在嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師彭兢看來(lái)，自己的工作和導(dǎo)航軟件有相似處：確定目標(biāo)后，選擇路線(xiàn)、工具和時(shí)間，更重要的是，要考慮途中可能遇到的各種未知因素，然后做好相應(yīng)的設(shè)計(jì)和意外情況的解決方案，最大限度地按時(shí)、按標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)——只不過(guò)，他和同事把目的地設(shè)定在月球。嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師彭兢為大家?guī)?lái)演講《設(shè)定一個(gè)小目標(biāo)，去月球》，聊聊深空探測(cè)和嫦娥的故事。

 

以下為彭兢演講實(shí)錄：

我叫彭兢，我來(lái)自中國(guó)空間技術(shù)研究院，是一名航天器的設(shè)計(jì)師。

 

月球探測(cè)器聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)神秘，也很遙遠(yuǎn)。但對(duì)于我們這些天天從事相關(guān)工作的人，它其實(shí)也很普通。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是選擇月球作為探測(cè)對(duì)象，設(shè)計(jì)一架機(jī)器，去實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的任務(wù)目標(biāo)——

 

（演講嘉賓彭兢：《設(shè)定一個(gè)小目標(biāo)，去月球》）

 

比如嫦娥一號(hào)，我們?cè)O(shè)計(jì)它的目標(biāo)就是去環(huán)繞月球，并在繞月飛行的過(guò)程中拍攝月球的照片，對(duì)月面進(jìn)行遙感探測(cè)；而嫦娥三號(hào)就是要到月面去實(shí)現(xiàn)軟著陸，就近對(duì)月球表面進(jìn)行科學(xué)探測(cè)；我現(xiàn)在正在做的嫦娥五號(hào)，則是要到月球表面去取一些樣品，把這些樣品帶回到地球的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展相應(yīng)的科學(xué)研究。

 

（嫦娥三號(hào)。）

 

“繞、落、回”——這三個(gè)字就是對(duì)我們國(guó)家探月工程這三個(gè)目標(biāo)最好的概括。

 

作為月球探測(cè)器，為了讓它完成預(yù)定的任務(wù)，它會(huì)像一顆普通的人造地球衛(wèi)星（比如東方紅一號(hào)），或者是載人飛船（比如神舟五號(hào)）這樣，經(jīng)歷設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、裝配、測(cè)試、發(fā)射和在軌飛行等等過(guò)程。

 

 

因?yàn)樵虑蚝偷厍虿煌裕谶@個(gè)過(guò)程中，有些地方又和普通的地球衛(wèi)星或載人飛船不同，比如，一些針對(duì)月球特點(diǎn)的特殊設(shè)計(jì)和地面實(shí)驗(yàn)。

 

說(shuō)到月球的特別之處，最容易讓大家想到的就是月球的特殊環(huán)境：月球表面幾乎是真空的，表面還有無(wú)處不在的月塵顆粒，大小都有，最小的只有幾個(gè)微米，比PM 2.5還要細(xì)微。

 

這些月塵顆粒雖然細(xì)小，但對(duì)于月球探測(cè)器的設(shè)計(jì)影響卻非常大 。如果它們附著在太陽(yáng)電池表面，會(huì)降低太陽(yáng)電池片進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的效率，造成探測(cè)器供電不足。如果大量月塵附著在探測(cè)器的表面，會(huì)改變表面的熱特性，妨礙我們對(duì)探測(cè)器的溫度進(jìn)行精確的控制。如果月塵進(jìn)入了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心部位，比如齒輪、軸承，有可能會(huì)使機(jī)構(gòu)卡死，導(dǎo)致整個(gè)任務(wù)失敗。

 

所以，我們?cè)谠O(shè)計(jì)月球探測(cè)器時(shí)，必須要針對(duì)月塵做特殊設(shè)計(jì)。比如，我們?cè)谠O(shè)計(jì)一些重要機(jī)構(gòu)時(shí)，一定要采用密封設(shè)計(jì)，不能讓月塵在任何條件下進(jìn)入這些機(jī)構(gòu)的核心部位。還有太陽(yáng)翼，為了避免月塵污染太陽(yáng)翼上的電池片，我們會(huì)在著陸之前將太陽(yáng)翼收攏起來(lái)，將有太陽(yáng)電池線(xiàn)的那一面向內(nèi)，這樣在月球軟著陸的過(guò)程中，激起的月塵就會(huì)比較少地、甚至盡可能不落到太陽(yáng)電池片表面，從而降低相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。

 

（設(shè)計(jì)月球探測(cè)器時(shí)，必須要針對(duì)月塵做特殊設(shè)計(jì)。）

 

還有“月球軟著陸”，包括嫦娥五號(hào)要完成的采樣返回任務(wù)，都要經(jīng)歷這個(gè)過(guò)程。要實(shí)現(xiàn)探測(cè)器平穩(wěn)安全著陸，就一定要設(shè)計(jì)一個(gè)特殊的裝置，我們稱(chēng)之為“著陸緩沖裝置”。

 

我們?yōu)殒隙鹑?hào)設(shè)計(jì)了四條著陸腿。大家知道，三點(diǎn)可以確定一個(gè)平面。歷史上也有過(guò)三條腿實(shí)現(xiàn)著陸的設(shè)計(jì)，比如下面這張圖片，就是上個(gè)世紀(jì)美國(guó)的月球勘察者著陸器的設(shè)計(jì)。

 

（上個(gè)世紀(jì)美國(guó)的月球勘察者著陸器的設(shè)計(jì)。）

 

我們考慮的稍微多一點(diǎn)：如果有四條著陸腿，萬(wàn)一其中一條腿沒(méi)有著陸，剩下的三條腿也足以平穩(wěn)支撐著陸器，同時(shí)，也出于設(shè)備布局以及對(duì)稱(chēng)性方面的考慮，所以，最終我們選擇了四條腿的設(shè)計(jì)。這也是大部分月球著陸器用到的設(shè)計(jì)。

 

在著陸緩沖腿的末端，我們也做了特殊的設(shè)計(jì)：在嫦娥三號(hào)著陸腿的末端，有一個(gè)直徑大約50厘米的足墊，就為了增加著陸緩沖腿跟月面的接觸面積——這個(gè)設(shè)計(jì)有點(diǎn)像小貓的貓爪上的肉墊，更好地緩沖著陸沖擊。

 

你可以想象一下：家里的小貓從高處跳下時(shí)，落地是很平穩(wěn)的，也很柔軟，這樣沖擊很小——我們?cè)谠O(shè)計(jì)著陸腿和著陸腿的足墊時(shí)也是要追求同樣的效果。

 

在每一個(gè)月球探測(cè)器里，都有很多這樣不同的特殊設(shè)計(jì)，而每一個(gè)特殊設(shè)計(jì)都跟一般的衛(wèi)星或者飛船不一樣，涉及很多不一樣的細(xì)節(jié)，要設(shè)定各種各樣的參數(shù)，并且要進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證。

 

那么，怎樣證明設(shè)計(jì)在月球上是好用的？

通過(guò)地面試驗(yàn)。

 

還是以“月球軟著陸”舉例。

 

月球表面重力只有地球的1/6，如果直接在地面上按照月球著陸過(guò)程來(lái)做著陸沖擊的實(shí)驗(yàn)，是無(wú)法真實(shí)反映月面情況的。怎么辦呢？

 

為了模擬六分之一的重力，我們想了很多辦法。

 

 

其中一個(gè)是：我們做了一塊傾斜的木板，跟水平面夾角80度，然后將著陸器的模型吊在一根吊繩上，讓它擺起來(lái)。擺動(dòng)的最后當(dāng)這個(gè)著陸器的模型，它的著陸腿跟這塊木板接觸時(shí)，它在這個(gè)垂直于木板，平面的這個(gè)方向上的受力恰好是它重力的1/6，用這個(gè)辦法我們就能在地面用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證我們關(guān)于著陸緩沖的設(shè)計(jì)是不是正確的。而且，這個(gè)木板也選擇了特殊的材質(zhì)，保證它的表面和著陸腿末端足墊表面的摩擦系數(shù)跟在月球表面一致。


還有一個(gè)實(shí)驗(yàn)：著陸沖擊之前，我們還要確保著陸器在月面上“從一定高度向下降落”的過(guò)程，嚴(yán)格按照預(yù)定的策略來(lái)執(zhí)行。

 

 

為了驗(yàn)證控制效果，我們專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和建設(shè)了一個(gè)塔架。這個(gè)塔架最高有110米，用它加上電機(jī)和吊繩，吊著這個(gè)著陸器，我們就可以模擬在月面上以70米左右高度往下降的過(guò)程。

 

 

在這個(gè)過(guò)程中，上面的電機(jī)和吊繩會(huì)提供著陸器模型重量的5/6，那么剩下的1/6重力作用在這個(gè)著陸器上，我們就可以模擬在1/6重力加速度條件下，看著陸器的運(yùn)行情況和我們的控制是否正確。

 

在北京東南郊建的試驗(yàn)場(chǎng)。

 

這個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)就在北京的東南郊，大興的朱莊。2015年夏天，我?guī)ьI(lǐng)了一支試驗(yàn)隊(duì)，在朱莊做了三個(gè)月左右實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)遇到了很多的困難，其中最大的困難是天氣。

 

實(shí)驗(yàn)對(duì)時(shí)間有要求，我們每天把實(shí)驗(yàn)設(shè)備從廠(chǎng)房推出來(lái)，推到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)安裝好，再做實(shí)驗(yàn)，做完實(shí)驗(yàn)回收，把這些設(shè)備運(yùn)回到廠(chǎng)房，至少需要六個(gè)小時(shí)。這六個(gè)小時(shí)的過(guò)程，不能中斷，而且，因?yàn)樵虑蛏蠜](méi)有空氣，也沒(méi)有雨水，所以設(shè)備沒(méi)有做任何防水設(shè)計(jì)，不能淋雨。所以，當(dāng)時(shí)我們要做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，最重要的一個(gè)條件就是：天氣預(yù)報(bào)要告訴我們“今天沒(méi)有雨”。

 

但是非常不巧，我們?cè)诘哪莻€(gè)夏天，正好做實(shí)驗(yàn)?zāi)嵌螘r(shí)間，每天都是烏云密布，說(shuō)不準(zhǔn)什么時(shí)候就會(huì)下雨。那怎么辦？我們就專(zhuān)門(mén)咨詢(xún)了大興地區(qū)的氣象預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)，問(wèn)他們，天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度怎么樣。他們很遺憾地告訴我們說(shuō)，局部天氣預(yù)報(bào)是非常不準(zhǔn)的。后來(lái)我們調(diào)侃，大興怎么就成了傳說(shuō)中的“局部地區(qū)”，好像總是有雨。

 

到了我們計(jì)劃要做實(shí)驗(yàn)的那一天，就碰到了這樣一個(gè)狀況：前一天的天氣預(yù)報(bào)告訴我們，第二天很大概率要下雨。做實(shí)驗(yàn)的前天晚上，我睡得很晚，也睡不踏實(shí)，半夜總醒。每次醒了，我都會(huì)從宿舍窗戶(hù)往外看看外面下沒(méi)下雨。

 

一直都沒(méi)下。

 

一直到早上5點(diǎn)鐘，天蒙蒙亮了，我再起來(lái)看，還是沒(méi)下雨，但天空布滿(mǎn)烏云。我趕緊給氣象預(yù)報(bào)部門(mén)打電話(huà)，他們說(shuō)最新結(jié)果今天有可能午后才會(huì)下雨。實(shí)驗(yàn)隊(duì)的同事頭天晚上早就做好了準(zhǔn)備，睡得也都很輕。當(dāng)我告訴大家“可以做實(shí)驗(yàn)了”，所有人都急忙爬起來(lái)，趕緊去做實(shí)驗(yàn)。

 

那天中午12點(diǎn)左右，我們按照預(yù)定計(jì)劃順利做完了實(shí)驗(yàn)，趕緊就從塔架下面把實(shí)驗(yàn)設(shè)備往廠(chǎng)房里運(yùn)。也是巧，設(shè)備剛剛進(jìn)廠(chǎng)房，外面就開(kāi)始下雨，而且是瓢潑大雨，下了整整一個(gè)下午。

 

事后，我們所有的實(shí)驗(yàn)隊(duì)員都覺(jué)得特別慶幸：一方面，氣象預(yù)報(bào)部門(mén)那天挺給力，預(yù)報(bào)比較準(zhǔn)；另外，當(dāng)時(shí)我們其實(shí)也有猶豫的，萬(wàn)一下雨了怎么辦？最后是冒了一定的風(fēng)險(xiǎn)，果斷決定要做實(shí)驗(yàn)，所以那天才能按時(shí)做完實(shí)驗(yàn)。事后回想：萬(wàn)一那天天氣預(yù)報(bào)不準(zhǔn)，有可能我們的設(shè)備就會(huì)在下雨的過(guò)程中做實(shí)驗(yàn)，有可能受損，或者干脆我們就不做了，實(shí)驗(yàn)計(jì)劃就會(huì)推遲——不管是哪種結(jié)果，我們其實(shí)都不太能接受。

 

這個(gè)照片拍攝于2014年10月，我負(fù)責(zé)的嫦娥五號(hào)飛行實(shí)驗(yàn)器執(zhí)行在軌飛控任務(wù)時(shí)候的一張照片，看起來(lái)是不是有點(diǎn)緊張？確實(shí)挺緊張的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)心里有一根弦一直緊繃著，直到任務(wù)圓滿(mǎn)完成之前，心才能放回肚子里。

 

做完所有研制工作之后，我們是不是就可以靜靜等著火箭把探測(cè)器送到太空了呢？

 

當(dāng)然不是。

 

月球探測(cè)器系統(tǒng)構(gòu)成十分復(fù)雜。在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，它要經(jīng)歷很多特殊環(huán)境，很多都是沒(méi)有在近地軌道上經(jīng)歷過(guò)的，有很多風(fēng)險(xiǎn)和未知因素。所以， 只要我們的探測(cè)器還沒(méi)有發(fā)射，我們的工作就不能停止 。

 

我們有一位很著名的院士，曾用八個(gè)字總結(jié)我們?cè)诎l(fā)射前的心理狀態(tài)，叫： 疑神疑鬼，捕風(fēng)捉影 。只要距離發(fā)射哪怕還有一天的時(shí)間，我們也要絞盡腦汁反復(fù)琢磨，檢查我們的設(shè)計(jì)上還有沒(méi)有漏洞，做的實(shí)驗(yàn)是不是覆蓋了所有我們認(rèn)為有風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)節(jié)，看所有我們能看到的參數(shù)，看它們的范圍是不是跟我們預(yù)計(jì)的一樣。如果大家在媒體上看到發(fā)射前的采訪(fǎng)，大部分情況下，航天的設(shè)計(jì)師，無(wú)論是搞火箭的還是搞探測(cè)器的，基本上都比較緊張。

 

在這種心理狀態(tài)下，我們這些看起來(lái)本應(yīng)是不折不扣無(wú)神論者的人，也難免會(huì)有一些小迷信——我們把這視作減輕壓力的一種方式。

 

比如，有一段時(shí)期，如果可以選的話(huà)，我們航天設(shè)計(jì)師選發(fā)射日期都不愿意選尾數(shù)是8的日子，寧愿選擇尾數(shù)是7日子——因?yàn)橛袀€(gè)成語(yǔ)“七上八下”，我們都希望它發(fā)射的時(shí)候順利一點(diǎn)，能上不要下。可能有人會(huì)想到，最近，剛剛發(fā)射的嫦娥四號(hào)就選在2018年12月8號(hào)——這個(gè)也有新的解釋?zhuān)驗(yàn)殒隙鹚奶?hào)是要返回的，所以選擇8號(hào)發(fā)就預(yù)示著它能順利地落下去。

 

我自己其實(shí)也有類(lèi)似的經(jīng)歷。也還是上面這張照片，拍攝的時(shí)間大概是在2014年的10月，還是我負(fù)責(zé)的這個(gè)任務(wù)將要發(fā)射了，那時(shí)候是我人生第一次自己親手做的這個(gè)任務(wù)發(fā)射，所以?xún)?nèi)心是非常緊張的。這時(shí)候我的一個(gè)同事看見(jiàn)這種狀態(tài)就來(lái)安慰我，他說(shuō)，沒(méi)事，咱這項(xiàng)目肯定能成，我說(shuō)，你憑啥這么說(shuō)？他說(shuō)你看咱們嫦娥一號(hào)是10月24號(hào)發(fā)射的，咱們嫦娥五號(hào)飛行實(shí)驗(yàn)器發(fā)射日期也是10月24號(hào)，嫦娥一號(hào)飛行得很好，那我們這個(gè)任務(wù)肯定也沒(méi)問(wèn)題，發(fā)射肯定能成功。

 

 

從2004年我親身經(jīng)歷嫦娥一號(hào)進(jìn)入工程研制，到現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)去了15年。在這15年里，咱們國(guó)家先后發(fā)射了嫦娥一號(hào)，嫦娥二號(hào)，嫦娥三號(hào)，嫦娥五號(hào)飛行試驗(yàn)器，嫦娥四號(hào)中繼星和剛剛發(fā)射的嫦娥四號(hào)月球背面著陸任務(wù)。自人類(lèi)進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，全世界總共發(fā)射了12次月球探測(cè)任務(wù)，中國(guó)就占了6次，排第二的美國(guó)只發(fā)射了3次，另外還有歐洲，日本和印度各發(fā)射了1次。

 

其實(shí)，早在十多年前，印度和日本同時(shí)跟我們開(kāi)始研制月球軟著陸任務(wù)，到現(xiàn)在他們還沒(méi)有發(fā)射，而我們的嫦娥四號(hào)已經(jīng)發(fā)射成功，馬上就要去月球背面著陸了。毫不夸張地說(shuō)， 我國(guó)的探月工程雖然起步晚，但我們無(wú)論在數(shù)量還是在質(zhì)量上，在全世界都是領(lǐng)先的 。作為嫦娥月球探測(cè)器研制隊(duì)伍中的一員，我感到很自豪，對(duì)我們國(guó)家探月工程所取得的成就感到非常的驕傲。

 

有時(shí)，我會(huì)回想起小時(shí)候，在西瓜地里守夜，仰頭會(huì)看到滿(mǎn)天的星斗和燦爛的銀河，引發(fā)了很多想象。其中，有一個(gè)夢(mèng)想，就是長(zhǎng)大了我能進(jìn)入太空。

 

 

現(xiàn)在，幾十年過(guò)去，我可以說(shuō)如愿以?xún)敚行页蔀殒隙鹪虑蛱綔y(cè)器研制隊(duì)伍中的一員，有機(jī)會(huì)將自己親手做的探測(cè)器送到了月球，探索未知世界。在這個(gè)工作過(guò)程中，不斷解決問(wèn)題，克服各種困難，也獲得了很多成就感和滿(mǎn)足感，而且，每一個(gè)任務(wù)取得的新發(fā)現(xiàn)和成果，又激勵(lì)著我更加努力工作。目前，我的小目標(biāo)是月球。其實(shí)，我還有更大的夢(mèng)想，希望未來(lái)有天還能走得更遠(yuǎn)。

 

而所有這些，都和我們國(guó)家還有社會(huì)各界對(duì)我們我國(guó)深空探測(cè)事業(yè)和嫦娥月球探測(cè)器研制工作的支持是分不開(kāi)的。我也希望，未來(lái)有更多人，包括在座的各位小朋友，能夠有機(jī)會(huì)加入我們，共同開(kāi)始深空探測(cè)的偉大事業(yè)，在人類(lèi)探索星辰大海的事業(yè)中做出中國(guó)人應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

 

（演講嘉賓彭兢：《設(shè)定一個(gè)小目標(biāo)，去月球》）

設(shè)定一個(gè)小目標(biāo)，送嫦娥五號(hào)上月球| 彭兢

圖文簡(jiǎn)介

在嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師彭兢看來(lái)，自己的工作和導(dǎo)航軟件有相似處：確定目標(biāo)后，選擇路線(xiàn)、工具和時(shí)間，更重要的是，要考慮途中可能遇到的各種未知因素，然后做好相應(yīng)的設(shè)計(jì)和意外情況的解決方案，最大限度地按時(shí)、按標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)——只不過(guò)，他和同事把目的地設(shè)定在月球。