鎖定探月工程 下一站是月球車

2020-12-19 09:00:47 140

居鶴華:1969年生,2003年7月于哈爾濱工業大學飛行器設計專業博士研究生畢業。目前在北京工業大學工作。主要從事有關智能控制與信息處理等方面的研究工作。

    英國皇家工程學會執行主席、薩里空間中心主任Martin Sweeting在接受《科學時報》采訪時,恰逢英國研究理事會中國代表處在北京成立,在他懷里揣著的一張行程單上,還記有另外兩件事:參加北京一號衛星兩周歲慶典,與北京工業大學談月球車的進一步合作事宜。  
    Sweeting似乎對后兩件事更感興趣,說起來滔滔不絕。 
  
    從小衛星到月球車 
  
    2003年,薩里空間中心簽下了來自中國的一份合同:北京數字工程的重大項目――高性能對地觀測小衛星北京一號,該衛星已于2005年10月27日下午在俄羅斯普列謝斯克衛星發射場成功發射。   
    北京一號近地軌道686千米,預計在軌壽命5年以上。衛星研制的主要出資者為中國科技部,由北京宇視藍圖公司負責具體運作。它攜帶有分辨率為4米的全色相機和分辨率為32米的多光譜相機,掃描寬度分別達24公里和600公里,并將直接服務于2008年北京奧運會。此外,北京一號的多光譜相機將應用于“國際災害監測衛星網計劃”(DMC)。   
    兩年來,“北京一號運行良好,祝北京一號兩周歲生日快樂?!盨weeting打趣地說。他還饒有興趣地講述了北京一號的一次光榮紀錄:一次,中國西藏自治區發生泥石流,把通往印度的一條河堵上了。印方怪罪是中方的故意行為,而中方利用北京一號拍到的實際照片,最終澄清了事實。   
    “10年來與中國的合作有什么感想?”   
    記者的話音未落,Sweeting忙說:“No,No,不是10年,而是16年?!?nbsp;  
    早在1991年,Sweeting已經來到中國,并訪問了30多家科研機構。Sweeting說:“我花了5年多的時間走遍了中國,挑選合作對象,最后選中了清華大學等高校以及中國科技部。當然實質性的合作是在10年前,但在此之前,我們和中國多家單位達成過合作意向?!?nbsp;  
    1998年7月,薩里空間中心簽下第一份來自中國的合同,客戶是清華大學。清華派出10人的技術團隊遠赴薩里空間中心學習研制小衛星。兩年后,清華一號小衛星成功發射。   
    截至目前,薩里空間中心已經為多個國家研制了28顆小衛星,其中與中國合作制造了3顆小衛星。2002年,Sweeting被英國女王授予爵位。   
    2005年,隨著各國探月風的興起,薩里空間中心以及Sweeting本人都發現了月球這一市場,進而憑借空間工程技術的優勢開始關注月球車的開發。中國探月計劃的實施更加印證了Sweeting的這一想法,并隨即轉向與中國合作。 
  
    一次國際合作的偶然結緣 
  
    薩里空間中心和北京工業大學在月球車上的合作,還要追溯到北京工業大學的另外一次國際合作。  
    如今已是北京工業大學電控學院副教授的居鶴華,從2000年在哈爾濱工業大學攻讀博士學位期間就開始從事月球車的研發,2003年,他在北京工業大學讀博士后,留校后繼續承擔月球車的研發工作。2004年,居鶴華帶領的課題組與奧地利空間研究院進行合作,申請了歐洲空間局(ESA)的研究課題,對月球車登陸后的泥土樣本采樣系統進行研究,奧方科學家出于技術需要又與薩里空間中心合作,并采用了薩里空間中心的專利技術――微型深空探測鉆。   
    從奧地利科學家那里得知北京工業大學從事月球車研究的薩里空間中心,隨即派人到北京工業大學考察,并回去向Sweeting匯報考察情況。   
    中英兩國政府和科學界似乎也嗅到了兩國空間科學界合作的氣息,感受到了進一步合作的必要性,2005年1月、2006年3月,中英兩國航天機構部長級會議和中英空間科學與技術合作研討會相繼召開,中英兩國政府高層簽署了在航天領域合作的協議。   
    借助會議的契機,薩里空間中心和北京工業大學也有過多次接觸。2007年7月,Sweeting來到北京工業大學,對居鶴華的實驗室進行為期4天的訪問。   
    居鶴華說:“他們非常積極,幾次商談過后,我們已經達成了初步合作協議,并確定了月球車研發的大致時間表?!?nbsp;  
    居鶴華解釋說:“今年年底,我們將完成第二部月球車原理樣機(BH2)的裝配與調試,明年夏天可以在野外作測試,進而于年底與英方進行聯合測試。如果實驗方案可行,就可以開始進入工程樣機研制階段?!?nbsp;
  
    小型化與大趨勢 
  
    我國探月二期將發射軟著陸器和月球車,并對月球進行精細探測。   
    居鶴華說:“我國探月二期工程尚未開始全面運作,相關預研工作也沒有全面開展,月球車工程方案自然也沒有完全確立。但由于我們已經開展大量研究工作,并取得了一定的研究成果,而英方在微型化方面具有重要優勢,中英在探月二期以及月球車上的合作有很好的前景?!?nbsp;  
    居鶴華說:“月球車是滿足月球環境、科學目標、探月的測發控及地面應用系統技術要求的半自主式移動機器人,同時也是一個現代深空探測器。我國大運載火箭于2012年左右才能服役于月球探測,受我國現有的火箭推進能力及發射成本等限制,月球車小型化技術無疑是一大趨勢?!?nbsp;  
    居鶴華將記者領到了他設計的實驗室月球車樣機前說:“在探月二期工程中,有些科學家認為月球車的重量應為200公斤,但是考慮到我國火箭的噸位,這一方案未必可行。我們的實驗室樣車已經將體重減到了40公斤,長度為1.1米,寬度為0.85米,6個輪子均可以收攏,國內其他單位沒有這樣的設計?!?nbsp;
    居鶴華說:“月球車縮小了,科學目標并沒有縮水。月球車行駛的速度雖然降低了,但是所行駛的路程沒有變,我們設計的速度是20厘米/秒,理想狀態可以達到30厘米/秒。爬坡的高度為32厘米,是車輪直徑的1.5倍。實現同樣的科學目的,蘇聯的月球車重量是800多公斤,車長約為2.8米?!?nbsp;  
    薩里衛星公司及薩里空間中心以小衛星及微、納衛星聞名于世。北京一號衛星的重量為166公斤,清華一號小衛星的重量僅為50公斤。   
    小衛星是1000公斤以下的衛星。Sweeting舉例說:“普通衛星,從有設計想法到發射需要8~9年的時間,就像手提電腦,盡管七八年以后仍然能用,但是功能已經落伍了?!?nbsp; 
    Sweeting將他們制造的小衛星分為4級:迷你級、微觀級、納米級、次納米級,重量分別為,300~400公斤、100公斤、10公斤和幾公斤。   
    Sweeting說:“我們還在做信用卡大小的小衛星。不僅體積要小,更重要的是成本要低,建造時間也要短。我們的小衛星成本是普通衛星的1/3到1/4,一年到一年半的時間就可以造成?!?nbsp;
  
    沒有互補 合作只是空談 
  
    居鶴華說:“在合作中,對方看中的不只是你的論文數量和專利擁有量,更關注真正有用的技術及月球車工程進展程度。如果沒有雙方的互補性,合作則成為空談。我們有較強的月球車導航與控制理論基礎,先后開發了第一代與第二代月球車實驗樣機,而薩里空間中心擁有先進的工程化技術,這正是合作的基礎?!?nbsp; 
    2003年以來的短短4年,居鶴華的課題組承擔了4項有關月球車的“863”課題,解決了多個月球車研發科學技術難題。   
    月球沒有磁場,是慢自旋的,月球車無法依靠磁羅盤及陀螺進行位姿確定,如何解決這一難題呢?   
    居鶴華說:“探月衛星可以依靠甚長基線干涉測量(VLBI)定位,但是月球車一旦著陸,可能會受到障礙物的阻擋,測控也就變得困難。2003年我們提出的課題――‘基于太陽羅盤與慣性單元的月球車位姿自主確定技術’目的正是為了解決這一問題?!?nbsp;  
    居鶴華課題組研發的BH2型月球車,主要是通過自行開發的月球太陽羅盤及月球垂直陀螺進行位姿自主確定。其中月球太陽羅盤不僅具有高精度的太陽觀測能力,而且能夠克服月球粉塵黏結等造成的影響。在精確的姿態確定基礎上保證了月球車能夠進行長時間的局部位置確定。在VLBI技術配合下,能夠解決月球車位姿確定的難題。   
    “除此之外,我們還賦予月球車自主能力。當發出月球車要執行的任務指令后,它可以自主地進行障礙識別、路徑規劃、運動規劃及牽引控制?!本愈Q華指著一個圓柱狀設備說:“這是‘六維力傳感器’,它可以檢測月面的路況,對月面泥土參數進行識別,并將信息傳給控制系統,從而判別松軟的月面是否具有足夠的承載能力,并為牽引控制系統提供了必要的力學參數?!?nbsp;  
    “這是激光立體識別系統,這是……”   
    “這些科學難題,我們都進行了嚴密的論證,并進行了實驗,但是我們工程化制造技術不強,而英方具有突出的優勢?!本愈Q華坦陳。   
    互補性見證了合作的意義,月球車取樣分析系統即是雙方優勢互補的典型之作。薩里空間中心有一項專利技術――基于仿生原理的微型深空探測鉆探取樣,這是依據黃蜂的產卵器工作原理研制的一種適用于深空探測需求的新型鉆探取樣系統。   
    Sweeting說:“月球引力僅為地球的1/6,在月球上使用傳統螺旋式鉆頭會把月球車整體旋轉起來。而根據黃蜂產卵原理制造的鉆頭可以將自身的外加力降至最小,保證在不依賴于重力的條件下完成鉆探功能,鉆孔深度達2米左右?!?nbsp; 
    居鶴華說:“小型化、低功耗更是這一新型系統的優點,非常適合在月球車上使用。我們也就這項合作研究申請了相關課題,薩里空間中心負責深空探測鉆探系統結構設計與加工,北京工業大學負責深空探測鉆探系統的控制系統實現與測試?!?nbsp;
  
    合則互利 
  
    談及合作前景,居鶴華說:“第一步先走出去,技術合作對雙方都有好處,可以令我們開闊眼界,也有利于雙方人才的交流互動?!?nbsp;  
    Sweeting 在薩里空間中心培養了40個博士生,其中有6個是中國人。   
    “雙方的人才也有一定的互補性,中國人的思維比較徹底和深入,英國人不擅長分析但是善于想象。如果遇到問題,英國人會分成小塊,用不同的方案解決,而中國人則善于將問題分析透徹,兩種思維結合起來就能做成大事情。如果我們和法國人、意大利人合作,思維就沒有互補性了?!盨weeting笑著說。   
    居鶴華說:“我們既可以聯合申請英方的科研課題,歐空局的項目我們也希望參與,薩里空間中心也希望與我們一道申請我國政府的科研課題。和薩里空間中心的合作感覺很順利,英國從政府到大學再到公司口徑都很一致,月球車本身就屬于民用航天領域,因而在合作上不存在障礙。更關鍵的是,探月工程包括將來的其他深空探測計劃,都不是哪個國家能夠單獨完成的,需要更廣泛的國際合作?!?nbsp; 
    Sweeting也表示:“英國也有自己的探月計劃――月光計劃,打算發射4個飛鏢一樣的航天器進行對月探測。由于資金問題,英國不可能自己單獨執行航天計劃,但可以發揮自己的優勢,參與國際合作。再過20年,相信世界會有更多的國家有登月計劃,甚至在月球上建立永久建筑。我們則可以以低成本的優勢和適當的方式參與進去,這是一種純粹的合作,可以集中力量做大事?!?nbsp; 
    “我們對中國的探月工程很感興趣?!盨weeting并不諱言。 
    采訪中,記者還獲悉,12月9日,薩里空間中心的科學家將會再次訪問北京工業大學,這次他們要談的是更為具體的合作細節!