设定一个小目标，送嫦娥五号上月球

本文来自微信公众号：我是科学家iScientist（ID：IamaScientist），作者：彭兢

在嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢看来，自己的工作和导航软件有相似处：确定目标后，选择路线、工具和时间，更重要的是，要考虑途中可能遇到的各种未知因素，然后做好相应的设计和意外情况的解决方案，最大限度地按时、按标准实现预定的目标。只不过，他和同事把目的地设定在月球。嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢为大家带来演讲《设定一个小目标，去月球》，聊聊深空探测和嫦娥的故事。

以下为彭兢演讲实录：

我叫彭兢，我来自中国空间技术研究院，是一名航天器的设计师。

月球探测器听起来有点神秘，也很遥远。但对于我们这些天天从事相关工作的人，它其实也很普通。简单说，就是选择月球作为探测对象，设计一架机器，去实现一个特定的任务目标。

比如嫦娥一号，我们设计它的目标就是去环绕月球，并在绕月飞行的过程中拍摄月球的照片，对月面进行遥感探测；而嫦娥三号就是要到月面去实现软着陆，就近对月球表面进行科学探测；我现在正在做的嫦娥五号，则是要到月球表面去取一些样品，把这些样品带回到地球的实验室开展相应的科学研究。

嫦娥三号

“绕、落、回”——这三个字就是对我们国家探月工程这三个目标最好的概括。

作为月球探测器，为了让它完成预定的任务，它会像一颗普通的人造地球卫星（比如东方红一号），或者是载人飞船（比如神舟五号）这样，经历设计、生产、制造、装配、测试、发射和在轨飞行等等过程。

因为月球和地球不同，所以，在这个过程中，有些地方又和普通的地球卫星或载人飞船不同，比如，一些针对月球特点的特殊设计和地面实验。

说到月球的特别之处，最容易让大家想到的就是月球的特殊环境：月球表面几乎是真空的，表面还有无处不在的月尘颗粒，大小都有，最小的只有几个微米，比PM 2.5还要细微。

这些月尘颗粒虽然细小，但对于月球探测器的设计影响却非常大。如果它们附着在太阳电池表面，会降低太阳电池片进行光电转换的效率，造成探测器供电不足。如果大量月尘附着在探测器的表面，会改变表面的热特性，妨碍我们对探测器的温度进行精确的控制。如果月尘进入了运动机构的核心部位，比如齿轮、轴承，有可能会使机构卡死，导致整个任务失败。

所以，我们在设计月球探测器时，必须要针对月尘做特殊设计。比如，我们在设计一些重要机构时，一定要采用密封设计，不能让月尘在任何条件下进入这些机构的核心部位。还有太阳翼，为了避免月尘污染太阳翼上的电池片，我们会在着陆之前将太阳翼收拢起来，将有太阳电池线的那一面向内，这样在月球软着陆的过程中，激起的月尘就会比较少地、甚至尽可能不落到太阳电池片表面，从而降低相应的风险。

设计月球探测器时，必须要针对月尘做特殊设计。

还有“月球软着陆”，包括嫦娥五号要完成的采样返回任务，都要经历这个过程。要实现探测器平稳安全着陆，就一定要设计一个特殊的装置，我们称之为“着陆缓冲装置”。

我们为嫦娥三号设计了四条着陆腿。大家知道，三点可以确定一个平面。历史上也有过三条腿实现着陆的设计，比如下面这张图片，就是上个世纪美国的月球勘察者着陆器的设计。

上个世纪美国的月球勘察者着陆器的设计

我们考虑的稍微多一点：如果有四条着陆腿，万一其中一条腿没有着陆，剩下的三条腿也足以平稳支撑着陆器，同时，也出于设备布局以及对称性方面的考虑，所以，最终我们选择了四条腿的设计。这也是大部分月球着陆器用到的设计。

在着陆缓冲腿的末端，我们也做了特殊的设计：在嫦娥三号着陆腿的末端，有一个直径大约50厘米的足垫，就为了增加着陆缓冲腿跟月面的接触面积——这个设计有点像小猫的猫爪上的肉垫，更好地缓冲着陆冲击。

你可以想象一下：家里的小猫从高处跳下时，落地是很平稳的，也很柔软，这样冲击很小——我们在设计着陆腿和着陆腿的足垫时也是要追求同样的效果。

在每一个月球探测器里，都有很多这样不同的特殊设计，而每一个特殊设计都跟一般的卫星或者飞船不一样，涉及很多不一样的细节，要设定各种各样的参数，并且要进行相应的验证。

那么，怎样证明设计在月球上是好用的？

通过地面试验。

还是以“月球软着陆”举例。

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着陆过程来做着陆冲击的实验，是无法真实反映月面情况的。怎么办呢？

为了模拟六分之一的重力，我们想了很多办法。

其中一个是：我们做了一块倾斜的木板，跟水平面夹角80度，然后将着陆器的模型吊在一根吊绳上，让它摆起来。摆动的最后当这个着陆器的模型，它的着陆腿跟这块木板接触时，它在这个垂直于木板，平面的这个方向上的受力恰好是它重力的1/6，用这个办法我们就能在地面用实验来验证我们关于着陆缓冲的设计是不是正确的。而且，这个木板也选择了特殊的材质，保证它的表面和着陆腿末端足垫表面的摩擦系数跟在月球表面一致。

还有一个实验：着陆冲击之前，我们还要确保着陆器在月面上“从一定高度向下降落”的过程，严格按照预定的策略来执行。

为了验证控制效果，我们专门设计和建设了一个塔架。这个塔架最高有110米，用它加上电机和吊绳，吊着这个着陆器，我们就可以模拟在月面上以70米左右高度往下降的过程。

在这个过程中，上面的电机和吊绳会提供着陆器模型重量的5/6，那么剩下的1/6重力作用在这个着陆器上，我们就可以模拟在1/6重力加速度条件下，看着陆器的运行情况和我们的控制是否正确。

在北京东南郊建的试验场。

这个实验场就在北京的东南郊，大兴的朱庄。2015年夏天，我带领了一支试验队，在朱庄做了三个月左右实验。当时遇到了很多的困难，其中最大的困难是天气。

实验对时间有要求，我们每天把实验设备从厂房推出来，推到实验场安装好，再做实验，做完实验回收，把这些设备运回到厂房，至少需要六个小时。这六个小时的过程，不能中断，而且，因为月球上没有空气，也没有雨水，所以设备没有做任何防水设计，不能淋雨。所以，当时我们要做这个实验，最重要的一个条件就是：天气预报要告诉我们“今天没有雨”。

但是非常不巧，我们在的那个夏天，正好做实验那段时间，每天都是乌云密布，说不准什么时候就会下雨。那怎么办？我们就专门咨询了大兴地区的气象预报机构，问他们，天气预报准确度怎么样。他们很遗憾地告诉我们说，局部天气预报是非常不准的。后来我们调侃，大兴怎么就成了传说中的“局部地区”，好像总是有雨。

到了我们计划要做实验的那一天，就碰到了这样一个状况：前一天的天气预报告诉我们，第二天很大概率要下雨。做实验的前天晚上，我睡得很晚，也睡不踏实，半夜总醒。每次醒了，我都会从宿舍窗户往外看看外面下没下雨。

一直都没下。

一直到早上5点钟，天蒙蒙亮了，我再起来看，还是没下雨，但天空布满乌云。我赶紧给气象预报部门打电话，他们说最新结果今天有可能午后才会下雨。实验队的同事头天晚上早就做好了准备，睡得也都很轻。当我告诉大家“可以做实验了”，所有人都急忙爬起来，赶紧去做实验。

那天中午12点左右，我们按照预定计划顺利做完了实验，赶紧就从塔架下面把实验设备往厂房里运。也是巧，设备刚刚进厂房，外面就开始下雨，而且是瓢泼大雨，下了整整一个下午。

事后，我们所有的实验队员都觉得特别庆幸：一方面，气象预报部门那天挺给力，预报比较准；另外，当时我们其实也有犹豫的，万一下雨了怎么办？最后是冒了一定的风险，果断决定要做实验，所以那天才能按时做完实验。事后回想：万一那天天气预报不准，有可能我们的设备就会在下雨的过程中做实验，有可能受损，或者干脆我们就不做了，实验计划就会推迟——不管是哪种结果，我们其实都不太能接受。

这个照片拍摄于2014年10月，我负责的嫦娥五号飞行实验器执行在轨飞控任务时候的一张照片，看起来是不是有点紧张？确实挺紧张的，因为当时心里有一根弦一直紧绷着，直到任务圆满完成之前，心才能放回肚子里。

做完所有研制工作之后，我们是不是就可以静静等着火箭把探测器送到太空了呢？

当然不是。

月球探测器系统构成十分复杂。在执行任务过程中，它要经历很多特殊环境，很多都是没有在近地轨道上经历过的，有很多风险和未知因素。所以，只要我们的探测器还没有发射，我们的工作就不能停止。

我们有一位很著名的院士，曾用八个字总结我们在发射前的心理状态，叫疑神疑鬼，捕风捉影。只要距离发射哪怕还有一天的时间，我们也要绞尽脑汁反复琢磨，检查我们的设计上还有没有漏洞，做的实验是不是覆盖了所有我们认为有风险的环节，看所有我们能看到的参数，看它们的范围是不是跟我们预计的一样。如果大家在媒体上看到发射前的采访，大部分情况下，航天的设计师，无论是搞火箭的还是搞探测器的，基本上都比较紧张。

在这种心理状态下，我们这些看起来本应是不折不扣无神论者的人，也难免会有一些小迷信——我们把这视作减轻压力的一种方式。

比如，有一段时期，如果可以选的话，我们航天设计师选发射日期都不愿意选尾数是8的日子，宁愿选择尾数是7日子。因为有个成语“七上八下”，我们都希望它发射的时候顺利一点，能上不要下。可能有人会想到，最近刚刚发射的嫦娥四号就选在2018年12月8号。这个也有新的解释，因为嫦娥四号是要返回的，所以选择8号发就预示着它能顺利地落下去。

我自己其实也有类似的经历。

也还是上面这张照片，拍摄的时间大概是在2014年的10月，还是我负责的这个任务将要发射了，那时候是我人生第一次自己亲手做的这个任务发射，所以内心是非常紧张的。这时候我的一个同事看见这种状态就来安慰我，他说，没事，咱这项目肯定能成，我说，你凭啥这么说？他说你看咱们嫦娥一号是10月24号发射的，咱们嫦娥五号飞行实验器发射日期也是10月24号，嫦娥一号飞行得很好，那我们这个任务肯定也没问题，发射肯定能成功。

从2004年我亲身经历嫦娥一号进入工程研制，到现在已经过去了15年。在这15年里，咱们国家先后发射了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥五号飞行试验器，嫦娥四号中继星和刚刚发射的嫦娥四号月球背面着陆任务。自人类进入21世纪以来，全世界总共发射了12次月球探测任务，中国就占了6次，排第二的美国只发射了3次，另外还有欧洲，日本和印度各发射了1次。

其实，早在十多年前，印度和日本同时跟我们开始研制月球软着陆任务，到现在他们还没有发射，而我们的嫦娥四号已经发射成功，马上就要去月球背面着陆了。毫不夸张地说，我国的探月工程虽然起步晚，但我们无论在数量还是在质量上，在全世界都是领先的。作为嫦娥月球探测器研制队伍中的一员，我感到很自豪，对我们国家探月工程所取得的成就感到非常的骄傲。

有时，我会回想起小时候，在西瓜地里守夜，仰头会看到满天的星斗和灿烂的银河，引发了很多想象。其中，有一个梦想，就是长大了我能进入太空。

现在，几十年过去，我可以说如愿以偿，有幸成为嫦娥月球探测器研制队伍中的一员，有机会将自己亲手做的探测器送到了月球，探索未知世界。在这个工作过程中，不断解决问题，克服各种困难，也获得了很多成就感和满足感，而且，每一个任务取得的新发现和成果，又激励着我更加努力工作。目前，我的小目标是月球。其实，我还有更大的梦想，希望未来有天还能走得更远。

而所有这些，都和我们国家还有社会各界对我们我国深空探测事业和嫦娥月球探测器研制工作的支持是分不开的。我也希望，未来有更多人，包括在座的各位小朋友，能够有机会加入我们，共同开始深空探测的伟大事业，在人类探索星辰大海的事业中做出中国人应有的贡献。