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绕着月亮飞了几天后,玉兔号落到了月球表面 | 一席第263位讲者贾阳

2016-08-03 贾阳 一席 一席

昨天,“服役”972天的玉兔号月球车停止工作。2015年3月,玉兔号设计师贾阳在一席讲述了玉兔号设计研发的故事。


如果有一天,我们家里面有那么一个为你服务的机器人,能为你端茶倒水,它长着两只眼睛,能够看周围的障碍的情况,相信我,那一定是玉兔的技术已经用到你们家了。



玉兔的故事
贾阳

故事就从玉兔这个名字开始讲起。


玉兔研制完成,快到发射的时候我们安排过一次全国网络征名活动。参加的人应该有10万人,起的名字有很多,把重复的去掉之后大概有3万个。我还记得的几个,有一类是比较抽象的名词,类似于创新、探索,特点不是特别足。还有一类,就是用形容词加上名词,比如有一个咱们国家做的空间实验室起的名字叫天宫,就有网友建议说这个就叫天车。我不太喜欢这个名字。还有一类,因为嫦娥是咱们整个工程大的名字,嫦娥一号、嫦娥三号,所以很多想法是从神话故事里面再选择一个合适的名字。


我也曾经建议过,比如说叫哪咤。我当时觉得取的是一个轻巧灵动。我还解释了一下,哪咤有一个三头六臂的状态,对应这个车的六个轮子。我的主管的领导跟我讲,不好,说你这个脚踩风火轮,这个名字应该给火星车先留下。其他的网友就建议,有的说叫后羿,后羿大家知道跟嫦娥的关系,但好像太强壮了一点,和我们这个车的特点不太一样。后来有人建议说叫八戒,这个联系就更紧密了,但是大家可能也不太喜欢。还有各种各样的一些可能大家还不一定特别熟悉的神的名字,类似于共工等。


在所有的这些名字里面,我认为有创意的,可能没法采纳的,有一个网友起了一个英文的名字,叫 iMoon,大家觉得是挺眼前一亮的,但是怕以为是苹果公司的产品。


后来不管是专家、领导还是网友,都说应该用玉兔这个名字,好像共识还是相对来说多一些的,于是就选了这个。


我们曾经还担心过,国际合作的时候,把嫦娥、玉兔、奔月这个故事跟老外讲清楚是不是会遇到困难。实际上没有,老外很快就理解了我们的想法,知道这后面神话的背景故事,后来大家就都叫它玉兔了。


讲一讲它成长诞生的过程。在2004年左右的时候,开始接到这样一个任务,我们就逐渐地考虑,设计一个什么样的车把它送到月球上面去。首先我们想到应该有一个能让它走起来的移动装置。


我们想过三个方案。一种是履带的,就像咱们比较习惯的装甲车辆,或者是打仗的时候用的坦克车一样。优点是比较复杂的地形它都能适应,能很好地通过。比如说像松软啊,沼泽啊等等,不过月球上没有沼泽。但是它有一个缺点,就是可靠性不高:履带转的过程当中,如果被比较硬的石块卡住的话就有可能把履带掀下来。实际上咱地面的车辆也遇到过这个问题,但是在天上没有人去给它修理,所以这个方案不行。


还有一个用一种比较高级的形式,腿式的,就跟咱人一样,就像上楼梯一样,可以选择台阶,选择落脚点。应该说功能上挺好的,但是控制系统比较复杂。尤其是我们比较担心在一些特定的情况下,比如说全系统断电,别坐在地上就很难起来。所以觉得这个方案也有风险。


最后我们选择的是轮式。为了说这个轮式好,在内部讨论的时候,我曾经讲过一句话,说这个车轮是人类最伟大的发明。实际上生物进化有很多值得我们学习的地方,但是没有哪一个生物是自己像车轮一样在地上滚来滚去的,屎壳郎例外。


在移动系统之外,我们还得感知周围的环境,就跟我现在看大家一样,只有车看到周围哪个地方有危险,哪个地方相对平坦,才能够决定车往哪个方向去驾驶。所以就得有一个桅杆,就像这张图里面表达的这个样子,上面是有两只眼睛,通过两只眼睛看周围图像的这种差别,然后知道这个障碍离我的远近,用一个什么样的轨迹就能够躲开这个危险的地方。


还有一个功能,就是我们得有一个机械臂。因为我们这个车到月球上不是只是走一走,看一看,照几张照片,而是要干活的。所以科学仪器的设备我们要携带,就有这么一个机械臂把这个设备投放到月球的表面上去。然后它开始工作,把探测的数据再传回到地面上来。

其实还有,比如说没有人给这个车提供电能,所以就需要太阳能电池来发电。上面这个深蓝色的就是太阳能的电池板。还得有一根天线,要不和地球之间就没法联系了。基本上这个车的功能就是这个样子。在这个基础上,我们就构思了一个要打到天上去的巡视器的这个模样。



 

我们也走过弯路。比如说最开始的时候我们想比较酷的一个形状,类似于法拉利车那样子的,设计了一个流线型。但是讨论的时候大家发现,没有用,因为月球上没有风,而且我们这个车走得也比较慢。所以流线型的好处在我们这就体现不出来了。




我们还曾经想过设计一个可以变形的轮子,在有一些时候可以让轮子直径大一些,走得快一些,然后在相对比较困难的情况下再把车轮缩小,走得慢一些,就是相当于功能更强。但跟刚才履带那个道理有点相似:如果要是在想收的时候,有一个石块卡在里面,我们又没办法了。所以这个方案也没采纳。




最后就形成这样的一个月球车的构形。说听起来好像挺容易的,其实这里面还是有很多刚才没有提到的问题的。




我们这个车其实并不复杂。如果说和类似于飞机,或者说和航空母舰来比的话,我觉得我们这个月球车的复杂程度都比不了,没有它们那么复杂,相对来说还是比较简单的。那你做这么一个活儿,为什么取得那么多的关注呢?我觉得这个航天器也好,月球车也好,有两个方面的特点。


第一个事情就是环境恶劣。在月球表面上工作的月球车,白天、正午的时候,月球表面的温度是90度,晚上的时候,土壤的温度就降到零下180度。在负的180度的环境下,我们吃的苹果基本上和石头一样硬,掉到地上也能碎成几块,可以当武器的。那用什么样的办法来耐受这种恶劣的高低温环境呢?


实际上我们这个车里面还是有一些智慧凝结的。比如说这个太阳翼,它最朴素的一个功能就是展平了,然后贴上电池片,迎着阳光发电。等到中午的时候,如果我们这个车的温度比较高的话,还可以把这个太阳翼抬起来,挡在光的前面,跟我们举着太阳伞的功能是相似的。等到晚上冷了,那个时候太阳也没有了,这个太阳翼还有一个很重要的功能,就是把自己盖上,就当于我们晚上睡觉盖被子,道理是一样的。这一个太阳翼实际上有三个功能的复合的设计。


另外一个特点,就是不可修复。一旦送到天上有什么故障,我们其实手段有限。那怎么样做解决这个问题呢?我们只能是在地面上开展尽可能多的测试和试验的工作。


针对这个月球车我们设计了很多的试验。有一类是任何的航天器都做的,这个就不讲了。针对月球车的,我们做过两种试验,系统级的,一个叫作内场试验。我们内场试验的实验室,和现在咱们报告厅面积差不太多,里面就是要模拟月球的重力,采用的办法就是把月球车吊威亚一样,在一定程度上使一定的力把它吊起来,不能把它完全提起来,让它和土壤之间还是有力的接触,但是已经比较小了。

然后也要搞一个灯阵,这是一盏灯,我们那是一面墙,都是模拟可见的光和红外的光。在我们实验室里面模拟了0.2,也就是20%的太阳的光强,如果大家到那实验室里面,夏天来的时候大概50-60度吧,就跟桑拿感觉差不太多。


在那个实验室里面,还有一个很重要的就是月球土壤的模拟。我们调查了很多的资料,说化学的成分,力学的性能和火山灰比较接近。所以我们就到中国各个地方去找可能利用的火山灰来做模拟的月壤。我们到了五大连池,发现不行,因为它是一个大的岩石的概念,体积都很大,不是我们说的灰的概念。


后来我们又到了吉林,也是我的家乡,靖宇,辉南,县里有一个龙湾的火山群,那个火山颗粒就比较小了,大的有的像足球那么大,小的可能就一厘米、两厘米,手指甲这个大小。但是即使是这样的一个直径也不行,还不能直接用,因为天上月球的土壤的颗粒像头发丝一样细,是70微米的大小。


所以我们到吉林,刚开始的时候,想联系一个卖(火山灰)的厂商,我们就比较省事情了。我上了QQ,然后搜吉林的靖宇等等这些地方的人,我就问,有火山灰吗?说有。我说你卖吗?他说你精神病吧。觉得像是一个骗子。因为在当地实际上就是一个建筑材料。


后来我们没办法就直接坐车去了。我们在长春的一个朋友的陪同下到那里面,因为那个地方到了十月底的时候实际上就大雪封山了,后面再想运就运不出来了。把火山灰运到了北京,我们又把它烘干,然后磨碎,铺在试验场里面,再构造出来。比如说陨石坑,多少度的斜坡,然后我们再把相应的石块放在场地里面,就构造了我们室内的试验场。室内试验场的试验应该说是很充分的。


但是还不行,我们还到了西北的沙漠地区,做了我们的外场试验,考核一下在野外的挑战下这个车能不能够正常地工作。


现在这幅图片上是我们试验队生活的地方。




偏右一点的U字型就是我们的生活区,在这个房子偏左一点,几个蓝色的小房子就是洗手间。应该说这个沙漠里面有很多的科考队,搞考古的,搞沙漠植物生物的,但是能有这么高级的洗手间的科考队只有我们这一份。

这是我们的试验的区域。




最左边的是一个相当于是放柴油的地方,为了安全离得稍稍远一点。当地实际上是没有供电的,所以我们所有的生活的,包括试验的、工作的,这些电都需要我们靠柴油机来发。我们在敦煌工作了一个多月,造成了敦煌柴油供应的紧张。

后来为了减少和地方的纠纷,我们就半夜来加油,加油站到9点钟就把灯关掉了,社会上的车就不来了,我们凌晨3点才去把油加起来。再往右边一点,这个绿色的帐篷就是玉兔号的月球车在里面安装、调试,是专用的一个帐篷。再往右一点,有一个相对孤立的,有点(像)军用帐篷的,那个是我们的遥操作人员工作的地方。


啥叫遥操作呢,就是模拟在地面上要控制车的这些工程师,不能让他们看到试验场里面的石块儿的情况,也不能让他们看到试验场里面车的当前的样子。为什么呢?因为以后我们正常工作的时候没有这些信息,只能靠车拍周围环境的照片,这些照片传到帐篷里面来,然后处理成地形,然后模拟在未来上天执行任务的时候这个工作状态。所以我们就在那个帐篷的后面砌了一道两米的沙梁,不让他们越过这个沙梁。

 

这是真正试验过程中的一些地面支持的车辆,控制月球车的一些指令就是通过左边这辆车上面的天线发上去的。




这是试验的场地,和内场其实也有相似的地方。




我们在沙漠这个地形里面要挖出若干个陨石的坑,再从阿尔金山那边把石块运过来,铺在这个试验场地里面,然后考核这个车在这种障碍的情况下能不能顺利地通过,试验的目的就达到了。


我们还用到了比较小型的无人机,下面就是咱们比较常用的佳能5D相机。这个是干什么用呢?在我们的工作过程中需要一组图像,是刚才那个着陆器落的过程中拍的,通过这组序列的图像,从高到底,我们就能够知道周围两公里左右的地形,哪一面适合车走,哪一面障碍多一点,我们就躲掉。




但是在我们做外场试验的时候,还没有这个着陆器拍的序列的图像,所以就用直升机来模拟从3公里往下面落的过程拍的图像的序列。

这是我们的师傅在做检查,后面的是做完试验之后越过了石块看车外面的表面——我们叫履翅被石头硌完之后损坏的情况。

 


真正试验的时候,我们这个车前面走,后面还有一个陪着的叫伴随车。




为什么这么做呢,因为月球表面的重力比较小,我们设计的不管是太阳翼这些机构,还是移动的车轮,在月球表面上走的时候都是可以胜任的,而且还有一定的裕度,但是在地球上还不行,差的比例太大了。所以我们就在试验前先给这个月球车减肥,把一些设备挪到后面的伴随车里面,试验的时候是两个车一同前进的。这些太阳翼动的时候,我们都需要提前给它挂上一个氦气球,然后把相应的力卸掉,这个机构才能正常的工作。

是不是除了刚才说的这些比较枯燥的科研的生活之外,我们的日子过得没什么太大的意思?也不是。


为了稳定队伍,我当时也组织了很多的活动。比如说,这块石头我们也是不远两百里运过来的,上面写着这两个字“望舒”,取自屈原的楚辞《离骚》里面的一句话:前望舒使先驱兮,后飞廉使奔属。望舒的意思就是为月亮驾车的女神,我们就将自己比喻为是现代为月亮驾车的人。




右边就是胡杨,大家对胡杨可能更了解一些,就是“三个一千年”,活着一千年不死,死后一千年不倒,倒了之后一千年不腐,我们也拿胡杨来比喻我们的探索精神。这个胡杨上面挂了6个牌子,是我们试验队员来自6个城市,标的是我们试验的试验场到家乡的距离。其实这个构图有点问题,上面还有一个牌子没进来,指的是月球,38万公里。

这个是我们的武警战士看到周围这些雅丹地貌等等,拿沙漠里面板结的沙皮堆的微缩景观。




我们把这个车设计完了,然后又在地面上进行了充分的试验之后,就轮到它正式上场了。


车在12月初发射,经过了奔月的过程,绕着月亮又飞了几天之后,落到了月球表面。我们这个车驶到了月球上。这是证明我们玉兔号已经到达月球表面上之后的第一张照片,但是是个背影。




后来车也拍了着陆器,着陆器也还拍了车。这是拍的车在做了一个原地转向之后留下的车辙的样子,中间还有一个绿点,绿点其实就是我们的相机设计还有不完善的地方,太阳光进来之后在视场里面形成了杂光,喜欢照相的朋友都知道。




在月球表面上,若干的科学仪器都开展了探测的任务。简单说一说我们取得的探测的成果。


这是一个环景的照片,就是照了着落器,然后再把周围全照了一下,仔细看的话能够看到车就在旁边。




这个绿的实际上就是在月球表面上拍的地球,只是大家看不清楚,你这么不清楚有什么用,这是在紫外的一个谱段,就是了解地球的等离子的这种变化。




这个是月球的土壤的矿物成分。基于这样不同的光谱的照片,我们能够知道在月球土壤里面有哪些人类可以利用的资源。




这幅跳来跳去的曲线,是测的在我们着落的那个地方土壤里面有哪些元素。




最后一个,我们有一个设备叫作测月雷达,能够把电波发到月球土壤100米之下,然后把整个这100米过程当中土一共分几层这个情况测出来。




利用这样的一个土壤分层的信息,相关的科研成果已经在著名的《科学》杂志上发表了,使人类认识到月球表面上的土壤的类型分三种有点太粗放了,我们现在落的这个地方跟以前的那三种比的话都不太典型,所以就建议我们增加第四种月球土壤的类型,这算是我们的一个收获。


讲了这么多之后,有一个问题,就是你们挺不容易的,也做了一件事,估计也花了不少的钱,但和我们有什么关系呢?


我就把这个问题讲清楚一点。以前我对这类问题都用哲学的方式回答,就是我们考虑的是未来,当第一条鱼从海洋里面爬上陆地的时候,谁知道它有什么意义啊。但是,今天说得实在一点:今天到这个讲演的这个地方来,我开车来的,这地方没来过,但是怎么找到的呢,就是靠的导航。其实导航就是航天技术在咱们生活里面的一个应用。


再比如说,早晨如果大家忙的话,应该有一个面包然后把它加热,牛奶加热,有那么一个设备叫微波炉。微波炉是怎么来的呢,就是发到天上去的这个航天器,宇航员在里面生活要吃东西,刚开始只吃凉的凑合了,但是生活水平也得逐渐提高啊,就需要热的,但如果要是在飞船里面点把火,或者是搞个电炉子的话,这个危险就太大了,可能接受不了了,那就用微波的方法把食物进行加热,这就跟我们生活算是比较接近的。


晚上大家新闻联播之后可能还会看天气预报,天气预报现在比以前是不是准了点了?原因是现在计算速度提高了,另外就是有卫星不断把云层的情况照下来传到地面上,相当于航天技术在气象里面的应用。其实还有很多大家也不一定特别的知道,比如说CT那种检查的手段,跟航天其实也是有关系的。


再举一个更近一点的例子,我小的时候使的圆珠笔,实际上写着写着就有可能写不出来了,然后就在地上蹭一蹭,或者在黑板上蹭一蹭,再接着写,就是不流畅。


这个问题美国人也遇到过,说航天员在舱里面写字的时候,发现写着写着就写不出来了,影响工作的效率,美国人就花了很多钱,应该有几十万美元的样子,研制了一种在没有重力的情况下也能够流畅地写字的笔,和咱们现在说的签字笔是相通的。但是苏联人没费那么大的劲,说咱直接用铅笔算了。


如果有一天,我们家里面有那么一个为你服务的机器人,能为你端茶倒水,它长着两只眼睛,能够看周围的障碍的情况,相信我,那一定是玉兔的技术已经用到你们家了。


看完演讲有任何问题,你可以在文章下评论中提问,我们会邀请贾阳回答。


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