号”,大家都说它是“玉兔一号”的妹妹。

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▲ “嫦娥四号”探测器 

在我们的计划中,“嫦娥四号”是从西昌卫星发射中心发射,然后经过地月转移的过程,就中间那个红色的曲线,然后飞到月球。对这个轨道进行两到三次修正后,在“鹊桥”的支持下,成功落在月球背面。

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▲ 图源来自网络

但是事实并没有按照这个完美的计划进行。

2018年12月8日,“嫦娥四号”按照计划确实从西昌卫星发射中心发射了,但是刚发射不久就出现了一个突发状况。

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当时我们正在开会,航天五院的总设计师过来说,“嫦娥四号的探测器燃料泄漏了。“

我们赶紧对这个燃料泄漏的情况进行评估。因为“嫦娥四号”探测器本身的可用燃料就很少,如果把所有的设计余量都拿出来,还差10公斤,也就是说“嫦娥四号”没有办法落到月球背面了。

当时他把这个消息告诉会议室几十个人的时候,大约有5分钟的样子,大家都沉默了,接着5分钟以后,屋里就炸开了锅。

因为大家其实在任务前会做非常多的准备工作,特别是这种复杂的应急处置工作,我们做的预案可能要比正常工作多几十倍甚至上百倍——比如说一本正常飞行的方案可能就100页,但是为了防止它出现异常状况,我们可能会做上万页的备份方案来解决这些问题。但是漏油这个问题,在这一万页里都没有。

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后来大家就七嘴八舌各抒己见。一个专家说,能不能从后面用来动力下降的燃料中抠出十公斤来,我们用一下。但我们嫦娥通信指挥部的指挥长,也就是我们中心的李主任,他第一个跳出来说不行,因为动力下降关系到“嫦娥四号”在月球背面着陆的安全性,“别说十公斤的燃料,一克燃料也不能抠。”

因为嫦娥四号轨道控制方案是我们团队和探测器系统共同设计的,当时李主任就给我们这个团队下达了死任务——一定要想办法把航天器控制到月球背面去。

燃料泄漏之后还有一个问题,我们可以看到这四个红点就代表了这个探测器的四个燃料的储箱,

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它漏的时候不是四个燃料箱都漏了,而是漏了右下方的这一个,也就是说漏完之后,整个探测器它是一个一边轻一边重的状态,是不平衡的。

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如果在这种状态下它的左右身体不平衡,导致动力下降,就有可能会摔下来,所以除了漏油以外,我们还必须要解决这个质心偏移问题。最后这个问题的唯一解决方案,就是我们需要更改“嫦娥四号”原本的行驶路线。

首先,我们把地月转移过程中本该有的7500N发动机的试喷评估环节取消,以节省一些燃料。但是发动机的状态也很重要,稍有偏差可能就撞月了,所以我们把近月制动时的轨道从100×100公里变成了100×430公里,然后在过程中评估7500N发动机的状态。

在第一次近月制动完成以后,油不够的问题基本解决了,发动机的状况我们也摸清楚了,剩下还有两次轨道修正,我们主要利用这两次修正来消除刚才说的质心不平衡问题。

这是怎么做的呢?因为现在有三个储箱是没有泄露的,这样我就把它们三个进行搭配,每次不再使用二对二的模式,而是使用一对一的模式。

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经过这三次轨道控制,我们还是达到了原来的预期目标,成功地把“嫦娥四号”探测器控到了100×100公里的轨道。

“嫦娥四号”探测器从西昌出发,一共飞行了几十万公里,飞行了25天,在我们做出这些调整之后,最终飞到这个地方的时候,实际跟计划的时间只差了19秒。可以说我们几乎是完美地到达了比赛的终点。

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但是“嫦娥四号”的曲折还没有结束,在它动力下降前6小时,也是一个外系统的同事过来说,“嫦娥四号”探测器在着陆的时候有可能会掉到坑里。

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可是一开始大家讨论的时候,都认为那地方不是个坑,还反反复复地考量过。没办法,最后我们还是把着陆点临时又调整了1.7公里。

我们当时还挺懊恼的,心说好不容易瞄了个十环,你非要让我把它掰成九环。

不过我们这个团队的负责人,也是我的一个老组长,是个顶尖专家,他安慰我和我们团队说,我们做航天飞控工作不只是为了炫技、炫精度,其实最重要的还是航天器的安全。

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说完之后我们也挺释怀的,因为大家总会有疏忽、考虑不周的地方,毕竟我们对月球的认识还没有那么精细。

最终在2019年1月3日10点26分,“嫦娥四号”探测器在“鹊桥”中继卫星的支持下,还是成功着陆在月球背面南极-艾肯特盆地的冯卡门撞击坑内。那个红旗就是它落的地方,距离中心区域最终也就差了一点几公里。

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这是“嫦娥四号”探测器在动力下降过程中拍摄到的月球背面的图像,

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这是它落到月背以后,着陆器上的地形地貌相机对周围的环境进行的360度环拍,中间的黑色区域是它自己(因为它拍不到自己)。


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“嫦娥四号”的整个飞行历程确实很曲折,但结局还算圆满,我们把它送到月球背面落下去以后,“玉兔二号”和它的驾驶员就该上场了。

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“玉兔二号”的设计寿命其实是三个月,工作三个月以后就相当于超寿命在服役了,但是我们的驾驶员总体来说还是比较细心,到现在为止“玉兔二号”已经在月球表面行驶了831天,695.8米。

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大家可以看到背景图上黄色的线就是它的行走轨迹,绿色的点是它停留的地方。为什么它会边走边停呢?大家从图上也可以看到,上面的坑确实太多了。所以这就又延伸到另一个问题——玉兔车831天才走了695.8米,它为什么跑得这么慢呢?

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其实这有很多原因。一个原因是玉兔车其实不是全天候工作的,天冷的时候它要休眠,天热的时候还要午睡。月球在中午太阳光比较强的时候,表面温度达100多度,这个时候如果你强制去开车,很可能就会造成设备的故障和车体的损伤。

所以我们一般会提前找一个地方让玉兔车这时候躲起来,实在不行的话我会把它的帆板都竖起来遮阳。

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因为月球上是没有空气的,太阳光白天照完之后,晚上它也没法保温,所以月球温度在晚上很快就会降到零下190度,这个零下190度也是“玉兔二号”第一个测出来的。

但是晚上这么冷,“玉兔二号”怎么过夜呢?我们在它的肚子里边加了一个同位素热源,它可以源源不断地往外释放热量,就像暖宝宝一样。

另一个原因就是刚才说的,月球背面坑太多了,玉兔车行驶的时候需要绕开这些坑。

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不过驾驶员最怕的就是坑,科学家最喜欢的也是坑。因为这些坑有很多都是地外的一些小行星、或者陨石撞击到月球表面砸出来的坑。这个坑里包含了很多宇宙里的神秘物质,科学家对这些东西特别好奇。

但是这样的话就会有一个矛盾,就是驾驶员希望车安全,开得稳稳地,离坑远远地,但科学家就希望离坑越近越好。于是大家有时候一开始还比较和气,商量能不能过去看看,到最后就吵起来了。比如这个坑,我们单位的驾驶员们也比较有文采,给它起了个名叫“龙潭”。

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▲ 发现“龙潭坑”

这个坑的科研成果最后发表在《自然》杂志上了,它整体比较大,当时去这个坑的时候,我们确实跟科学家吵了很多架。为了接近这个坑,我们反反复复换了多个角度,最后光在这个坑附近可能就待了大约七八天的样子。

再给大家介绍一下我们发现的“奇缘石”。最早的时候,我们行进的路线离这个石头是很远的,只是在照片上的一角看到了这个石头。不过我们的驾驶员比较负责,他就告诉中科院的同志,说我们发现了一个石头在那立着,不是躺着而是立着。科学家们说,那你们能过去看看吗?然后我们就过去了。

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▲ 发现“奇缘石”

过去之后发现它旁边还有很多石头,而且都比较高。我们要探测的那个石头可能是18厘米左右,其他的石头大概也有十几厘米。“嫦娥一号”当时瘫痪了,我们后来分析原因可能就是电线被一个石头刮坏了,所以我们很担心“嫦娥二号”也出现这个问题。

最后大家一厘米一厘米地往前靠,在离石头特别近的地方,用一个红外相机和可见光相机,对这个石头进行了一个高精度的成像。

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关于这个石头的探测成果最后也发表在了一个国际地质杂志上。两年多来,“玉兔二号”确实帮助科学家们取得了很多科学成果。

“玉兔二号”在月球背面还干了一件非常重要的事,就是它把地球上的生物带上了月球。科学家们精心挑选了六种生物,有棉花种子、油菜种子、马铃薯种子、拟南芥种子、果蝇、酵母菌。

这六种生物都非常典型,大家可以发现,在一个密闭的装置里边,这六种生物可以组成一个微型的生物系统,有生产者、消费者和分解者。

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在“嫦娥四号”落月四天以后,我们发现在月球上种的棉花竟然发芽了!

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大家可以看到左边这个图是刚落下去的状态,右边是四天后的状态,在这个方格子的中间可以看到绿叶,那就是棉花发的芽。

“嫦娥四号”的故事我就讲完了,我们北京航天飞行控制中心之后还要承担“嫦娥六号“、”嫦娥七号“、”嫦娥八号”,再往后还有2030年的载人登月等任务。以及现在大家都知道的,最近非常火的“天问一号”下个月就要着陆火星了,火星车马上也将要开工,我们的火星车驾驶员最近还在闭关修炼中——月球都这么难开,火星肯定更难开。此外,我们还在建设中国自己的空间站,在4月底马上就要发射空间站的核心舱。

可以这么说,我们中国航天人的脚步一刻也没有停,一刻也不敢停。最后,想引用我们李剑主任的一句话来结束今天的演讲,“月背本没有路,我们来了,便走出了属于自己的路”。

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▲ “玉兔二号”轨迹图

谢谢大家。


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