好一辆漂亮的火星车
作者: 黄传会
2021年5月15日7时18分,“天问一号”探测器在距离地球3.2亿千米之外,成功着陆在火星乌托邦平原南部预选着陆区。
5月22日10时40分,祝融号火星车驶离着陆平台,开始新的征程……
祝融号!一个新奇的名称举世瞩目。
2020年7月23日,中国首次火星探测工程“天问一号”成功发射。次日,“中国第一辆火星车全球征名”活动开启。“天问一号”点燃了全民的火星热,数以百万计的网民参加投票。进入前10名的有:祝融、弘毅、麒麟、哪吒、赤兔、求索、风火轮、追梦、天行、星火。2021年4月24日,国家航天局正式公布中国第一辆火星车命名:祝融号。
在祝融号之前,贾阳与他的团队,已经为嫦娥三号、嫦娥四号做过两辆月球车:玉兔号和玉兔二号。而今,贾阳是“天问一号”探测器系统副总设计师,分管祝融号火星车。
贾阳做过一期电视节目,观众众多,他最出彩的一句话是:“我们的团队要做一辆漂亮的火星车!”
不是一辆“厉害”的火星车,而是一辆“漂亮”的火星车,这样的表述让人们浮想联翩。他还说,中国第一辆火星车应该有中国元素,让人一看就是中国人造的。
重中之重
在浩瀚的太阳系中,火星与地球距离较近,自然环境与地球最为相似。
对火星的探测与研究,有助于人类进一步认识地球和太阳系的形成和演化,研究地球的未来变化趋势。探寻地外生命信息、探查火星是否曾经存在支持生命活动的环境,成为当今火星探测的科学主题。
对航天科学家来说,仅靠轨道器环绕遥感,对火星进行远距离观察,显然是不够的。于是,他们将目光转向着陆器,携带火星车登陆火星,获得更多的火面细节。
中国首次火星探测任务,火星车成了重中之重!
与我采访过的许多航天人一样,贾阳一身工装,圆脸,厚嘴唇,发型随意,眼镜也很普通。1992年从国防科技大学考取中国空间技术研究院(简称航天五院)研究生,毕业后,跨进了航天大门。他出任过月球车主管副总师,两只“兔子”在月球上的精彩表演,让国人惊喜不已。
一见面,我就说:“网友们说您是为火星做车的人。”
贾阳立即纠正:“准确说,是我们团队在做火星车。这个团队有几十人、几百人,甚至成千上万人。”
“你们已经做过两辆月球车了,再做火星车是不是驾轻就熟?”
贾阳笑了:“打个比方,你会造自行车,现在让你去造辆汽车,你会觉得很简单吗?”
贾阳说研制火星车面临着诸多的技术挑战:火星距离太阳更远,阳光能量只有月球表面的38%,火星车太阳能电池板的面积要更大,还要努力对着太阳的方向;火星上沙暴频繁,每当风沙肆虐时,火星车接收到的太阳光能量急剧下降;火星车与地面的信号传递,来回需要40分钟,必须为火星车设计“超强大脑”……
我似懂非懂:“看来,做一辆漂亮的火星车绝非轻而易举。”
贾阳笑了:“是难。不过,我们不就是干这种活的师傅吗?再说,航天人都是喜欢做梦的人,有梦就有追求,有梦就能创新!”
火星车既然是“车”,最关键的是要“走”好。
要让火星车稳稳地走起来,必须解决车轮沉陷沙地、爬坡困难、车轮易破损三大难题,还必须满足极为苛刻的重量要求。
火星车移动分系统主任设计师袁宝峰,担负的是让火星车“走”好的重任。
2003年从哈工大研究生毕业的袁宝峰,正赶上我国第一艘载人飞船神舟五号圆满完成任务,借着这股“航天热”,他成为一名航天人。
火星探测任务立项之前,国内一些科研院所和高等院校,已经开展火星车先期研究。火星表面既有松软的沙地,又有坚硬的石块,为了提高火星车的通过能力,设计师们在主副摇臂悬架的基础上,创新性地增加了夹角调整机构和离合器,使火星车悬架从被动悬架,变为主动悬架。
记得是2014年一个冬日,袁宝峰与火星车移动团队,开了一场激情澎湃、灵感飞扬的技术研讨会。
“火星车要解决车轮沉陷和爬坡困难问题,关键是轮地作用特性,有了主动悬架,能升降车体,具有灵活的移动方式最重要。”潘冬首先从系统功能角度进行了分析。
“对,火星车实现沉陷脱困,单靠车轮转动不行,必须有外力的推动才行。”刘雅芳补充道。
林云成说:“沙地里的动物防止沉陷各有妙招:骆驼靠大脚板,蜥蜴靠快速移动,蛇靠身体滑动。咱们的火星车沉陷下去靠啥能出来?”
“小时候我们玩的大青虫子,小脚不大,但被沙土埋起来,三下两下就爬出来了。”潘冬受到启发,用手在桌子上抓了起来。
刘雅芳见他那滑稽模样,笑着说:“那叫尺蠖运动,就是后脚使劲让前脚向前伸,前脚使劲,拉着后脚向外拔。”
“我听明白了,大家的意思是,利用车轮和夹角调整机构配合,通过尺蠖运动,把车轮依次推出来。咱们主动悬架的设计方向,以尺蠖运动为主攻方向。”袁宝峰总结道。
火星车移动团队每次集体攻关会,都是一次智慧的融合,都会撞击出创新的火花。
团队创新思考,形成三种方案:大车轮蠕动悬架、摆臂车轮主动悬架、摇臂式主动悬架。经过几百种复杂地形工况的运动性能仿真对比,最后决定采用主副摇臂式主动悬架移动系统。
有了大思路,还有许多技术难关需要突破。这期间,仅总体设计就完成了十几轮迭代优化,确保悬架移动系统各方面都达到最佳。
长期以来,我国宇航应用的谐波减速器相比进口谐波减速器,在输出力矩和负载能力上相差1倍多。火星车要达到国际先进水平,就必须要有类似国外的高性能谐波减速器。袁宝峰找到国内一家大企业,对方一听火星车使用条件和环境极其苛刻,研制周期又短,风险太大,没敢接活。
犹如雪中送炭,一家小公司主动找上门来,拿出类似国外轻量化大力矩谐波减速器。这家公司不到20人,设备简单,三位骨干技术员都已50多岁,他们渴望在退休之前,为国家的重大任务做点贡献。
为了保险,袁宝峰选择进口产品与那家公司产品一起进行严酷的技术考核,结果发现,进口谐波减速器在低温下的启动力矩更大,这就导致它的移动系统更重。上星部件,“克克计较”,袁宝峰决定选用相对较轻的国产产品。
有人善意地提醒袁宝峰:“用这家小公司的产品上星,真出了问题,你作为设计师将要承担全部责任。”
经过深思熟虑,袁宝峰坚持了自己的选择。但是,他又发现新问题:国产谐波减速器在严酷的载荷与环境条件下,测试寿命只有设计值的一半。
怎么办?火星车移动团队经过深入分析,在深冷处理、装配精度等方面,开展了一系列检验和测试。
探测器系统总设计师孙泽洲闻讯赶来了。他充分肯定团队前期的工作,勉励大家务必攻克难关。孙泽洲说:“无论是‘北斗“嫦娥’,还是载人飞船,已经一次次证明,关键技术是要不来、买不来、讨不来的。哪怕面临一些风险,‘天问一号’组部件国产化的路也必须坚定不移地走下去。”
一个月,两个月……团队顶着巨大压力,通过改进润滑方案、优化产品装配精度等措施,产品最终完成了寿命试验考核。火星车终于用上国产的谐波减速器。
车轮是火星车的重要部件,必须满足高效的牵引性能、高强的承载和攀爬性能、独具特色的里程标记功能。
袁宝峰告诉我:“祝融号车轮的创新性设计,在材料、构型、性能等方面都达到一个前所未有的高度。比如,车轮具有‘一指禅’功能,任意一个轮刺,只需要一个‘指尖’接触岩石,就可攀上超过车轮直径的垂直石块;车轮的胎面具有特别的韧性和强度,一个锥刺顶在车轮最薄弱的胎面部位,施加1000牛顿的力,都难以扎破轮胎;还有,车轮选用铝基碳化硅材料整体加工,利用锋利的侧边,车轮边缘压在700的光滑岩石上也不会下滑。”
“祝融号前进之后,车辙上呈现出一个个‘中’字,这个奇特的点子是怎么想出来的?”
“贾总一再强调要做一辆漂亮的火星车。”袁宝峰说:“车轮是唯一与火面接触的部件。我们利用车轮减重槽的网格结构,设计出了具有中国特色的‘中’字印记,网友一致称赞很有‘中国范儿’。”
这支年轻得让人惊讶的团队,最初7人平均年龄仅29岁。后来有人参与其他型号研究,又有新人加入。到2020年“天问一号”成功发射,团队成员的平均年龄也只有33岁。几经磨砺,这支队伍快速成长,有一半成员成为型号的主任、副主任设计师,也有人走上了管理岗位。
中国首次火星探测工程总设计师张荣桥说:“‘天问一号’团队一个鲜明特色是‘年轻’——这些朝气蓬勃、能吃苦、敢创新的年轻人,一次次创造了奇迹。”
“蓝闪蝶”
从南五环到北五环,穿越了大半个北京城。
每天天刚蒙蒙亮,马静雅便全副武装出发。作为一位还在哺乳期的职场妈妈,她背个大背包,里面装着一只迷你保温箱和冰晶,还有取奶器、“下奶”食品,足有五六公斤重。
2014年10月,马静雅休完产假。组长对她说:“现在有个很重要的项目,你先跟进一下。”马静雅加入了火星车研发团队。这是航天工程的一件大活儿,她十分兴奋。
头一次见孙泽洲和贾阳,马静雅感觉两位总师思路清晰,见地独到。他们对火星车太阳翼(太阳能电池板)的标准提出明确的要求:面积要大,构型要美观,能对日调整角度,可以除尘,可靠性要高。
火星表面太阳光照弱,为满足火星车的能源需求,太阳翼的面积将近4平方米。最早的设计方案,只有左右两只“翅膀”,收拢时为屋顶结构。可力学分析表明,发射时两只“翅膀”振动响应很大,必须做得很结实,那要付出许多重量代价。又想到折展方案,但太阳翼向前展开时会遮挡导航相机视线,向后展开,上下坡时又容易触地。又有人提出将电池片粘贴在聚酰亚胺薄膜上,像扇子一样展开。面积大了,重量轻了,但技术不成熟…一
一日,思绪活跃的马静雅,经过与赵坚成、柴洪友、杨巧龙等老专家多次探讨,想出一个新方案:它由四块矩形板组成,每两块电池板由铰链连接在一起,发射时折叠收拢在车的顶部;保证电池片朝外,即使太阳翼没展开,白天日照条件下也能产生电流补充能源,保证车落火星后能“活着”。为实现对日定向的需求,还设计了一个只有17克的分布展开机构。
马静雅拿着方案兴冲冲地找到贾阳和火星车总体主任设计师陈百超。
贾阳看完图纸,说:“有新意。不过,火星车从着陆器上下来时,太阳翼伸出车体的长度应该尽量短些。不然,它会与地面发生干涉。”
为了满足行走时包络最小、构型最合理,团队又对太阳翼第二轮方案进行迭代设计:圆形、半圆形、多页扇形……将原先长方形箱体,改成圆形的顶面,但仍未找到最佳形状。
陈百超在吉林大学读博时,博士论文课题是一种高性能月球车的方案设计,还出了原理样机。当月球车“开”进航天五院时,引起了专家们的兴趣。2009年,陈百超博士一毕业,便进入航天五院总体部。
夜里,陈百超辗转反侧,老是想着太阳翼。
他索性打开电视机,荧屏上植物园里百花盛开,像是花的海洋。镜头慢慢拉近,几只彩蝶在花朵上蹁跹起舞……
陈百超两眼一亮:“就是它了,蝴蝶!”
在办公室电脑里,陈百超将蝴蝶翅膀状的太阳翼展示了出来。这个构型完美地解决了太阳翼展开后行走包络干涉问题,其中左右两片电池板,还能实现对日定向。
太阳能电池板是深蓝色的,展开后像蝴蝶的两对翅膀;两根天线向前伸出,像蝴蝶的触角;车体前方的两台圆柱形设备,好似蝴蝶的复眼;六只车轮替代了蝴蝶的六足。
贾阳赞道:“它真像一只蓝闪蝶。”
马静雅挺好奇:“蓝闪蝶是什么蝴蝶?”
“它是生活在中南美洲蛱蝶科闪蝶属最大的一个物种,长约15厘米,翅膀呈金属光泽。”
“蓝闪蝶”构型有许多优点,但也存在一些风险。太阳翼在收拢状态时,电池板是朝下的,如果落火后太阳翼不能及时展开,整车的电源撑不过一天,整个任务将会失败。解决太阳翼展开可靠性问题,变成后续研制的首要任务。然而此时,剩下的时间不到一年。从工厂交付驱动组件,到送至北郊做力学试验,所有的流程都是按天计算。在最后总装环节,离整星力学试验只剩下一周。马静雅和工厂的工艺师王国星、操作师安长河等,在车间里连续装配和测试4天,在力学试验前一天将产品交付给整车。