“玉兔”月背拓荒记 已存活400多天 行驶里程405.44米

2020年03月24日 14:23 次阅读 稿源:中国青年报 条评论

传说中的“萌兔子”——玉兔二号月球车又醒了。3月18日,在历经14天的极寒月夜之后,玉兔二号自主唤醒再次“复工”,迎来此次探月之旅的第16个月昼。至此,玉兔二号已在月球背面存活400多天,累计行驶里程405.44米。

玉兔二号拍下的月球背面和自身影子。国家航天局探月与航天工程中心供图


“玉兔回旋舞”


“玉兔回眸”

“已经400多天了?”有网友在点赞之余感慨玉兔二号生命力之顽强。事实上,早在2019年12月,玉兔二号在月球背面累计运行超过340天之时,就已经成为世界上在月面工作时间最长的人类探测器。此前,这一纪录由世界上首台月球车、苏联的月球车1号创下,并保持了近半个世纪。

关注探月动态的人经常听到这样的消息:“玉兔二号又醒了”“嫦娥四号再次进入午休状态”,等等。那么,在月球背面的400多天里,嫦娥四号和玉兔二号这两个备受关注的中国探测器,除了“行走”“入睡”“午休避暑”究竟还干了啥?

“动若脱兔”:或回眸或跳回旋舞

2020年1月3日,国家航天局探月与航天工程中心发布一张名为“玉兔回旋舞”的照片,引发关注。从照片上看,玉兔二号在原地“画了一个圈”,对月面选定地点进行360°的“踩点”。

更准确地说,这是玉兔二号在进行原地转向探测:先行驶到预定探测区域,然后依次分8个偏航角转动一圈,在不同的航向角下,红外光谱仪、中性原子探测仪等设备“上线”——开机探测,避障相机成像,探测完毕后,将探测数据传回地球。

除此以外,玉兔二号还有专属的“玉兔回眸”——车辙探测。北京航天飞行控制中心的“玉兔驾驶员”事先计算好转向角度,确保红外视场覆盖玉兔二号行驶的车辙。根据地面发送的指令,玉兔二号的“脑袋”转向约180°,利用红外光谱仪“回头看”,对车辙压翻出来的月壤进行探测。

玉兔二号还是一只专注的“兔子”——定点探测。这是玉兔二号在“立定”状态下,研究太阳高度角变化对月面某点的反射光谱影响。

据国家航天局探月与航天工程中心科研人员介绍,当玉兔二号行驶到预定地点后,转向选定航向,随后每隔两个小时进行一次红外探测,适时进行红外定标和中性原子探测,在月夜来临前结束定点探测工作,并寻找休眠点。

不管是“玉兔回旋舞”,还是“玉兔回眸”,如果用一句话来概括,在过去一年多里,嫦娥四号着陆器开展定点探测“静若处子”,玉兔二号月球车开展巡视探测,则是“动若脱兔”。一静一动,在遥远的月球背面上演着一道“勤劳拓荒”的风景线。

这些拓荒得到的数据、图片,经过地面科研人员的分析处理,转化成了科学成果,拓展了人类对于月球的认识边界。

来自国家航天局探月与航天工程中心的说法是,2020年新冠肺炎疫情来袭,不过,这并没有让玉兔二号和它背后的科研团队按下“暂停键”:在2020年1月3日嫦娥四号着陆月球背面一周年时,该中心对外发布各级科学数据超过210GB,中外科学家团队根据这些数据取得一系列重要科学发现。

2月27日,中国科学院国家天文台研究员李春来领衔的科研团队,通过玉兔二号身上搭载的测月雷达,获取就位探测数据,经过研究发现:月球背面地下物质由低损耗的月壤物质和大小不同的大量石块组成。这是人类第一次揭开月球背面地下结构的神秘面纱。

李春来说,从这项成果可以看到“一些人类此前从未看到的内容”:从月球表面到地下12米,该地层为细粒月壤、内嵌有少量石块,是由多个撞击坑互叠的溅射物风化而成;从地下12米到24米,内部存在大量的石块,形成了碎石层和碎石堆,夹杂在细粒月壤之中;而从地下24米到40米,则是不同时期、更古老的溅射物沉积和风化产物,这些都大大拓展了人类的认知范围。

在月亮之上,聪慧的“嫦娥”和勤劳的“兔子”在努力走得更远、工作时间更长,为人类提供更多科学数据。

月球上的一天:一半时间都在“睡觉”

在有关玉兔二号的消息中,人们经常听到“休眠”和“唤醒”两个词,从字面理解仿佛是生命体的生物本能,而玉兔二号是一个精密的月球探测器,怎么也需要这样的操作?

这还要从月球的客观环境说起。月球的一天相当于地球上的27天左右,其中一半为白天,称之为月昼,另一半为夜晚,即所谓的月夜。在月夜期间,月面温度将降到零下190°C左右,在过低温度下工作,会对月球车及其搭载的科学设备造成损害。

也因此,在月夜到来之前,玉兔二号便按照预定策略行驶到休眠点,将车头转向南,固定侧太阳帆板朝东。随着太阳高度角下降,气温逐渐降低,地球上的“玉兔驾驶员”便控制玉兔二号开通供热装置,接入“暖气”。

月夜来临时,玉兔二号开始休眠设置,收拢桅杆和一侧太阳帆板, 使用核源进行保温,采用安全的姿势进入“梦乡”。

14天后,太阳升起,月球的白天到来,新的月昼开始了。

当阳光照射到玉兔二号身上,固定侧太阳帆板达到一定发电功率后,便会自主唤醒启动——电源接通,中心计算机开机,活动侧太阳翼和桅杆依次展开,并主动向“鹊桥”中继星发出通信信号,告诉地球上的“玉兔驾驶员”:“我起床了!”

收到信号后,地面的“玉兔驾驶员”便向玉兔二号发送最新指令,进行参数设置,玉兔二号进入月昼工作状态。

当然,即便是到了月球的“白天”,这只“兔子”也并非一头扎进科学探索的“工作狂”。当月昼的“中午”来临,月球表面气温达到最高,玉兔二号便转动车头向西。相应地,地面的“玉兔驾驶员”则设置玉兔二号进入最小工作模式,让它更好地进入月午“避暑”。

随着太阳高度角下降,气温逐渐降低,降到适宜工作的温度后,地面的“玉兔驾驶员”则设置玉兔二号退出最小工作模式,开始月昼“下午”的工作。

要想活得更久,充足的“睡眠”、足够的“休息”是十分必要的。从这个意义上来说,“月夜休息”“月昼午休”这些也都是玉兔二号工作的一部分。

“长寿兔子”:探测成果更重要

根据国家航天局此前发布的数据,玉兔二号的设计寿命为3个月。如今,玉兔二号的存活时间早已超过这一数字,甚至超越苏联的“前辈”,成为工作时间最长的“长寿兔子”。

不过,在中国航天科技集团八院玉兔二号移动分系统主任设计师刘殿富看来,不管是玉兔二号寿命的长短,还是其行走距离的远近,都不是当前最主要的指标。在他看来,更重要的问题在于,玉兔二号能否探测到更多的科学成果。

他说,3个月只是科研人员设计的“寿命底线”,在满足底线要求的前提下,科研团队当然希望玉兔二号能够工作一年甚至更久。事实上,我国第一台月球车玉兔号的设计寿命也只有3个月,但最终在月球上工作了972天。

按照刘殿富的说法,所谓的“设计寿命”是根据工程目标而制定:2019年1月3 日,嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面南极-艾特肯盆地的冯·卡门撞击坑;1月4日,玉兔二号月球车与着陆器成功分离,分别开展科学探测;1月11日,两器完成互拍成像,中外科学载荷工作正常,达到工程既定目标,标志着嫦娥四号工程任务圆满成功。

“这些工程目标的完成,就实现了预定计划,科研人员正是根据这些目标设计了玉兔二号的寿命长度。”刘殿富说,接下来的探测,从某种程度上说,都是“规定动作”之外的任务。

6年前,玉兔二号的“姐姐”玉兔号,在月球虹湾上行走114.8米后,突然出现电缆短路,从此再也无法行走。这是中国航天科技集团八院嫦娥四号副总指挥兼副总设计师张玉花在那次任务中最难忘的事,“我当时想,如果能把我送上月球,包扎一下,可能‘玉兔’就好了!”

从那以后,张玉花带领团队不断优化设计,反复评估验证,他们花费了5年时间,就是确保后续任务万无一失。她说:“当我看到‘玉兔’站在荒芜的月球上,我觉得它像只银白色的天鹅,比什么都美。现在我们的玉兔二号去月球背面了,我们希望它美丽又勇敢,一直走下去。”

中国航天科技集团五院嫦娥四号巡视器总体主任设计师申振荣说,玉兔二号相比于玉兔号,身体更为“健壮”,应付困难的能力更强,“如果将它比喻成一个孩子,虽然外表看上去没有太大变化,但它更成熟了,内功更强了。”从这个角度来看,玉兔二号未来的表现也更加值得期待。

在此前的一个月昼里,应科学家团队要求,玉兔二号向行进路线南侧一个撞击坑逼近,因为周边地形太过复杂,这只“兔子”只得“望坑兴叹”。但最终,它还是探测到了坑前的溅射碎石,拍下撞击坑的全景照片,也算不虚此行。

随后,玉兔二号一个转身,毅然告别了南侧的深坑,继续探索征程。等待它的,将是下一个月球日。


月球背面玄武岩覆盖区域(红色线条内),白色十字为玉兔二号所在位置。


月球背面大型深坑照片。北京航天飞行控制中心供图

截至目前,玉兔二号已在月球背面存活400多天,累计行驶里程405.44米。算下来,这只“兔子”平均一天才走一米左右,月球上漫步,有那么难吗?

月球背面最远处距离地球40多万公里。在这么远的地方,隔空操作月球车,可不像在地面上开车那么容易。简单来说,北京航天飞行控制中心的“玉兔驾驶员”要让这只“兔子”动起来或停下来,一般需要向它下达感知、规划、执行、休眠、唤醒5个遥操作的指令。

这其中的感知,就是使用玉兔二号的导航相机,对月球进行拍照成像。根据导航相机拍到的照片,地面的“玉兔驾驶员”可以还原出月球表面的数字影像图,从而判断出月面地形的具体情况,包括撞击坑的宽窄、深浅,石块的大小,距离等信息。

在感知过玉兔二号所处的周围环境之后,地面的控制人员则要依据月球背面数字影像图和科学家团队确定的探测目标点,按照月球车的越障和爬坡能力,规划出一条玉兔二号能够安全行驶的路径,并设定从起点到终点的各个导航点。

这个过程和人类在地面上开车导航类似:在确定目的地之后,根据地图和所处的周围环境,规划出一条最优的抵达路线。

路线确定之后,一切才刚刚开始。

北京航天飞行控制中心的“玉兔驾驶员”——遥操作团队,要将规划结果转换成控制指令,通过地面深空站发送到“鹊桥”中继星,中继星再将指令转发给月球背面的玉兔二号月球车,后者在接到指令后,就会按指令完成移动工作。

不过,在下达每个指令之前,这些“玉兔驾驶员”必须看清远方的月面态势,未雨绸缪作长远打算——在玉兔前行的同时,他们一直心存顾虑,那就是在月面“看得见”的撞击坑下,隐藏着不少年代久远的巨大退化撞击坑。

据一位“玉兔驾驶员”介绍,在玉兔二号第15个月昼工作期间,地面工作人员就遭遇了“战略大转移”的挑战——

从玉兔二号发回的照片和月面高清影像图对比来看,当时的玉兔二号正好位于两个直径分别为16米和9米的大坑中间,控制团队中的大部分成员建议,绕过16米撞击坑后一路向西,因为这个方向看上去一马平川,有人甚至已经开始规划起后续路径。

玉兔二号副总设计师于天一却迟迟不肯拍板。他皱着眉头,盯着影像图,突然招呼大家围上来,指着影像图中当前点西侧位置说:“你们看,这片区域左侧看上去幽暗,右侧则是亮锃锃的,这是什么?这是典型的撞击坑特征啊。”

按照他的说法,这个撞击坑和玉兔二号以前所遇到的不同,这很有可能是一个已经存在亿万年的退化撞击坑。根据他的要求,地面导航员王镓将等高线叠加在态势图上,很快,在此前大部分人提议的路径上,一个隐蔽的大坑被勾勒了出来。

“就是它!一个超大型撞击坑,由于年代久远,坑沿已经变得难以辨认,内部也被大大小小的陨石撞得千疮百孔,可谓险象环生。”于天一说,大撞击坑的东北侧,还密密麻麻地排列着诸多小型撞击坑。玉兔二号一旦走到那里,就会陷入多个撞击坑的封锁,群坑环绕,很可能进去就出不来了。

地面团队很快达成一致,行驶策略由“南征”改为“北战”,进行“战略大转移”。

他们决定让玉兔向北挺进,先绕过西北侧的小型撞击坑,后续几个月昼,持续向北,直到绕过超大型撞击坑后,再改道向西。

很少有人知道,玉兔二号每迈出一步,需要地面的“玉兔驾驶员”付出多少努力。

按照惯例,月昼上午,玉兔二号要向西北方向行走,但在月面影像图上,地面的“玉兔驾驶员”却发现西北侧有一个撞击坑:这个坑看上去黑洞洞的,仿佛坍塌的悬崖,让人望而生畏。

通过全景相机的原始图像,“玉兔驾驶员”能隐约看到这个撞击坑。但这个方向的图光线太晃眼,以致无法看清,他们决定:先让玉兔向前移动,走近后重新拍下图片,确认地形。

移动完成后,“玉兔驾驶员”很快拿到了重新感知的导航相机图像。然而,此时太阳高度较低,而且位于玉兔成像方向的后侧。新图像的西北方向,仍被直射光线和玉兔自身的阴影占据,“玉兔驾驶员”依然无法看清这片区域。

“如果看不清坑的全貌,就无法探知它的边界。”一位地面人员说,考虑再三,他们决定等第二天时机合适时,对该区域再次进行全景成像。次日,获得清晰的图片,让他们感到“触目惊心”——

一个直径约20米的大型撞击坑静静地躺在那里,周围遍布着坑坑洼洼的小型撞击坑和溅射石块。幸好没让玉兔二号继续往西北走,否则一旦滑落到坑里,后果不堪设想。

就这样,玉兔二号走上了“绕坑之旅”。后续,这只“兔子”还将绕过西侧山脊,向西行进,最终目标是距离着陆点约1.8公里的“玄武岩”。

在那里,玉兔二号将探究有关月球背面的更多奥秘。当然,这一路下去,仍是坑石遍布、沟沟坎坎,可能要移动经年累月,然而科学探测的征途从来是曲折漫长的,已然起航,便无惧艰辛。

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