申振榮 張伍 賈陽(yáng) 孫澤洲

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

嫦娥三號(hào)巡視器及其技術(shù)特點(diǎn)分析

申振榮 張伍 賈陽(yáng) 孫澤洲

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

嫦娥三號(hào)巡視器是我國(guó)月球探測(cè)二期工程探測(cè)器系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次地外天體表面巡視勘察。文章介紹了嫦娥三號(hào)巡視器的系統(tǒng)組成、構(gòu)型及分系統(tǒng)方案要點(diǎn)；分析了月面移動(dòng)、自主導(dǎo)航與遙操作控制、月面生存、地面試驗(yàn)?zāi)M和系統(tǒng)資源約束等5個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)；給出了移動(dòng)裝置和車輪參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，天地協(xié)同操作控制，大溫變熱設(shè)計(jì)和自主光照喚醒，月塵和低重力等月面特殊環(huán)境模擬，系統(tǒng)集成與設(shè)計(jì)優(yōu)化等工程解決措施。

嫦娥三號(hào)巡視器；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；技術(shù)特點(diǎn)；工程措施

1 引言

2013年12月15日23時(shí)47分，嫦娥三號(hào)巡視器與著陸器在月面成功進(jìn)行互相拍攝，嫦娥三號(hào)任務(wù)取得圓滿成功，標(biāo)志著我國(guó)探月工程第二步戰(zhàn)略目標(biāo)的全面實(shí)現(xiàn)。巡視器是嫦娥三號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)的重要組成部分，是能夠適應(yīng)月球環(huán)境、攜帶科學(xué)探測(cè)儀器在月面進(jìn)行多點(diǎn)就位探測(cè)的新型航天器。

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)科研院所、高等院校紛紛開(kāi)展巡視器相關(guān)技術(shù)的研究工作，展示了多種模型和原理樣機(jī)。中國(guó)空間技術(shù)研究院于2004年聯(lián)合國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢(shì)單位，共同開(kāi)展了巡視器方案論證與原理樣機(jī)研制工作。通過(guò)3年多的工作，研制了國(guó)內(nèi)第一輛月面巡視器原理樣機(jī)，建成了國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的巡視器綜合試驗(yàn)場(chǎng)，并利用原理樣機(jī)完成了國(guó)內(nèi)首次沙漠外場(chǎng)試驗(yàn)，為巡視器的工程研制奠定了基礎(chǔ)。2008年，探月二期工程嫦娥三號(hào)進(jìn)入工程研制，并最終研制出了適于月面工作的小型化、低耗能、高集成和高智能的玉兔號(hào)巡視器。

在嫦娥三號(hào)任務(wù)取得成功后，文獻(xiàn)［1］和［2］從嫦娥三號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)的角度對(duì)所取得的技術(shù)成就與創(chuàng)新、地面試驗(yàn)方法與試驗(yàn)技術(shù)等進(jìn)行了總結(jié)。本文將嫦娥三號(hào)巡視器作為完整的系統(tǒng)，在介紹其系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，分析了月面移動(dòng)、自主導(dǎo)航與操作控制、月面生存、地面試驗(yàn)?zāi)M、系統(tǒng)資源約束等5個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn)，并提供了工程研制中的具體解決措施，可為后續(xù)行星表面巡視探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)提供參考。

2 系統(tǒng)方案

嫦娥三號(hào)巡視器用于月面自動(dòng)巡視勘察，因此要具備地形地貌識(shí)別、姿態(tài)確定、移動(dòng)里程確定、自主避障及月夜生存等能力，并能夠?qū)崿F(xiàn)攜帶科學(xué)探測(cè)儀器在月面一定區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)月面形貌與地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查、月面物質(zhì)成分和資源勘察、月面淺層內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)等科學(xué)探測(cè)任務(wù)。

2.1 巡視器系統(tǒng)組成及構(gòu)型

嫦娥三號(hào)巡視器包括移動(dòng)、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制（GNC）、綜合電子、電源、熱控、測(cè)控?cái)?shù)傳和有效載荷共8個(gè)分系統(tǒng)。巡視器的構(gòu)型如圖1所示，采用箱板式結(jié)構(gòu)，大部分儀器設(shè)備安裝在艙內(nèi)的頂板上，移動(dòng)裝置差動(dòng)機(jī)構(gòu)、鋰離子蓄電池組等設(shè)備安裝在艙內(nèi)的底板上；左右兩塊側(cè)板可以拆卸，為艙內(nèi)設(shè)備安裝提供通道和操作空間。

圖1 嫦娥三號(hào)巡視器總體構(gòu)型Fig.1 System configuration of Chang'e-3 lunar rover

2.2 分系統(tǒng)方案

（1）移動(dòng)分系統(tǒng)。在對(duì)履帶式、腿式和輪式等移動(dòng)類型進(jìn)行分析比較后，結(jié)合系統(tǒng)資源代價(jià)、發(fā)射狀態(tài)包絡(luò)尺寸等任務(wù)約束條件，并參考國(guó)外巡視器的發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(shì)，確定采用輪式方案。綜合比較懸架的地形適應(yīng)能力、月壤適應(yīng)能力、車輪負(fù)載均衡性、承載能力、質(zhì)量特性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及技術(shù)成熟度等因素，選用主副搖臂懸架方案。移動(dòng)分系統(tǒng)由車輪、搖臂和差動(dòng)裝置等組成，具備在月面前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向（原地轉(zhuǎn)向和行進(jìn)間轉(zhuǎn)向）、爬坡和越障能力。6個(gè)車輪采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式，并利用4個(gè)角輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，懸架分布在結(jié)構(gòu)本體兩側(cè)，通過(guò)差動(dòng)裝置與結(jié)構(gòu)本體相連，使所有的車輪均與地面保持接觸。

（2）結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)。它由結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)兩部分組成。綜合考慮結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，針對(duì)輕小型化設(shè)計(jì)需求，采用箱板式主承力結(jié)構(gòu)方案，主承力結(jié)構(gòu)由頂板、前后艙板、底板等組成，承受任務(wù)過(guò)程中遇到的各種載荷。機(jī)構(gòu)包括太陽(yáng)翼機(jī)械部分、桅桿和機(jī)械臂。為減少系統(tǒng)質(zhì)量資源消耗，太陽(yáng)翼機(jī)械部分的右太陽(yáng)翼采用單自由度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)，左太陽(yáng)翼采用彈性組件展開(kāi)并鎖定的方案；同時(shí)，采用機(jī)構(gòu)功能復(fù)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，將相機(jī)和定向天線的指向機(jī)構(gòu)綜合集成于桅桿上，設(shè)計(jì)三自由度驅(qū)動(dòng)的桅桿，可分時(shí)實(shí)現(xiàn)天線對(duì)地定向以及相機(jī)對(duì)周圍360°范圍成像；機(jī)械臂設(shè)計(jì)采用最小配置的三自由度關(guān)節(jié)型串聯(lián)方案，使所承載的科學(xué)儀器能更接近所關(guān)注的月面探測(cè)目標(biāo)。

（3）GNC分系統(tǒng)。它包括主動(dòng)像素傳感器（APS）太陽(yáng)敏感器、慣性測(cè)量單元、導(dǎo)航相機(jī)、避障相機(jī)、激光點(diǎn)陣器，通過(guò)集成于綜合電子分系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、位姿和速度確定、路徑規(guī)劃、緊急避障、運(yùn)動(dòng)控制與安全監(jiān)測(cè)等功能。采用全新的動(dòng)靜結(jié)合月面導(dǎo)航定姿、多輪協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的軌跡與航向跟蹤控制方案，突破了地形可通過(guò)性量化分析的路徑規(guī)劃技術(shù)，單/雙目被動(dòng)視覺(jué)的主動(dòng)結(jié)構(gòu)光三維信息獲取技術(shù)，以及點(diǎn)陣式離散三維信息的障礙識(shí)別技術(shù)，基于雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了月面障礙探測(cè)和自主避障規(guī)劃。

（4）綜合電子分系統(tǒng)。它采用集中式一體化的體系結(jié)構(gòu)，采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，內(nèi)部利用CAN總線通信，對(duì)外利用LVDS、RS422接口形式實(shí)現(xiàn)信息交互，由一臺(tái)電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、程控、數(shù)據(jù)管理、導(dǎo)航與控制、機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制、火工品控制、供配電管理等功能集成。

（5）電源分系統(tǒng)。它由三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣、鋰離子蓄電池組、電源控制器組成。為節(jié)省系統(tǒng)質(zhì)量開(kāi)支并簡(jiǎn)化電源控制器設(shè)計(jì)，采取半調(diào)節(jié)母線方案，即在太陽(yáng)電池陣供電時(shí)對(duì)母線電壓進(jìn)行全調(diào)節(jié)，在蓄電池組獨(dú)立供電時(shí)不作調(diào)節(jié)，而直接輸出到母線。為確保安全可靠地度過(guò)月夜，設(shè)計(jì)晝夜轉(zhuǎn)換和夜晝轉(zhuǎn)換策略，研制具有自關(guān)斷和自接通功能的休眠喚醒電路，實(shí)現(xiàn)了晝夜轉(zhuǎn)換過(guò)程中整器可靠自斷電，實(shí)現(xiàn)了夜晝轉(zhuǎn)換過(guò)程中自主觸發(fā)接通供電回路從而自動(dòng)喚醒，具體設(shè)計(jì)見(jiàn)文獻(xiàn)［3］。

（6）熱控分系統(tǒng)。它由兩相流體回路、低溫多層隔熱組件、玻璃型二次表面鏡（OSR）散熱面、熱控白漆、電加熱器、熱敏電阻、同位素?zé)嵩矗≧HU）等組成。采用散熱面對(duì)天并將大部分儀器設(shè)備直接安裝在散熱面上的方案，節(jié)省了熱控用于熱量收集、傳輸所需付出的資源，解決了有限資源下的月晝高溫環(huán)境熱控散熱問(wèn)題；設(shè)計(jì)了太陽(yáng)翼覆蓋散熱面并利用兩相流體回路將同位素?zé)嵩吹臒崮軐?dǎo)入艙內(nèi)的方案，解決了月夜極低溫環(huán)境和整器斷電無(wú)自發(fā)熱情況下的熱控保溫問(wèn)題。

（7）測(cè)控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)。由X頻段全向接收天線、X頻段應(yīng)答機(jī)、X頻段固態(tài)放大器、X頻段全向發(fā)射天線、X頻段定向天線、UHF頻段全向發(fā)射天線、UHF頻段發(fā)射機(jī)及電纜組等組成。在巡視器加電工作后，X頻段全向接收天線、X頻段應(yīng)答機(jī)與地面建立X頻段上行遙控；X頻段應(yīng)答機(jī)、X頻段固態(tài)放大器、X頻段全向發(fā)射天線與地面建立X頻段下行遙測(cè)；X頻段應(yīng)答機(jī)、X頻段固態(tài)放大器、X頻段定向天線與地面建立下行數(shù)傳通道。此外，設(shè)計(jì)了UHF頻段發(fā)射機(jī)、UHF頻段全向發(fā)射天線與著陸器建立UHF頻段器間通信通道，作為巡視器月面工作時(shí)下行遙測(cè)和數(shù)傳鏈路的異構(gòu)備份，進(jìn)一步提高下行鏈路的可靠性。

（8）有效載荷分系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)科學(xué)探測(cè)任務(wù)，配置了全景相機(jī)、測(cè)月雷達(dá)、紅外成像光譜儀、粒子激發(fā)X射線譜儀及有效載荷電控箱，有效載荷及其功能見(jiàn)表1。

表1 有效載荷及其功能Table 1 Payloads and their functions

3 技術(shù)特點(diǎn)分析

巡視器作為我國(guó)首次研制的地外天體表面移動(dòng)的新型航天器，相對(duì)于以往的地球軌道航天器有很大不同，面臨活動(dòng)機(jī)構(gòu)較多、工作環(huán)境（主要是月面環(huán)境）嚴(yán)酷、天地交互頻繁、系統(tǒng)資源約束嚴(yán)苛等技術(shù)難點(diǎn)，須采取系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、技術(shù)攻關(guān)以及地面充分試驗(yàn)等措施，解決月面移動(dòng)、自主導(dǎo)航與操作控制、月面生存、地面試驗(yàn)?zāi)M和系統(tǒng)資源約束等技術(shù)難題，確保巡視器在月面非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜環(huán)境（即沒(méi)有人工道路及標(biāo)志的自然環(huán)境）中安全行駛并到達(dá)指定位置。

3.1 月面移動(dòng)技術(shù)

巡視器工作在松軟月壤和分布著大小不等的月坑、月巖的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，要求移動(dòng)系統(tǒng)具備較高的通過(guò)性和爬坡越障能力。

（1）移動(dòng)裝置參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在分析月坑、月巖幾何參數(shù)及其月面統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，確定了移動(dòng)系統(tǒng)最大運(yùn)動(dòng)速度200 m/h、爬坡角度30°和越障高度200 mm等總體性能指標(biāo)。通過(guò)構(gòu)型布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理布置巡視器本體質(zhì)心位置和離地間隙，確保了各輪承載的均勻性和系統(tǒng)的幾何通過(guò)性；通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和多體動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)系統(tǒng)的支撐通過(guò)性、幾何通過(guò)性、機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合性能量化評(píng)估，確定了搖臂懸架和車輪的幾何尺寸、離地間隙、轉(zhuǎn)彎半徑等重要參數(shù)。

（2）車輪構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)。車輪的輪面弧度和寬度、篩網(wǎng)孔和棘爪的幾何尺寸及分布等，決定了接地比壓、牽引系數(shù)、附著系數(shù)等重要參數(shù)，并直接影響到系統(tǒng)的動(dòng)力性和越障性能的優(yōu)劣。通過(guò)單輪輪壤作用臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)試不同構(gòu)型車輪在不同速度、不同載荷下的性能，并在此基礎(chǔ)上對(duì)輪壤動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程使用的彈性篩網(wǎng)輪的參數(shù)優(yōu)化。

在第1個(gè)月晝，嫦娥三號(hào)巡視器先后完成了兩器釋放分離、兩器互相拍攝、功能性能測(cè)試等工作，驗(yàn)證了整器在實(shí)際月壤上的通過(guò)性及月面移動(dòng)性能。嫦娥三號(hào)巡視器第1個(gè)月晝和第2個(gè)月晝?cè)谠旅胬塾?jì)移動(dòng)了118.9 m，月面行駛路線如圖2所示（圖中的坐標(biāo)原點(diǎn)為著陸器在月面的位置）。

圖2 嫦娥三號(hào)巡視器月面行駛路線Fig.2 Route of Chang'e-3 lunar rover

3.2 自主導(dǎo)航與遙操作控制技術(shù)

巡視器在月面未知復(fù)雜環(huán)境中工作，要具備自主能力和天地協(xié)同工作能力［4］。如何實(shí)現(xiàn)月面環(huán)境感知、障礙識(shí)別、局部路徑規(guī)劃及多輪運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，是自主導(dǎo)航控制必須要解決的難題。另外，巡視器月面運(yùn)行過(guò)程是器地交互、地面持續(xù)支持的過(guò)程，巡視器在月面移動(dòng)采取何種操作模式，如何設(shè)計(jì)研制滿足巡視任務(wù)的地面任務(wù)支持與遙操作系統(tǒng)是必須要解決的難題。

（1）自主導(dǎo)航與運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制。巡視器GNC分系統(tǒng)采用立體視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)月面未知環(huán)境感知，即利用相機(jī)圖像獲得周圍地形的幾何信息，通過(guò)對(duì)局部地形進(jìn)行評(píng)價(jià)建立環(huán)境模型，以局部地形適宜度圖的形式表示。在該適宜度圖上對(duì)已設(shè)定的多條備選弧徑進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取綜合評(píng)價(jià)值最高的路徑作為下一步的安全路徑?？紤]到巡視器的運(yùn)動(dòng)速度較低，以及器上計(jì)算資源的約束，巡視器的輪系協(xié)調(diào)控制主要采用運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)輪系協(xié)調(diào)控制律進(jìn)行離線驗(yàn)證。輪系運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制包括整器速度與航向角控制、驅(qū)動(dòng)輪速度與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向速度協(xié)調(diào)控制兩層。通過(guò)整器和輪系兩層控制，實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎、沿固定曲率運(yùn)動(dòng)（包括直線）和沿路徑點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)3類運(yùn)動(dòng)要求，每個(gè)控制周期給出各驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速、各轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向速度的期望值，作為電機(jī)底層控制的輸入。在研制過(guò)程中，通過(guò)相機(jī)標(biāo)定試驗(yàn)、導(dǎo)航光學(xué)設(shè)備的視覺(jué)專項(xiàng)試驗(yàn)、GNC分系統(tǒng)的物理仿真試驗(yàn)、內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)等，對(duì)自主導(dǎo)航控制性能進(jìn)行了驗(yàn)證；巡視器月面工作期間，對(duì)基于雙目立體視覺(jué)的環(huán)境感知和障礙識(shí)別、軌跡與航向跟蹤控制等功能性能進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了視覺(jué)探測(cè)避障算法、月面定姿策略和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制算法的正確性，實(shí)現(xiàn)了巡視器月面自主導(dǎo)航與運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制。

（2）地面任務(wù)支持與遙操作控制。綜合分析國(guó)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了地面遙操作控制與巡視器自主相結(jié)合的天地一體化運(yùn)行控制方案。地面任務(wù)支持與遙操作控制系統(tǒng)主要由三維地形建立、任務(wù)整體規(guī)劃和探測(cè)周期規(guī)劃等功能模塊組成，開(kāi)發(fā)了基于特征點(diǎn)匹配、極線校正、立體匹配、三維重建等算法［5］，實(shí)現(xiàn)了二維全景圖像和三維地形圖恢復(fù)和建立；開(kāi)發(fā)了環(huán)境（光照、地形、星歷等）模塊、整器運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊、多約束優(yōu)化算法等，實(shí)現(xiàn)了行為序列和行進(jìn)路徑等任務(wù)規(guī)劃；開(kāi)發(fā)了基于地形圖的通過(guò)性分析和啟發(fā)式路徑規(guī)劃算法（Field D*），實(shí)現(xiàn)了路徑點(diǎn)序列生成和控制策略制定等全局規(guī)劃。巡視器在月面工作時(shí)，地面任務(wù)支持與遙操作控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了地面系統(tǒng)較強(qiáng)的處理能力和人機(jī)結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，完成了月面環(huán)境三維恢復(fù)與重建、多約束三層次（任務(wù)規(guī)劃、周期規(guī)劃、導(dǎo)航規(guī)劃）規(guī)劃、多自由度機(jī)械臂就位探測(cè)規(guī)劃、實(shí)時(shí)移動(dòng)里程繪制等任務(wù)。

3.3 月面生存技術(shù)

巡視器在月面工作，必須解決月晝高溫的熱排散問(wèn)題，以及月夜長(zhǎng)達(dá)14天沒(méi)有太陽(yáng)能可利用條件下的保溫問(wèn)題，并在月晝/月夜轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)可靠的休眠和喚醒。

（1）大溫變環(huán)境下的熱控設(shè)計(jì)。月面可視為一溫度分布不均勻的灰體面，其局部表面溫度主要受當(dāng)?shù)亟邮盏奶?yáng)輻射加熱情況及月壤的熱物性參數(shù)的影響。由于沒(méi)有類似地球大氣層的保溫和傳熱，月面晝夜溫差非常大，月晝溫度可達(dá)＋120℃，在太陽(yáng)不能照射到的陰影區(qū)及月夜期間，月面溫度可降至約―180℃。在提高巡視器艙內(nèi)儀器設(shè)備的高溫、低溫適應(yīng)能力的同時(shí)，針對(duì)月晝高溫環(huán)境，采取以下措施：①根據(jù)月晝期間月面紅外輻射熱流與太陽(yáng)輻射熱流量級(jí)相當(dāng)?shù)奶攸c(diǎn)，將巡視器對(duì)天面選取為散熱面；②艙內(nèi)電子設(shè)備集中布置在散熱面上，減少熱控導(dǎo)熱環(huán)節(jié)，以利于月晝集中散熱；③通過(guò)采用分時(shí)工作的方式，減少月晝期間艙內(nèi)電子設(shè)備工作產(chǎn)生的熱耗，以應(yīng)對(duì)月午期間的高溫環(huán)境。針對(duì)月夜長(zhǎng)時(shí)間的極低溫環(huán)境，采取以下措施：①盡量將電子設(shè)備布置在艙內(nèi)，并通過(guò)隔熱設(shè)計(jì)減少艙內(nèi)漏熱；②設(shè)計(jì)集發(fā)電和熱控為一體的多功能太陽(yáng)翼，通過(guò)太陽(yáng)翼收攏覆蓋散熱面來(lái)達(dá)到切斷艙內(nèi)與外部環(huán)境熱交換的目的；③設(shè)計(jì)兩相流體回路方案，將布置在艙外的同位素?zé)嵩串a(chǎn)生的熱量導(dǎo)入艙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)月夜期間艙內(nèi)溫度保持。

（2）高可靠休眠喚醒設(shè)計(jì)。安全、可靠地實(shí)現(xiàn)月晝/月夜轉(zhuǎn)換，對(duì)月面長(zhǎng)期工作至關(guān)重要。綜合考慮巡視器及地面測(cè)控能力等約束條件，設(shè)計(jì)了自主全斷電的晝夜轉(zhuǎn)換休眠方案和光照自主加電的夜晝轉(zhuǎn)換喚醒方案，研制高可靠光照喚醒電路。在晝夜轉(zhuǎn)換時(shí)，首先完成休眠狀態(tài)設(shè)置，最終利用延時(shí)指令自主完成整器斷電，巡視器進(jìn)入全斷電休眠狀態(tài)；在夜晝轉(zhuǎn)換時(shí)，利用太陽(yáng)翼發(fā)電輸出的光照觸發(fā)信號(hào)自主接通整器供電，電子系統(tǒng)得電工作并與地面建立測(cè)控通道，隨后在地面控制下完成喚醒狀態(tài)設(shè)置，巡視器恢復(fù)工作狀態(tài)。

在第1個(gè)月晝和第2個(gè)月晝?cè)旅婀ぷ髌陂g，嫦娥三號(hào)巡視器的溫度水平良好，各設(shè)備溫度均處于預(yù)定范圍內(nèi)并有足夠的余量，驗(yàn)證了巡視器針對(duì)月晝高溫?zé)嵩O(shè)計(jì)的正確性，以及對(duì)月面高溫環(huán)境的適應(yīng)性。在第2個(gè)月晝，巡視器順利實(shí)現(xiàn)自主喚醒，根據(jù)傳回地面的遙測(cè)參數(shù)判斷器上各設(shè)備經(jīng)歷月夜后均正常，驗(yàn)證了過(guò)月夜策略的正確性，以及巡視器對(duì)月夜低溫環(huán)境的適應(yīng)性?？傊隙鹑?hào)巡視器通過(guò)了實(shí)際月面環(huán)境的考核，具備了月面生存的能力。

3.4 地面試驗(yàn)?zāi)M

月球的月塵、重力、溫度等與地球軌道的環(huán)境不同，因此要研究相關(guān)的試驗(yàn)方法和理論，配備相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真模擬設(shè)備，才能確保地面驗(yàn)證的有效性。

月塵可能會(huì)對(duì)巡視器的光學(xué)敏感器、太陽(yáng)電池、相機(jī)鏡頭、熱控涂層等表面造成污染影響，造成光透過(guò)率下降、熱控性能降低等。此外，細(xì)小的月塵還可能侵蝕沒(méi)有完全密閉的軸承、齒輪和其他機(jī)械裝置，造成機(jī)械元件磨損，為此進(jìn)行了部、組件月塵摸底試驗(yàn)，驗(yàn)證了防塵設(shè)計(jì)措施的有效性。低重力主要對(duì)活動(dòng)機(jī)構(gòu)和兩相流體回路有較大影響，研制過(guò)程中采用配重卸載模擬1/6gn的重力環(huán)境，進(jìn)行機(jī)構(gòu)展開(kāi)試驗(yàn)、移動(dòng)性能試驗(yàn)；采用數(shù)值分析法，進(jìn)行低重力條件下的流體回路性能分析，并在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整流體回路儲(chǔ)液器高度來(lái)達(dá)到等效模擬低重力的目的。針對(duì)月面大溫差環(huán)境，完成艙外機(jī)構(gòu)和天線等設(shè)備的低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、熱控材料環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、潤(rùn)滑油脂月面環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估試驗(yàn)等，并在整器條件下完成巡視器月面工作高溫和低溫等多種工況的熱平衡試驗(yàn)，驗(yàn)證了熱設(shè)計(jì)的正確性和設(shè)備對(duì)溫度環(huán)境適應(yīng)性。

在研制過(guò)程中，根據(jù)巡視器系統(tǒng)高度集成、工作模式復(fù)雜、活動(dòng)部件多、月面工作環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，在航天器研制常規(guī)試驗(yàn)（電性能綜合測(cè)試、噪聲和振動(dòng)試驗(yàn)、熱平衡和熱真空試驗(yàn)等）的基礎(chǔ)上，制定了完備的產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)矩陣及整器室內(nèi)和外場(chǎng)試驗(yàn)［6］、組合面移動(dòng)性能試驗(yàn)等地面專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證方案，研制了工程試驗(yàn)用模擬月壤［7］、月塵模擬裝置、二維隨動(dòng)恒拉力低重力裝置、超低溫罐及內(nèi)場(chǎng)等試驗(yàn)設(shè)施［8］，實(shí)現(xiàn)了巡視器地面驗(yàn)證的充分性、有效性。

3.5 系統(tǒng)資源約束

巡視器要在總質(zhì)量及包絡(luò)空間等系統(tǒng)資源的嚴(yán)苛約束下，滿足功能性能和可靠性安全性要求，因此如何減小整器質(zhì)量，進(jìn)行輕小型化設(shè)計(jì)是必須要解決的難題。

通過(guò)三維模裝和協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)，確定滿足高容積比、高載荷比、小配重要求的巡視器構(gòu)型和布局方案；通過(guò)多學(xué)科集成優(yōu)化、電子系統(tǒng)集成、機(jī)構(gòu)功能復(fù)用，實(shí)現(xiàn)了巡視器的輕小型化和總體最優(yōu)［9］。采取的主要措施包括：

（1）在系統(tǒng)層面，采用電子集成、機(jī)構(gòu)復(fù)用和輕量化設(shè)計(jì)。主要包括：電子功能系統(tǒng)集成、一體化設(shè)計(jì)；設(shè)備（相機(jī)）安裝支架與設(shè)備一體化設(shè)計(jì)；太陽(yáng)翼功能復(fù)用設(shè)計(jì)，即在月晝時(shí)，利用鋪設(shè)在基板上的太陽(yáng)電池片輸出電能，在月夜時(shí)，基板覆蓋在散熱面上，通過(guò)其對(duì)天面上包覆的絕熱材料起到保溫效果；相機(jī)、定向天線安裝在桅桿上，共用一套機(jī)構(gòu)；選用輕質(zhì)小型電連接器；艙外設(shè)備引線穿艙后直接與艙內(nèi)設(shè)備連接，以減少電連接器。

（2）在單機(jī)/分系統(tǒng)層面，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用輕質(zhì)材料。結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)預(yù)埋件、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體等采用鎂合金，選用輕小型軸承、電機(jī)和諧波減速器，桅桿與太陽(yáng)翼共用一套壓緊釋放裝置；電源分系統(tǒng)鋰離子蓄電池組采用更高比能量的正極活性材料、更輕的外殼材料；GNC分系統(tǒng)選用輕小型一體化設(shè)計(jì)部件。

通過(guò)以上措施，巡視器實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)設(shè)備56%的高容積率和13%的載荷比，并最大程度地規(guī)避了質(zhì)量超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，滿足了系統(tǒng)資源約束。

4 結(jié)束語(yǔ)

嫦娥三號(hào)巡視器實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次在地外天體表面巡視勘察的目標(biāo)，開(kāi)展的月球淺層結(jié)構(gòu)剖面探測(cè)屬國(guó)際首次，突破了月面移動(dòng)、自主導(dǎo)航與遙操作控制、月面生存等關(guān)鍵技術(shù)，取得了新型航天器總體設(shè)計(jì)、輕小型機(jī)構(gòu)、雙目立體視覺(jué)導(dǎo)航、任務(wù)規(guī)劃與遙操作控制、重力輔助兩相流體回路、自主休眠光照喚醒等一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新科研成果，為后續(xù)月球和火星巡視探測(cè)任務(wù)奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，也為未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

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（編輯：夏光）

System Design and Technical Characteristics Analysis of Chang'e-3 Lunar Rover

SHEN Zhenrong ZHANG Wu JIA Yang SUN Zezhou
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

Chang'e-3 lunar rover is the key of spacecraft system in the phaseⅡof China lunar exploration program.This paper introduces the system composition，configuration and primary subsystem of lunar rover firstly.Secondly the technical characteristics and difficulties are analyzed in five aspects，namely locomotion on the moon，self-navigation&teleoperation control，surviving on the moon，ground validation technologies，restricted system resources.Lastly the engineering solving measures are represented including parameter optimization of the locomotion and wheels，coordinated control between at the moon and from the earth，thermo-design on largescale change of temperature，autonomous reboot by sunlight，simulation of special environment of the moon such as dust and low-gravity，system integration and optimum design.

Chang'e-3 lunar rover；system design；technical characteristic；engineering measure

V476.3

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.002

2014-12-04；

：2015-06-28

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

申振榮，男，碩士，高級(jí)工程師，從事深空探測(cè)器總體設(shè)計(jì)和研制工作。Email：zrshen@sina.com。