李靜文 賈 陽 / 文
“玉兔”二號巡視器走上月面
在第二次世界大戰(zhàn)期間,美國通過實施曼哈頓計劃,集中了以核科學(xué)為主的當(dāng)時最頂尖的科學(xué)家,動員10萬多人,歷時3年,成功研制了原子彈,開創(chuàng)了集中優(yōu)秀人才占領(lǐng)科技、軍事制高點的先河。二戰(zhàn)后的幾十年間,美國開展阿波羅計劃、星球大戰(zhàn)等重大高科技計劃。歐洲、日本等也實施了尤里卡計劃、伽利略計劃、超大規(guī)模集成電路計劃等,全球重大科技計劃呈現(xiàn)出從軍事領(lǐng)域向軍民兩用和民用領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。這些重大科技計劃的實施,使美歐各國培養(yǎng)造就了大批經(jīng)驗豐富的專業(yè)人才隊伍,形成了大量具有核心競爭力的研究成果和科技產(chǎn)品,進而帶動經(jīng)濟社會發(fā)展,成為支撐綜合國力的堅強后盾。
新中國成立后,我國也實施了“兩彈一星”、載人航天、雜交水稻、南水北調(diào)、三峽工程等重大項目,取得了巨大成就,積累了豐富的經(jīng)驗。進入新世紀(jì)后,在國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)中確定了大型飛機、載人航天與探月工程等16個重大專項,著力攻克信息、能源、環(huán)保、生物、航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域的核心技術(shù),為我國突破經(jīng)濟社會發(fā)展瓶頸問題提供支撐,嫦娥工程就是在這樣的背景下開始啟動的。
我國月球探測的發(fā)展戰(zhàn)略簡言之分為“探”“登”“駐”3個階段,又稱為“大三步”:第一步是“探”,即無人月球探測;第二步是“登”,即實現(xiàn)載人登月;第三步是“駐”,即建立有人短期駐守月球的基地,開發(fā)和利用月球的資源與環(huán)境,支持人類的持續(xù)發(fā)展。中國正在實施的探月工程是“大三步”中的第一步,在這一階段中又分為“繞”“落”“回”三步,分別指的是繞月遙感探測、月面軟著陸與巡視探測、采樣返回,簡稱“小三步”。
探月工程的科學(xué)目標(biāo)可以概括為:獲取月球表面三維影像,分析月球表面的元素含量與分布,探測月壤特性,分析研究月球樣品,探測地月空間環(huán)境,工程目標(biāo)可以概括為:突破月球探測相關(guān)技術(shù),研制各種不同類型的月球探測器,建立月球探測航天工程系統(tǒng)。
月球探測工程是我國航天工程中的旗艦型項目,工程規(guī)劃遵循了如下原則穩(wěn)步推進。首先,著眼需求,推動技術(shù)。瞄準(zhǔn)當(dāng)今世界空間科學(xué)探索的前沿和熱點問題,以獲得科學(xué)新發(fā)現(xiàn)和新知識為目標(biāo),充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢,推動一批重大關(guān)鍵技術(shù)突破,又好又快地開展月球探測,帶動我國科學(xué)技術(shù)綜合實力進一步提升。
其次,有限目標(biāo),突出重點。針對月球探測科學(xué)需求廣、目標(biāo)多,技術(shù)跨度大、風(fēng)險高的特點,立足國情國力,適度控制任務(wù)規(guī)模,堅持有所為、有所不為,“集中力量辦大事”,選擇最有可能獲得原創(chuàng)性科學(xué)成果、最具有技術(shù)帶動性的任務(wù)目標(biāo),集中力量和資源,重點突破。
第三,注重繼承,強化創(chuàng)新。充分繼承航天工程的技術(shù)、管理成果,高可靠地開展探測活動,確保穩(wěn)步實現(xiàn)總體目標(biāo);堅持科技創(chuàng)新,在月球探測核心領(lǐng)域,加大攻關(guān)力度,掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù),努力取得原創(chuàng)性的科學(xué)成果。
最后,整體規(guī)劃,分步實施。綜合考慮2020年前科學(xué)探索的需求與技術(shù)能力,統(tǒng)籌技術(shù)和經(jīng)濟可行性,注重任務(wù)間技術(shù)發(fā)展的銜接和核心技術(shù)的共用,系統(tǒng)安排;遵循客觀規(guī)律,由易到難,分步實施,降低工程實施風(fēng)險,確保持續(xù)發(fā)展。
嫦娥四號著陸器拍攝的月球背面圖像
在規(guī)劃實施過程中,貫徹復(fù)雜工程系統(tǒng)觀,既要實現(xiàn)工程的整體目標(biāo),又在實施過程中分層次、分階段有序推進。在任務(wù)安排上始終把握技術(shù)發(fā)展的節(jié)奏,既注重尋求突破與創(chuàng)新,又充分考慮繼承與銜接,確??蓪崿F(xiàn),工程中具體任務(wù)安排具有以下特點:第一,有限投入,實現(xiàn)跨越。工程三個步驟之間的技術(shù)跨越較大,力爭利用較少的資源,在較短時間內(nèi)實現(xiàn)技術(shù)的較大跨越,走具有中國特色的月球探測之路,并為行星際探測奠定基礎(chǔ)。第二,工程備份,穩(wěn)妥可靠。每期工程均以前期技術(shù)進步為基礎(chǔ),而且每期工程中,考慮到航天工程的高風(fēng)險,均安排了2次發(fā)射任務(wù),形成工程備份。嫦娥一號的備份后來作為二期工程的先導(dǎo),對嫦娥三號預(yù)選的虹灣著陸區(qū)進行了詳細(xì)勘察。嫦娥三號的備份更是在中繼星的配合下實現(xiàn)了人類首次月背軟著陸及巡視勘察,得到了廣泛好評。第三,任務(wù)拓展,擴大成果。每次發(fā)射任務(wù)主目標(biāo)完成后,均根據(jù)探測器的狀態(tài),考慮可能的拓展任務(wù),擴大探測成果。嫦娥二號獲得了分辨率優(yōu)于10米月球表面三維影像、月球物質(zhì)成分分布圖等資料后開展拓展試驗,進入日地拉格朗日L2點環(huán)繞軌道進行深空探測等試驗,飛越小行星4179(圖塔蒂斯)。第四,工程銜接,承上啟下。每期工程在第一次發(fā)射圓滿成功的情況下,第二次發(fā)射并不是簡單重復(fù)進行,而是力爭做到承上啟下,在進一步深化工程目標(biāo)實現(xiàn)的同時,盡可能開展新技術(shù)驗證,為后續(xù)工程服務(wù)。例如,“嫦娥二號”在深化環(huán)繞探測任務(wù)的同時,還肩負(fù)著“嫦娥三號”著陸區(qū)詳查的任務(wù)。當(dāng)技術(shù)跨越過大時,還可以安排專門的技術(shù)驗證任務(wù)作為過渡,例如,嫦娥5T任務(wù)對月地再入返回技術(shù)進行了驗證。
通過上述安排,我國的月球探測工程做到了“起步晚,起點高”“投入少,產(chǎn)出大”。現(xiàn)已圓滿實現(xiàn)了探月工程一期“繞”和二期“落”的目標(biāo),三期“回”計劃在2019年完成。
月球探測任務(wù)的特點包括:工作環(huán)境惡劣、工作模式復(fù)雜、技術(shù)跨度巨大、資源約束嚴(yán)格、地面驗證困難。圍繞任務(wù)的特點,工程總體組織全系統(tǒng)在技術(shù)和管理方面開展了大量具體、細(xì)致的工作,工程研制按照計劃順利開展。
探測器設(shè)計的本質(zhì)是一個強約束下的目標(biāo)優(yōu)化問題??傮w優(yōu)化根據(jù)任務(wù)需求做出方案選擇,立足系統(tǒng)分析,優(yōu)化總體方案、技術(shù)路線和發(fā)展步驟,力爭整體最優(yōu)地確立和實現(xiàn)具有可達(dá)性和可靠性的目標(biāo)。在探測器設(shè)計過程中,采用系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化的方法,分成系統(tǒng)層和單機層兩個層次來開展。在系統(tǒng)層,梳理各分系統(tǒng)及其組成部分的功能和性能需求,采用功能復(fù)用、功能集成和布局優(yōu)化等方法完成系統(tǒng)方案的設(shè)計優(yōu)化。在單機層,分析影響單機設(shè)備或部組件優(yōu)化目標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù),采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、單機優(yōu)化和電纜優(yōu)化的方法完成單機方案的優(yōu)化設(shè)計。這些設(shè)計思想、設(shè)計工具、設(shè)計方法的發(fā)展促進了航天器的總體設(shè)計水平的提高。
研制工作中團隊克服了重重困難,比如設(shè)計的先進性與可實現(xiàn)性。系統(tǒng)設(shè)計的先進性推動了新產(chǎn)品、新器件、新材料、新工藝的應(yīng)用和發(fā)展,通過變推力發(fā)動機、高集成的機構(gòu)控制專用器件、鋁鎂合金機箱、熱等靜壓工藝的完善和使用,解決了工程設(shè)計的難題。
探月工程任務(wù)的復(fù)雜性,決定了探測器設(shè)計難度大、功能復(fù)雜,受到運載火箭的發(fā)射能力限制,系統(tǒng)的重量資源十分緊張。在系統(tǒng)集成設(shè)計方面進行了大膽的嘗試,通過電子設(shè)備的集成設(shè)計將系統(tǒng)配電管理、機構(gòu)控制、溫度控制、火工品管理、自主管理、遙測遙控、數(shù)據(jù)復(fù)接等功能集成到數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)和綜合電子分系統(tǒng)實現(xiàn),降低了系統(tǒng)資源需求。
惡劣的月球表面工作環(huán)境,也給系統(tǒng)可靠性工作帶來了巨大的挑戰(zhàn),更由于資源緊張,不能采用簡單的冗余備份方式,為此通過桅桿的功能復(fù)用、導(dǎo)航相機和全景相機的異構(gòu)備份、器地和器間測控數(shù)傳信道的異構(gòu)備份等優(yōu)化設(shè)計方案,大大地簡化了硬件配置,在保證系統(tǒng)可靠性的同時,降低資源開銷。
月球探測涉及月塵、低重力、月表紅外輻射、高低溫等特殊環(huán)境,其地面模擬十分復(fù)雜,全面模擬實現(xiàn)代價過高,有時甚至不可實現(xiàn)。在系統(tǒng)試驗策劃過程中,本著分析、仿真、試驗驗證相結(jié)合的技術(shù)路線,采用環(huán)境效應(yīng)模擬方法,將復(fù)雜的環(huán)境分解,發(fā)展地面環(huán)境模擬方法與技術(shù),實現(xiàn)了探測器設(shè)計的充分驗證。
從其他國家的發(fā)展歷程看,深空探測從來就不僅僅是單純的科學(xué)或技術(shù)活動,被賦予了更多的含義。從科學(xué)角度看,它研究的是宇宙和生命起源這一類最根本也是最前沿的問題;從技術(shù)進步角度看,它能夠引領(lǐng)發(fā)展尖端的技術(shù);從人才角度看,它能夠吸引、培養(yǎng)和鍛煉一大批相關(guān)領(lǐng)域的頂尖人才;從經(jīng)濟角度看,它需要非常雄厚的經(jīng)濟實力,并能夠創(chuàng)造新的經(jīng)濟增長點;從政治角度看,它爭取的是未來的領(lǐng)先地位;從思想角度看,它代表的是人類追求更強能力、更遠(yuǎn)到達(dá)、更廣視野、更深認(rèn)識的理想。深空探測可對一個國家產(chǎn)生多方面、多維度、綜合性的影響,促進多個領(lǐng)域的進步,這正是開展深空探測活動的意義所在。
在我國,月球探測工程與社會發(fā)展之間也有著深刻的聯(lián)系。首先,國家實力的增強為月球探測工程提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。綜合國力的增強,使包括嫦娥工程在內(nèi)的科技重大專項的實施成為可能,這其中既包括經(jīng)費方面的保障,也包括基礎(chǔ)工業(yè)、技術(shù)能力等方面的提高,使復(fù)雜的設(shè)計可以轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的產(chǎn)品,還包括電子、計算機、材料等行業(yè)的發(fā)展,為工程關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)奠定了更好的技術(shù)基礎(chǔ)。
其次,推動航天技術(shù)發(fā)展,服務(wù)航天強國建設(shè)。在月球探測工程中發(fā)展的技術(shù)將直接應(yīng)用于后續(xù)航天任務(wù)。例如:雙目立體視覺技術(shù)是玉兔號月球車識別地形障礙必須使用的技術(shù)手段,這些技術(shù)可以直接應(yīng)用于機械臂避障檢測、非合作目標(biāo)識別等技術(shù)領(lǐng)域;服務(wù)于減重發(fā)展起來的鋁鎂合金機箱更可廣泛應(yīng)用于各類衛(wèi)星、飛船,在滿足功能要求的同時,機箱重量可減少1/3;軟著陸使用的變推力發(fā)動機提高了航天器軌道控制能力。
嫦娥四號探測器軟著陸后相機拍攝的圖像
同時,工程的技術(shù)成果將產(chǎn)生長期的輻射效應(yīng)。團隊攻關(guān)研制的新型高性能產(chǎn)品,科學(xué)探測取得的成果,帶動了自動控制、信息技術(shù)、微電子、新工藝、新材料等領(lǐng)域一批新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,促進了天文學(xué)等學(xué)科的發(fā)展及空間科學(xué)、空間技術(shù)的應(yīng)用,實現(xiàn)了我國航天研發(fā)、制造、應(yīng)用能力和水平的躍升,形成代表綜合國力的高技術(shù)群,推動了我國經(jīng)濟與社會的持續(xù)進步,特別有益于當(dāng)今時代背景下低能耗、低污染、高附加值的綠色增長。例如:立體視覺技術(shù)既可應(yīng)用于家庭服務(wù)機器人,也可應(yīng)用于野外無人作戰(zhàn)平臺;月球車路徑規(guī)劃技術(shù)可以應(yīng)用于倉儲機器人等自動化工業(yè)平臺;流體回路技術(shù)可以應(yīng)用于超大型計算機散熱;著陸腿中的高效輕質(zhì)緩沖材料也有廣泛的應(yīng)用前景。
嫦娥任務(wù)得到了社會廣泛關(guān)注,尤其是新媒體形式的介入,使社會公眾尤其是青少年對科技發(fā)展的關(guān)注程度有所提高。面對仍有大量貧困人口的情況下為什么還要探月這樣的疑問,通過充分討論也讓公眾更好地理解了國家的科技政策,為巡視器征名的活動更是吸引了眾多網(wǎng)友參加。玉兔在微博“賣萌”吸引了幾十萬粉絲的關(guān)注,這么多人關(guān)注一個探測器狀態(tài)的變化和安危,十分少見,甚至引起了關(guān)于公眾信息傳播方式的學(xué)術(shù)討論。無論是科學(xué)家還是老百姓,都在月球上找到了各自所好的寄托,滿足了多種社會需求。