月球車野外試驗場建造因素分析

何成旦 賈陽 顧征 王先榮 申振榮 朱忠奎 孫小菁 嚴梗林( 蘭州空間技術(shù)物理研究所 中國空間技術(shù)研究院總體部)

月球車野外試驗場建造因素分析

何成旦1賈陽2顧征2王先榮1申振榮2朱忠奎1孫小菁1嚴梗林1(1 蘭州空間技術(shù)物理研究所 2 中國空間技術(shù)研究院總體部)

中國月球探測工程分為三期:繞月探測,落月探測,采樣返回探測.嫦娥-3任務(wù)是探月工程二期關(guān)鍵的一步,主要目標是實現(xiàn)月球軟著陸探測與月面巡視勘察,將突破月球軟著陸、月面巡視勘察、月面生存、深空測控通信與遙操作.

1 前言

月球車是嫦娥-3探測器的重要組成部分.它是能適應(yīng)月球環(huán)境,攜帶科學(xué)儀器在月面移動,完成探測、采樣、運載等任務(wù)的航天器.這是一類特殊的航天器,不同于傳統(tǒng)的衛(wèi)星、飛船.在著陸月面之前,月球車是著陸器的有效載荷,著陸后是獨立、完整的移動探測器.為此,在上天前它要進行野外試驗.

野外試驗場試驗是為了驗證月球車在月球表面工作時的移動能力、導(dǎo)航能力和遠距離遙操作控制能力;檢驗巡視器在未知、復(fù)雜、多變的環(huán)境下,按照既定的工作程序,完成任務(wù)的能力;訓(xùn)練和檢驗地面操控人員在未知、復(fù)雜、多變的環(huán)境下,按照既定的工作程序,地面操控人員的操作技能和互相配合的能力,提高地面操作控制的效率和可靠性;演練巡視器的任務(wù)過程,進一步檢驗和完善巡視器工作程序.

蘇聯(lián)試驗場地和月球上的多石表面段

2 進行野外試驗的必要性

月球地形地貌的復(fù)雜性給月球車遙操作、移動、勘查等工作帶來許多疑難問題,在地面建立月球車野外試驗場進行試驗是各國開展月面巡視勘查工作的關(guān)鍵技術(shù)之一.

月球上成功應(yīng)用的月球車有蘇聯(lián)的無人月球車-1、2和美國阿波羅-15、16、17登月飛船攜帶的3輛載人月球車.這些月球車在研制過程中進行了大量的野外地面試驗,這些試驗在很大程度上支持了探測計劃的最終實現(xiàn).

蘇聯(lián)月球車的野外試驗場

根據(jù)目前的文獻,蘇聯(lián)月球車利用移動模型進行了外場的移動性能試驗.外場選擇在剛爆發(fā)不久的火山周圍,主要原因在于火山爆發(fā)后形成的火山灰的物理力學(xué)特性與月壤的比較接近,而且地貌特征與月面地貌比較接近.

美國月球車的野外試驗場

(1)美國"阿波羅"計劃中的野外試驗場

美國"阿波羅"計劃中所應(yīng)用的野外試驗場數(shù)目有10多個,主要分布在內(nèi)華達州、阿拉斯加州、新墨西哥州等,還包括了加拿大、冰島等國家的部分地方.試驗場地形主要是根據(jù)具體著陸區(qū)的地形地貌進行選擇,主要有沙漠地形和峽谷等.在這些場地中,除了訓(xùn)練航天員和月球車之外,還對探測儀器、探測活動編排等進行了試驗.

(2)加拿大德文島野外試驗場

美國航空航天局(NASA)在重返月球計劃中,論證的最佳著陸區(qū)域為月球南極的沙克勒頓(Shackleton)隕石坑,這是因為沙克勒頓坑的陰影區(qū)域內(nèi)可能存在水冰,沙克勒頓坑直徑約為19km.沙克勒頓坑和加拿大德文島的霍頓(Haughton)隕石坑地形特征類似,霍頓坑的直徑約為20km,是該級別撞擊坑保持最完整的撞擊坑,所以選擇加拿大德文島作為月球車野外試驗場.

美國阿波羅-15中兩名航天員在地面訓(xùn)練

加拿大德文島野外試驗場

月球沙克勒頓坑和加拿大德文島霍頓坑

(3)智利阿塔卡瑪(Atacama)沙漠試驗場

為了火星探測任務(wù),美國航空航天局開始測試最新的太空探測車,選擇的測試地點是智利阿塔卡瑪沙漠.專家認為,阿塔卡瑪沙漠地表環(huán)境和火星十分相似.美國航空航天局命名為土衛(wèi)七(hyperion)的太空車在智利阿塔卡瑪沙漠試驗場進行過試驗,早期的測試對今后土衛(wèi)七能否順利完成任務(wù)至關(guān)重要.通過考察可以對火星上可能出現(xiàn)的情況采取預(yù)防措施.1997年美國"流浪者"(Nomad)機器人在智利阿塔卡瑪沙漠進行的220km的長距離模擬工作室外測試."流浪者"機器人在阿塔卡瑪沙漠完成穿越坑洞、巖石和松軟沙地等任務(wù),目的在于評估其完成未來探索月球和火星崎嶇地形的能力.阿塔卡瑪沙漠是世界上極干旱的沙漠之一,其深度侵蝕的地形、散布的隕石坑、稀疏的植被、多石的地貌結(jié)合疏松的沙土構(gòu)成了酷似月球、火星和其他行星的地貌環(huán)境.試驗為同類太空車考察月球、火星等提供技術(shù)準備.

智利北部的阿塔卡瑪沙漠

美國"流浪者"機器人穿越試驗

試驗場原始地貌

3 試驗場氣候特征分析

月球車工作環(huán)境為月球表面,但其驗證試驗環(huán)節(jié)在地面進行,由于地面環(huán)境與月球表面存在差異,因此試驗中需要模擬月表的環(huán)境特征.但由于在外場試驗中受條件的限制,對于低重力環(huán)境、月壤環(huán)境和月表光照環(huán)境都不進行針對性模擬,直接利用野外試驗場的現(xiàn)有條件.外場試驗中對月表環(huán)境模擬的重點在地形地貌,要考慮地形地貌與月表真實情況的相似性,并精確測量對試驗有明顯影響作用的試驗場自然環(huán)境參數(shù).

哈爾濱工業(yè)大學(xué)曾在長白山、五大連池建立了月球車野外試驗場.由于地形屬于高山地貌,地面有原始森林覆蓋,氣候濕潤,與月表環(huán)境差距較大.

在我國月球車原理樣機研制中,曾在我國第四大沙漠-騰格里沙漠東南部建設(shè)了月球車野外試驗場,我國西北沙漠地區(qū)氣候干燥,晝夜溫差大的特點,與月球表面有相似之處.但該試驗場地沙丘起伏較大,沙丘間距在幾十米量級,低洼處有植被,不滿足長距離野外自然地貌越野試驗所需的地形地貌條件.該試驗場交通不便,工程保障車不能直接停靠在試驗場地,不利于試驗中通信、電力供給等條件保障.

經(jīng)過多次實地考察,綜合分析地形地貌、地表植被、降雨量、風(fēng)速、晝夜溫差、交通條件等,確定了在我國西北地區(qū)庫姆塔格沙漠東北部建立我國第一個月球車野外試驗場.

月球車野外試驗場附近有中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所建立的氣象站,氣象站可以詳細了解和掌握試驗場近地層的風(fēng)況特征,在試驗場的線形沙丘地區(qū),對于所有風(fēng)速的風(fēng)向,除每年的1-2月份為西南風(fēng)外,其他月份均為東北風(fēng)或東風(fēng).

試驗場位于兩條線形沙丘之間的平坦沙地上,下墊面為流沙.

月球車野外試驗場附近有甘肅敦煌西湖國家級自然保護區(qū)管理局建立的氣象站,氣象站可以詳細了解和掌握試驗場附近地區(qū)各月的平均氣溫、平均最高及最低氣溫、日照時數(shù)及日照百分率、平均降雨量、平均相對濕度、平均蒸發(fā)量、大風(fēng)和沙塵暴平均時數(shù)等環(huán)境參數(shù).

我國西北地區(qū)庫姆塔格沙漠東北部試驗場附近地區(qū)各月和年平均風(fēng)速

甘肅敦煌西湖國家級自然保護區(qū)管理局試驗場地區(qū)環(huán)境參數(shù)

4 試驗場樣品與月壤的物理力學(xué)性質(zhì)比較

試驗場樣品與月壤的物理力學(xué)性質(zhì)研究主要分析了顆粒形態(tài)、粒度分布、化學(xué)成分、密度和抗剪性.

試驗場樣品顆粒形態(tài)

顆粒形態(tài)

月壤的顆粒形態(tài)極為多變,從球形到極端棱角狀都有出現(xiàn),但長條狀、次棱角狀和棱角狀的顆粒形態(tài)相對更為常見.試驗場樣品的形貌比月壤形貌的復(fù)雜度差.

粒度分布

月壤的分選性普遍較差,月壤粒度分布很廣,顆粒直徑以小于1mm為主,絕大多數(shù)顆粒直徑在30μm~1mm之間,通過"阿波羅"月壤樣品的各種粒度參數(shù)分析可知,月壤分選性普遍較差,粒度與淤沙相似,中值粒徑在40~130μm,平均為70μm.

試驗場樣品粒度

化學(xué)成分

試驗場樣品化學(xué)成分

密度

試驗場樣品與月壤的內(nèi)摩擦角φ和內(nèi)聚力c的最佳估計值

抗剪性

月壤的抗剪性是由內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ兩個指標決定.試驗場樣品與月表不同位置、不同深度月壤的內(nèi)摩擦角φ和內(nèi)聚力c的最佳估計值下表.

5 試驗場建設(shè)因素分析

根據(jù)已有的月球探測成果,初步獲得的月海區(qū)域內(nèi)撞擊坑、坡度和巖石的分布規(guī)律等月面的地形地貌特征,試驗場應(yīng)為野外開闊地,表層土壤干燥,具有一定的石塊、風(fēng)化的碎石和塵土,地形地貌與月表地形地貌分布盡量接近,試驗場能夠基本涵蓋月面的特征,如環(huán)形山、月牙坑、溝槽、獨立石塊和地形平坦區(qū)域等.完全的自然環(huán)境很難滿足野外試驗的要求,因此要對野外試驗場進行人工改造建設(shè)和布置,模擬月球表面的微地形、坡度以及不同尺寸的地面障礙物.

6 結(jié)論

選擇的月球車野外試驗場,通過氣候特征分析比較,試驗場樣品與月壤的物理力學(xué)性能分析比較,試驗場建設(shè)因素分析,保障月球車野外試驗場最大程度地與月面地形地貌接近,為月球車進行野外試驗提供了有力的技術(shù)支持.