月背征途：“玉兔二號”駕駛日記_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-02-07 15:25
嫦娥四號首次實現月球背面着陸，上面搭載的“玉兔二號”成為第一輛踏上月背的月球車。“玉兔二號”2019年超過蘇聯的“月球車一號”成為了人類在月面工作最長的月球車。截至2021年1月，嫦娥四號着陸器和“玉兔二號”月球車已經在月球工作749天，月球車累計行駛628.47米。在為我國航天事業自豪的同時，人們也好奇，玉兔二號究竟在月背幹了什麼？畢竟前有“玉兔號”的故障在前，“玉兔二號”又將如何完成使命？等等諸多問題的答案，現在已經有了答案。中國探月工程國家隊、北京航天飛行控制中心撰寫的《月背征途》，講述了通往月背的旅程，以及在月面運行發生的驚心動魄的故事。本文節選自《月背征途》第五章《月背征途：“玉兔二號”駕駛日記》。
撰文 | 北京航天飛行控制中心
從成功登陸月背到“兩器分離”，再到互拍成像，在充滿未知和風險的月背之上，“玉兔二號”行走的每一步都如同在鋼絲上跳舞，必須準之又準、慎之又慎。此後，“玉兔二號”將全面開啓探險之旅，從蒐羅讓科學家“瘋狂”的石頭、發現神秘膠狀物到探索未知的月球坑等，一系列月背大冒險即將上演。第一次“休眠”
2019年1月11日，舉國矚目的“嫦娥四號”“兩器互拍”落下了帷幕。忙碌了一整個月晝的“玉兔二號”也要準備“休眠”度過寒冷的月夜了，駕駛員們開始着手在地形圖上尋找“休眠”點，但附近能夠滿足“休眠”的區域比較少。在經過反覆測量計算後，駕駛員們選定了一塊條件較好、可滿足“休眠”姿態要求的區域，作為“玉兔二號”在月背的第一個“休眠”點。從地形圖上看，這也幾乎是附近唯一的“休眠”區域了。
然而看看前方唯一的一塊黃色區域——“休眠區域”，“玉兔二號”似乎也沒有別的選擇。有人提出，我們可以將豎起的桅杆放倒，這樣定向天線就能夠隨之卧倒在“玉兔二號”上，不會對全向接收天線造成遮擋了。這樣的提議讓大家眼前一亮，經過測算，這個方案可行。隨即飛控中心發送指令將“玉兔二號”的桅杆放倒，隨後移動指令發送，“玉兔二號”又一次“低着頭”走向了“休眠”點。
來到了“休眠”位置，可不代表要馬上“入睡”。按照工作規劃，“玉兔二號”還需要在此地進行一次轉向和科學探測。畢竟這是“玉兔二號”在月背的第一次“休眠”，所以駕駛員們特別謹慎。他們對月背的月壤質地還知之甚少，雖然現在姿態滿足“休眠”要求，但就怕月壤土質太鬆軟，原地轉向對地勢造成破壞性的影響，導致此地不再能滿足“休眠”姿態要求怎麼辦？大家心裏都有些忐忑，在完成了科學探測後，飛控中心又控制“玉兔二號”轉到了“休眠”航向，遙測顯示當前姿態與預估的姿態差別不大，可滿足“玉兔二號”的“休眠”姿態要求，大家懸着的心才落下來。
1月13日3時39分，在駕駛員們的控制下，“玉兔二號”“休眠”狀態設置完成，進入了月夜“休眠”模式，等待陽光將它喚醒。
科普時間·月球車為什麼要“休眠”對“玉兔二號”來説，“休眠”是一件大事。為什麼月球車也要“休眠”呢？因為月球上面也有白天和黑夜之分，而且黑夜有 14 天，在這 14 天裏，月面温度會降到接近-190℃，“玉兔二號”為了保護自己，必須進入“休眠”狀態。地面要控制“玉兔二號”收起太陽翼，將月球車內部封閉起來，關閉所有儀器設備和載荷設備；同時，啓動同位素熱源為儀器艙供熱，使儀器艙温度不低於-50℃，確保其中的設備不至於因為温度過低而造成損壞。
“休眠”時車體的朝向、姿態和帆板的角度都要精確計算。首先，車體要微微向後傾斜，因為“玉兔二號”的車輪上沒有“手剎”裝置，如果車體不傾斜，停在斜坡上時就容易“溜車”；另外，“玉兔二號”“休眠”時同位素熱源是通過流體迴路對車體進行加熱的，傾斜也是為了讓流體迴路中的液體順利地流通。其次，太陽翼的角度也要準確放置，這樣可以保證“玉兔二號”在喚醒前先曬一會兒太陽。此外，“玉兔二號”要選在沒有障礙物的空地上“休眠”，以免地形或車身擋住中繼星通信，從而影響地面操控。
“道路千萬條，安全第一條”，有了駕駛“玉兔一號”的經歷，遙操作團隊對“玉兔二號”更是呵護有加，每一次路徑規劃、每一個狀態確認都特別小心。
早在開展“嫦娥四號”任務前，飛控中心就組織進行了“玉兔一號”行駛過程數據覆盤。“玉兔一號”定格在114.8米，我們應該吸取哪些教訓呢？為了使覆盤工作更加深入，飛控中心請來了探測器設計部門的月球車專家以及當年“玉兔一號”的駕駛員，共同對“玉兔一號”在月球上的每一步足跡特別是最後幾步的行走過程做細緻研究。最終形成以下結論性意見：一是光照對月面感知的影響較大；二是大麴率移動風險較高；三是在月面複雜路面上要能進也要能退。
這些看似簡單的原則正是在充滿風險的月面駕駛時必須要注意的。也正是這次對“玉兔一號”遙操作的覆盤工作，制定了月面安全駕駛9條原則，為“玉兔二號”幹得更久、走得更遠打下了基礎。
既然光照對月面感知的影響很大，那麼為了確保路徑規劃前能看清楚月面地形，我們制定了相應的圖像感知原則，避免由於光照原因導致移動方向上出現圖像過曝或車體本體陰影較大的情況。若移動目標位置的地形不清晰或更換移動目標點，則需要進行重新感知，確保從當前位置到目標位置之間的地形情況清晰可見，能夠為路徑規劃提供優質的圖像信息。
“玉兔二號”在月面真實環境中的移動表現如何、月面實際地形對它的移動會產生哪些不可預知的影響、“玉兔二號”能否按照駕駛員規劃的預期路徑進行移動等都需要對它的實際移動效果進行評估。9條原則中的第3條是這樣描述的：
每次移動後在導航點或中間點對行走效果進行評估，判斷是否移動到位，可否按照原定策略及相應應急方案實施。移動未到位判斷準則如下：
1.針對直線行走、原地轉彎和曲線行走，地面監視判斷遙測偏航角141 第 5 章 月背征途：“玉兔二號”駕駛日記與規劃結果超過5°或遙測位置與規劃結果偏差超過0.5米。
2.若該站點獲得的視覺定位結果與規劃位置距離偏差超過移動距離的10%。
如果地面判斷出現“移動未到位”的情況，就要立即停止原規劃方案，進入問題排查和緊急脱困狀態，必要時退回到上一站點，確保“玉兔二號”的安全。
第3條安全駕駛原則對駕駛員來説至關重要，必須作為基本原則長期堅持。在“玉兔二號”後續1年多的行駛過程中，駕駛員們正是堅守了這9條原則才確保了“玉兔二號”在月背探險中不斷奮勇前行。
短暫“失聯”
月午期間為躲避高温，“玉兔二號”一般會“午休”，可是這個月午“玉兔二號”“睡”得並不踏實。
2019年6月4日上午8時20分，“玉兔二號”進入測控區後，值班人員發現雖然返向載波鎖定，但“玉兔二號”的遙測依舊無法解析，地面和“玉兔二號”失去了聯繫。值班人員檢查了“玉兔二號”前一晚的情況，一切正常，那“玉兔二號”到哪裏去了呢？
經過現場專家反覆研究，決定首先對“鵲橋”中繼星的對月解調器進行軟復位操作，正是這個解調器承擔着與“玉兔二號”通信的重要職能。兩條指令發出去後，遙測還是沒有恢復，所有人屏住呼吸，緊緊盯着屏幕。
突然，“玉兔二號”時間顯示開始閃動，遙測恢復了！駕駛員們全面檢查“玉兔二號”的狀態，一切正常！剛剛緊張到凝固的空氣終於開始流動了。經查，原因是測控區外單粒子擊中了“鵲橋”中繼星的遙測處理電路板，導致中繼星對“玉兔二號”的遙測處理出現了問題。
這個月晝“玉兔二號”的短暫“失聯”雖説是虛驚一場，但卻提醒我們，太空環境複雜多變，要隨時做好應對各種突發狀況的準備，駕駛員不僅要車技一流，更要掌握機制，沉着應對。
科普時間·單粒子效應
單粒子效應是指單個空間高能帶電粒子擊中微電子器件靈敏區時，由於電離作用產生額外電荷，使電子器件邏輯狀態改變、功能受到干擾或者失效。單粒子效應主要包括單粒子翻轉、單粒子鎖定和單粒子燒燬。
單粒子翻轉是高能粒子轟擊芯片中的邏輯電路，導致邏輯發生了翻轉，即原值為0，轟擊之後值翻轉為1，值也可由1翻轉為0。單粒子翻轉導致的故障屬於“軟故障”，一般可以通過系統復位、重新加電或重新寫入等恢復到正常狀態。
單粒子鎖定是單粒子入射產生的瞬態電流導致設備功能性損壞，單粒子燒燬則是通過造成短路而燒燬電路，這兩種情況均可造成不可修復的傷害。
由於高性能的微電子器件被大量應用在航天器系統中，所以單粒子效應的危害十分嚴重，當它造成航天器控制系統的邏輯混亂時，可能會產生災難性的後果。
上個月晝“玉兔二號”在月球背面的撞擊坑中發現了神秘的膠狀物質，這一發現讓科學家和駕駛員們都興奮不已。月夜期間，科學家們持續表達了對該物質探測的強烈需求，並設計了對照試驗，選定了三個點要求進行科學探測。
“玉兔二號”的前輪肯定要懸空進入坑裏。坑邊的月壤質地如何？會不會產生滑坡？坑邊的濺射物那麼多，對於航向會有什麼影響？大家的心裏都打起了鼓。駕駛員們經過反覆討論，最終確定了遠距離調整航向，然後直線逼近探測的方案。這個方案對於駕駛員的設計能力和控制精度都是嚴峻的考驗。失之毫釐，謬以千里，在遠處調整好航向後，誰也無法保證逼近的過程中航向不會產生偏移，萬一航向有偏差，或者行走過程中被濺射物改變了航向，那麼所有的努力將功虧一簣。
計劃排定後，月晝也如期而至。駕駛員首先讓“玉兔二號”來到了探測起點，經過對撞擊坑的再次探測，科學家重新提供了探測點的座標，駕駛員經過再次精心計算和精準控制，使“玉兔二號”準確對準了探測點。
隨後，駕駛員控制“玉兔二號”邁步向着探測坑前進，第一步走了28秒，“玉兔二號”來到前輪距離撞擊坑幾十釐米的地方，對撞擊坑再次進行了探測。然後，“玉兔二號”又往前走，持續了8秒，這已經離撞擊坑很近了，但根據探測成像的結果，距離探測物質的區域還有一小段距離。最後，駕駛員又小心翼翼地控制“玉兔二號”向前挪，持續了2秒，車輪的前沿已經抵達撞擊坑的邊緣了。根據測算，紅外成像光譜儀的視場已經覆蓋了探測物質的邊緣，已經有物質進入了紅外成像光譜儀的探測範圍。
月午期間，科學家對上午取得的探測數據進行了分析，大家都翹首以盼，但得出的結論卻令人泄氣。雖然探測物質已經進入了紅外成像光譜儀的視場，但由於物質自身的陰影較多，導致未能分析出物質成分，上午的探測最終鎩羽而歸。
經過這一番探索，大家多少有些沮喪，費這麼大勁，還是沒有達到科學家的要求，他們申請下午繼續對該物質進行探測。但是此時距離出月午只有兩天半的時間，科學家們認為上午的探測將光照和路徑情況已經摸得很清楚了，再往前走10釐米應該就能輕鬆拿到數據了。
但是駕駛員們知道，現實遠比想象嚴峻得多。下午太陽的位置變了，如果原路返回，太陽敏感器將全程失去作用，所以這個方案是不可行的。要想在下午實施探測，必須換個位置和方向重新開始，所有的方案也必須重新設計，而且由於月晝下午需要實施“休眠”，可探測的時間比上午更短，所有的工作必須精簡壓縮。就剩一個週末，方案必須在半天之內拿出來。測量、設計、定位、投影、複核、準備控制數據……
月午結束後，“玉兔二號”就快馬加鞭地開始了下午的探測之旅。按照規劃，第一步“玉兔二號”需要轉向80°，這是一個已經進行了上百次的平常操作，但這次轉向卻只實施了很短的時間就結束了。駕駛員們多方查證後發現，在轉向指令發出後不久，右前輪的角度超出了限制，因此判斷“玉兔二號”的控制系統輸入異常，實際只轉了2°便中止了。這是“玉兔二號”的一種自我保護機制，防止車輪被小石子鈎掛而對運動系統產生損傷，但卻讓地面上的駕駛員擔心了半天。地面重新制訂了轉向參數進行上注，“玉兔二號”這次一點一點完成了預期的轉向，太陽敏感器也顯示可見，所有系統一切正常。
解決了轉向未到位後，“玉兔二號”來到了探測起點，按照預定的探測計劃，“玉兔二號”調整航向後向着探測點再次進發，很快來到了同月晝上午位置差不多的坑邊。根據駕駛員的核算，此時“玉兔二號”的車輪距離撞擊坑邊沿還有10釐米左右，但是根據測算，再走10釐米，“玉兔二號”還是無法將紅外成像光譜儀的視場覆蓋到探測物質，科學家要求再往前走15釐米。但這15釐米，在駕駛員的心中卻是一道重要的關口，這樣“玉兔二號”的前輪懸空部分就已經探入了撞擊坑，車輪受力的位置離坑邊很近了，會不會滑坡？
所有人聚集在遙操作大廳，一輪艱難的討論開始了，最後堅持科學探測的勇敢精神還是佔了上風。駕駛員決定控制“玉兔二號”再往前走15釐米，“玉兔二號”的俯仰角變大了，紅外視場看得更遠了，探測物質已經進入了探測區域，但是從圖像上看效果仍不理想。
此時科學家們提出還需要再往前走2～4秒。駕駛員幾乎本能地説“不”！按照測算，此時車輪已經探進坑了，再往前走，車輪的中心將壓到坑的邊緣， 誰也不知道這個坑能不能受力。但已經來到了這裏，一個巨大的寶庫就在面前，無法取得理想的探測結果恐怕將是所有人的遺憾。
中科院空間中心的主任也給測控通信系統總指揮打來電話，表明想探測坑底神秘物質的強烈願望。總指揮答覆：“在確保‘玉兔’安全的情況下，我們一定要幫助科學家拿到需要的數據，這也是‘玉兔’探索月背奧秘的使命！”
駕駛員們在經過反覆計算確認後決定再移動一次！於是再次用了3秒向前移動，遙測數據表明，俯仰角和滾動角都在朝着有利於探測的方向變化，控制實施得很精準，擔心的滑坡沒有出現。駕駛員們立即組織感知成像和探測下傳，探測的結果出來了，在紅外成像光譜儀的視場中有一塊探測物質，探測結果終於滿足了科學家們的要求。
“世之奇偉、瑰怪，非常之觀，常在於險遠，而人之所罕至焉。” 這個月晝，“玉兔二號”看似凌亂繁複的步伐為月球背面的荒涼增添了諸多人氣和亮色，為人們講述着人類的探索故事。
科普時間·首份月幔源物質初步證據
人類數十年來的探月工程揭示，月球表層即月殼以斜長石礦物為主，月殼覆蓋着的月幔則可能富含鎂鐵質，然而多年來科學家一直難以探明月幔的詳細結構。國際頂級學術期刊《自然》發表了一篇來自中國科學家的成果：中國的“嫦娥四號”月球探測器在月球背面的馮·卡門撞擊坑着陸，並部署了“玉兔二號”月球車對南極艾特肯盆地進行探測，科學家利用可視的近紅外成像光譜儀（VINS）的光譜初始觀測結果推斷出，月球表面存在的低鈣輝石和橄欖石礦物可能起源於月球地幔。這也是人類首份發現月球背面月幔源物質的初步證據。
和太陽系中很多行星類似，月球被認為經歷了岩漿海洋階段。在這個階段，月球大部分或完全處於熔融狀態。有關月球早期演化的理論認為，月殼是由岩漿海洋中較輕的斜長石組上浮結晶形成，而如橄欖石礦物、低鈣輝石等較重的礦物下沉形成月幔。然而，這一關於月幔組成的推論至今沒有被完全證實。因此，探測南極艾特肯盆地一直是科學家們所期待的。
研究人員對“嫦娥四號”獲取的高質量光譜數據分析研究後發現，光譜數據和典型的月球表面物質的光譜數據存在差異。這也就意味着，着陸點附近檢測到的這些物質與從月球表面採集到的大多數樣品明顯不同。特別是這些材料含有鎂鐵質成分，主要是橄欖石和低鈣輝石的混合物，高鈣輝石的含量則極低。
研究人員據此推斷，月球表面存在的低鈣輝石和橄欖石礦物可能來自月球的上地幔。研究結果還證實了月幔富含橄欖石的推論的正確性，這對於確定月幔的組成具有重要的意義。從更廣泛的意義上説，“嫦娥四號”的發現可能也會影響我們對月球內部形成和演化的理解。