嫦娥3号配电系统

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1、“玉兔”号月球车构造 /新华社资料整理/覃柳洁 唐宏伟 制图/黄欣晨报记者 杨育才“嫦娥奔月”即将迎来最精彩动人的一刻。按照“奔月”时间表，嫦娥三号将于 12 月 14 日在月球表面的虹湾着陆，并开始为期 3 个月的月面巡视勘察。嫦娥三号将在月球上遇到哪些恶劣的环境？它将依靠什么能源在月面维持“生命”？ “玉兔”月球车将如何在月面巡视工作？如何将收集到的图片、资料等信息传回 38 万公里 之外的“娘家”地球？近日，晨报记者采访了中国航天科技集团第八研究院 804、805、811 所多位专家，他们代表着上海的航天实力，参与了嫦娥三号月球车的研制。疑问 1：要去的月面环境如何？“玉兔”要承受“月宫

2、”300 多摄氏度温差，1/6g 重力环境传说中的“月宫”美妙绝伦，嫦娥会带着玉兔在月宫里翩翩起舞。但在真实的月球上， 没有空气，没有水，只有高达 300 多摄氏度的温差。12 月 2 日凌晨，嫦娥三号搭乘长征三号乙遥二十三运载火箭，从西昌卫星发射中心开 始其登月之旅。在经过发射阶段、地月转移段、环月段以及动力下降段之后，嫦娥三号将 会在月球表面软着陆。在接受晨报记者采访时，中国航天科技集团第八研究院第 805 所专家介绍说，温差是 登月后的嫦娥三号首先要面对的考验。月球车的车轮、摇臂等活动部件都是金属材质，具 有热胀冷缩的特性，这就对材质和加工精度提出了很高要求。如果膨胀过度，活动部件容 易

3、出现卡死等故障。除温差外，月球 1/6g 的重力环境，也是一大考验。设计师表示，月球表面的土壤非常 松软，而且还凹凸不平，甚至还有陡峭的高坡。在这种重力环境下，月球车巡视过程中不 仅要保持平稳，还要具备较好的通过性，更不能侧翻。在第八研究院的月表形貌综合模拟试验控制室里，科研人员在模拟月壤上进行的各项 试验；1/6g 重力环境则通过跟随吊挂来实现，使得月球车只有 1/6 的重量压在模拟月面上。此外，月表细小的月壤还会形成悬浮颗粒，并且因为月壤带有静电，容易吸附在月球 车的车轮上，这对月球车活动部件的密封提出了非常高的要求。“如果这些颗粒或沙尘进 入轴承，轻则增加摩擦力，重则卡死轴承，影响月球车

4、机动性。”疑问 2：“玉兔”到站如何“下车”？有“梯子”，下车全靠自身程序，风险还不小整个“玉兔”月球车由移动、结构与机构、导航控制、综合电子、电源、热控、测控 数传和有效载荷共 8 个分系统组成。中国航天科技集团第八研究院巡视器移动分系统设计师介绍说：“这个分系统包括 6 个车轮、摇臂和差动机构，就像是汽车的底盘一样。”正是有了这个移动分系统，“玉兔” 才能走下着陆器，在月表前进、后退、原地转向、行进间转向，还能爬上 20 度的坡道，越 过 20 厘米高的障碍。“着陆器释放月球车的过程，是一个比较大的难点。”上海航天专家胡震宇介绍说， 从发射到月球着陆，月球车都是固定在着陆器顶部的。当着陆器

5、着陆后，转移机构悬梯解 锁，然后月球车和着陆器连接部分解锁，展开太阳能帆板并转移到悬梯顶端，最后，悬梯 带着月球车往下转移，直至悬梯前端触碰月面，月球车才沿着梯子下滑到月球表面。“之所以说这个步骤比较难，是因为月球车沿悬梯运动过程中存在着一些不可控的风 险。”尽管着陆器会选择一块尽量平坦的地方着陆，但梯子伸出来的姿态比较难以控制， 有可能会出现倾斜。月球车在下滑时，完全依靠自身既定的程序进行，速度会非常缓慢， 但是其方向和速度都不受地面控制。“从国际探测数据来看，世界各国对月球的探测共进行了 129 次，成功率是 51%。从 这些数据来看，探月活动风险还是很大的。”在 11 月 26 日举行的

6、嫦娥三号任务首次新闻 发布会上，探月工程副总指挥李本正表示，等月球车和着陆器落到月球上的时候，月球车 从着陆器上走下来，是一个比较难的过程，也是一个非常重要的亮点。为保证月球车能够平安地下滑到月球表面，巡视器移动分系统的科研人员进行了上千 次的地面试验，以模拟验证各种姿态下的释放过程。李本正在发布会上表示，虽做了很多 模拟，但对月球上的认识还是不完全和不充分的，所以存在着一定风险，也对执行任务的 过程做了相应预案。疑问 3：“玉兔”在月宫如何作息？长达 14 天的白天和黑夜，只有月昼在工作，所以，“玉兔”3 个月任务期里将“半睡 半醒”当月球车离开着陆器，踏上月球表面之后，就进入了月面工作阶段

7、。据李本正介绍， 嫦娥三号的着陆器和月球车上各搭载了 4 种有效载荷，对月面、月表进行勘察。月球车在月表如何工作呢？设计师透露，在短距离的行进中，月球车能够自主导航； 但是远距离、大范围的巡视，就需要地面来设定行进路线。“月球车每走一小段，都会给 地面一个反馈，包括图片或者数据，地面根据这个反馈再形成一个路径规划，通过指令指 挥月球车前进、后退或者转弯。”根据此次探月规划，嫦娥三号将在月球进行为期 3 个月的探测。但由于月昼和月夜的 原因（月球上的一昼夜相当于地球上的 28 天，一夜相当于地球上 14 天），“玉兔”月球 车实际上只有月昼时间在工作，月夜里则处于休眠状态。在月球表面巡视的 3

8、个月中，“玉兔”将依靠各种先进设备，对月表进行三维光学成 像、红外光谱分析，开展月壤厚度和结构的科学探测，最深可以探测月表下 100 米深处， 对月表物质主要元素进行现场分析。它传回来的数据，将帮助人们更直接、更准确地了解 神秘的月亮。疑问 4：如何“睡眠”和“唤醒”？通过地面测控人员指令，“玉兔”在“日落”时太阳能电池板收拢，防体温流失进入 休眠状态，“日出”开始供电，由休眠唤醒模块唤醒在接受晨报记者采访时，承担嫦娥三号电源分系统的中国航天科技集团第 811 所副所 长钱斌介绍，嫦娥三号月球车的电源分系统，由太阳能电池阵、一组锂离子蓄电池、休眠 唤醒模块和电源控制器组成。当着陆探测器实现在月

9、球表面软着陆后，首先由着陆器为月 球车充电，对月球车进行初始化。“太阳能电池阵就像是发电厂，电源控制器则用于管理 发电厂生产出来的电，除了提供给着陆器和月球车使用，还要用来给锂离子电池充电。” 钱斌介绍说，由于月夜长达 14 天，锂离子电池即便充满也无法满足月球车连续工作 14 天 的需要，因此只能休息。按照设计，当太阳光线和月球车所在月面的夹角低于 5 度时，地 面测控人员就会发出指令，将月球车一侧的太阳能电池板收拢，包裹在月球车箱体外部， 防止体温在月夜里通过辐射流失。另一侧的电池板则调整角度，对准日出的方向。“月球 车进入休眠状态后，电源将关闭，以节省电力。”钱斌介绍说，14 天的月夜结

10、束后，月昼开始。当太阳升到月面 5 度时，原本伸展开的 那个太阳能电池板开始供电，休眠唤醒模块就会唤醒月球车，重新开始工作。“可以说， 月球车的日落而息，是由地面控制的；日出而作，就得靠月球车自己醒来。”根据任务规划，月球车将在月表执行为期 3 个月的任务。“我国的航天器设计寿命一 般都远远高于任务期，所以虽然任务期只有三个月，但三个月后月球车还将能继续工作。 ”钱斌介绍说，影响航天器寿命的因素主要有两个，首先是能量系统，无论镍镉电池、锂 离子电池还是太阳能电池，都会随着时间而衰减；其次是航天器的机械部件，会随着时间 加长而逐步老化或者出现故障等。疑问 5：在月宫如何“保暖”？“月兔”怀揣核能

11、“暖宝宝”，此外，其身裹的一层金色“外衣”也是抵御温差的 “法宝”除了休眠唤醒模块外，嫦娥三号的另一大亮点是它携带了一个同位素热源。这也是我 国航天器首次利用核能源。“目前主要采用钚-238，它在衰变过程中辐射出高能粒子可为热能材料提供热能，使舱内设备的温度保持在零下 50以上。”钱斌告诉记者，嫦娥三号 所携带的同位素，还仅仅是作为热源使用，未来嫦娥四号上或将安装放射性同位素温差电 源，利用携带的同位素来供热并发电。钚-238 同位素的半衰期非常漫长，可以长达 80 多年，因此是星际探测器最理想的能 源。“在星际探测时，距离太阳越远，阳光越弱，太阳能电池不能有效工作，这时就需要 利用放射性同位

12、素温差电源。”美国的“旅行者”、“好奇号”火星探测器都采用了钚-238 同位素温差电源作为热电 能源。钱斌介绍说，“旅行者”探测器发射至今已经 36 年，但它所携带的同位素温差电源 输出功率仅仅衰减了不到 40%。“之所以采用钚-238 同位素，是因为这种同位素半衰周期 足够长，而且其裂变产物为较大的 粒子，穿透性相对较弱，安全性就更高。”月球车上裹着的那层金色“外衣”，也是“玉兔”抵御温差的“法宝”。白天能反射 强烈的阳光，降低箱体的温度；晚上则能防止车上箱体热量散发导致体温过低。疑问 6：如何和“娘家”联系？将用深空 “无线宽带”回传数据，平均每秒 1M 左右速度传回地球“如果将嫦娥三号比

13、作是一只飞上月球的风筝，测控数传分系统就是风筝线。”中国 航天科技集团第八研究院某专业技术研究所主任设计师告诉记者。该所承担了嫦娥三号巡 视器（即月球车）测控数传分系统。“通过这根无形的风筝线，地面的工作指令能传 达到月球车；月球车在勘察中采集到的数据、图片等也通过这根线回传到地球。”据介绍，通过这套数传分系统，月球车采集到的数据，可以按照平均每秒 1M 左右的速 度传回地球。这在 38 万公里的距离上，已经是速度很快的“无线宽带”了。要达到这样的速度，月球车的天线必须具备足够大的体积和辐射性能。该所的科研人 员提出了一个创造性方案，将天线当作月球车的桅杆，既可以收发信号，还能支撑全景相 机。

14、“这个新型方案有很多好处。首先，定向天线和全景相机不会相互干涉，定向天线实 现了半球空间无遮挡高增益辐射性能，能向地面传输大量数据，而全景相机也获得了全视 场成像无遮挡；另外，天线和桅杆合二为一后，能充分利用月球车有限的空间，并且天线 支架采用碳纤维材料，也能降低月球车的重量。”该设计师说。将天线当作桅杆，解决了发射功率和大容量传输的问题，但另一个问题随之而来。 “月球车面临的环境，比地球轨道卫星的环境要恶劣很多。”他说，地球轨道卫星绕一圈 也就 2 小时左右，有的还不到 2 小时，也就是说卫星朝阳和背阴时间都不长，卫星经历的 环境温差不会很大。但月球有月昼和月夜，14 天才白天黑夜交替一次，由此形成了 300 摄 氏度左右的高温差。“天线需要全程工作，又不能装进保温箱，只能安装在月球车外 部，暴露在月球表面。这就必须要能经受最高 150 摄氏度、最低零下 180 摄氏度的温差考 验。”为此，科研人员进行了大量高难度的地面验证试验，如热真空试验和液氦环境下的低 温存贮试验，充分验证了天线在月球表面巨大温差下的环境适应能力。