好一辆漂亮的火星车(逐梦·十年奋进路)
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。