月背征途：“玉兔二號”駕駛日記

嫦娥四號首次實現(xiàn)月球背面著陸，上面搭載的“玉兔二號”成為第一輛踏上月背的月球車。“玉兔二號”2019年超過蘇聯(lián)的“月球車一號”成為了人類在月面工作最長的月球車。截至2021年1月，嫦娥四號著陸器和“玉兔二號”月球車已經在月球工作749天，月球車累計行駛628.47米。在為我國航天事業(yè)自豪的同時，人們也好奇，玉兔二號究竟在月背干了什么？畢竟前有“玉兔號”的故障在前，“玉兔二號”又將如何完成使命？等等諸多問題的答案，現(xiàn)在已經有了答案。中國探月工程國家隊、北京航天飛行控制中心撰寫的《月背征途》，講述了通往月背的旅程，以及在月面運行發(fā)生的驚心動魄的故事。本文節(jié)選自《月背征途》第五章《月背征途：“玉兔二號”駕駛日記》。

《月背征途》（北京科學技術出版社，2021年1月），點擊文末“原文鏈接”可購買此書。前往“返樸”，點擊“在看”并發(fā)表您的感想至留言區(qū)，截至2021年2月14日中午12點，我們會選出2條留言，每人贈書一本。

撰文 | 北京航天飛行控制中心

從成功登陸月背到“兩器分離”，再到互拍成像，在充滿未知和風險的月背之上，“玉兔二號”行走的每一步都如同在鋼絲上跳舞，必須準之又準、慎之又慎。此后，“玉兔二號”將全面開啟探險之旅，從搜羅讓科學家“瘋狂”的石頭、發(fā)現(xiàn)神秘膠狀物到探索未知的月球坑等，一系列月背大冒險即將上演。
第一次“休眠”

2019年1月11日，舉國矚目的“嫦娥四號”“兩器互拍”落下了帷幕。忙碌了一整個月晝的“玉兔二號”也要準備“休眠”度過寒冷的月夜了，駕駛員們開始著手在地形圖上尋找“休眠”點，但附近能夠滿足“休眠”的區(qū)域比較少。在經過反復測量計算后，駕駛員們選定了一塊條件較好、可滿足“休眠”姿態(tài)要求的區(qū)域，作為“玉兔二號”在月背的第一個“休眠”點。從地形圖上看，這也幾乎是附近唯一的“休眠”區(qū)域了。

一切就緒后，駕駛員們正準備按規(guī)劃實施移動，卻突然發(fā)現(xiàn)“鵲橋”中繼星的高度偏低，如果“玉兔二號”向預定“休眠”方向行駛的話，安裝在“玉兔二號”前方桅桿上的定向天線可能對尾部的全向接收天線產生遮擋，這樣可能會造成地面短時間內失去對“玉兔二號”的控制，這樣的局面是駕駛員們絕不想看到的。

然而看看前方唯一的一塊黃色區(qū)域——“休眠區(qū)域”，“玉兔二號”似乎也沒有別的選擇。有人提出，我們可以將豎起的桅桿放倒，這樣定向天線就能夠隨之臥倒在“玉兔二號”上，不會對全向接收天線造成遮擋了。這樣的提議讓大家眼前一亮，經過測算，這個方案可行。隨即飛控中心發(fā)送指令將“玉兔二號”的桅桿放倒，隨后移動指令發(fā)送，“玉兔二號”又一次“低著頭”走向了“休眠”點。

來到了“休眠”位置，可不代表要馬上“入睡”。按照工作規(guī)劃，“玉兔二號”還需要在此地進行一次轉向和科學探測。畢竟這是“玉兔二號”在月背的第一次“休眠”，所以駕駛員們特別謹慎。他們對月背的月壤質地還知之甚少，雖然現(xiàn)在姿態(tài)滿足“休眠”要求，但就怕月壤土質太松軟，原地轉向對地勢造成破壞性的影響，導致此地不再能滿足“休眠”姿態(tài)要求怎么辦？大家心里都有些忐忑，在完成了科學探測后，飛控中心又控制“玉兔二號”轉到了“休眠”航向，遙測顯示當前姿態(tài)與預估的姿態(tài)差別不大，可滿足“玉兔二號”的“休眠”姿態(tài)要求，大家懸著的心才落下來。

1月13日3時39分，在駕駛員們的控制下，“玉兔二號”“休眠”狀態(tài)設置完成，進入了月夜“休眠”模式，等待陽光將它喚醒。

科普時間·月球車為什么要“休眠”對“玉兔二號”來說，“休眠”是一件大事。為什么月球車也要“休眠”呢？因為月球上面也有白天和黑夜之分，而且黑夜有 14 天，在這 14 天里，月面溫度會降到接近-190℃，“玉兔二號”為了保護自己，必須進入“休眠”狀態(tài)。地面要控制“玉兔二號”收起太陽翼，將月球車內部封閉起來，關閉所有儀器設備和載荷設備；同時，啟動同位素熱源為儀器艙供熱，使儀器艙溫度不低于-50℃，確保其中的設備不至于因為溫度過低而造成損壞。

“休眠”時車體的朝向、姿態(tài)和帆板的角度都要精確計算。首先，車體要微微向后傾斜，因為“玉兔二號”的車輪上沒有“手剎”裝置，如果車體不傾斜，停在斜坡上時就容易“溜車”；另外，“玉兔二號”“休眠”時同位素熱源是通過流體回路對車體進行加熱的，傾斜也是為了讓流體回路中的液體順利地流通。其次，太陽翼的角度也要準確放置，這樣可以保證“玉兔二號”在喚醒前先曬一會兒太陽。此外，“玉兔二號”要選在沒有障礙物的空地上“休眠”，以免地形或車身擋住中繼星通信，從而影響地面操控。

“玉兔二號”回望“嫦娥四號”。在測試系統(tǒng)總指揮的提一下，駕駛員們當了一次攝影師，操縱玉兔二號回頭拍下了這張照片。

安全駕駛9條原則

“道路千萬條，安全第一條”，有了駕駛“玉兔一號”的經歷，遙操作團隊對“玉兔二號”更是呵護有加，每一次路徑規(guī)劃、每一個狀態(tài)確認都特別小心。

早在開展“嫦娥四號”任務前，飛控中心就組織進行了“玉兔一號”行駛過程數(shù)據(jù)復盤?！坝裢靡惶枴倍ǜ裨?14.8米，我們應該吸取哪些教訓呢？為了使復盤工作更加深入，飛控中心請來了探測器設計部門的月球車專家以及當年“玉兔一號”的駕駛員，共同對“玉兔一號”在月球上的每一步足跡特別是最后幾步的行走過程做細致研究。最終形成以下結論性意見：一是光照對月面感知的影響較大；二是大曲率移動風險較高；三是在月面復雜路面上要能進也要能退。

這些看似簡單的原則正是在充滿風險的月面駕駛時必須要注意的。也正是這次對“玉兔一號”遙操作的復盤工作，制定了月面安全駕駛9條原則，為“玉兔二號”干得更久、走得更遠打下了基礎。

既然光照對月面感知的影響很大，那么為了確保路徑規(guī)劃前能看清楚月面地形，我們制定了相應的圖像感知原則，避免由于光照原因導致移動方向上出現(xiàn)圖像過曝或車體本體陰影較大的情況。若移動目標位置的地形不清晰或更換移動目標點，則需要進行重新感知，確保從當前位置到目標位置之間的地形情況清晰可見，能夠為路徑規(guī)劃提供優(yōu)質的圖像信息。

“玉兔二號”在月面真實環(huán)境中的移動表現(xiàn)如何、月面實際地形對它的移動會產生哪些不可預知的影響、“玉兔二號”能否按照駕駛員規(guī)劃的預期路徑進行移動等都需要對它的實際移動效果進行評估。9條原則中的第3條是這樣描述的：

每次移動后在導航點或中間點對行走效果進行評估，判斷是否移動到位，可否按照原定策略及相應應急方案實施。移動未到位判斷準則如下：

1.針對直線行走、原地轉彎和曲線行走，地面監(jiān)視判斷遙測偏航角141 第 5 章 月背征途：“玉兔二號”駕駛日記與規(guī)劃結果超過5°或遙測位置與規(guī)劃結果偏差超過0.5米。

2.若該站點獲得的視覺定位結果與規(guī)劃位置距離偏差超過移動距離的10%。

如果地面判斷出現(xiàn)“移動未到位”的情況，就要立即停止原規(guī)劃方案，進入問題排查和緊急脫困狀態(tài)，必要時退回到上一站點，確?！坝裢枚枴钡陌踩?。

第3條安全駕駛原則對駕駛員來說至關重要，必須作為基本原則長期堅持。在“玉兔二號”后續(xù)1年多的行駛過程中，駕駛員們正是堅守了這9條原則才確保了“玉兔二號”在月背探險中不斷奮勇前行。

短暫“失聯(lián)”

月午期間為躲避高溫，“玉兔二號”一般會“午休”，可是這個月午“玉兔二號”“睡”得并不踏實。

2019年6月4日上午8時20分，“玉兔二號”進入測控區(qū)后，值班人員發(fā)現(xiàn)雖然返向載波鎖定，但“玉兔二號”的遙測依舊無法解析，地面和“玉兔二號”失去了聯(lián)系。值班人員檢查了“玉兔二號”前一晚的情況，一切正常，那“玉兔二號”到哪里去了呢？

現(xiàn)場人員迅速向值班總師匯報了這個情況，并與探測器系統(tǒng)取得了聯(lián)系。經分析，最大可能是由于單粒子的干擾，使得地面和“鵲橋”中繼星的信號被干擾了。

經過現(xiàn)場專家反復研究，決定首先對“鵲橋”中繼星的對月解調器進行軟復位操作，正是這個解調器承擔著與“玉兔二號”通信的重要職能。兩條指令發(fā)出去后，遙測還是沒有恢復，所有人屏住呼吸，緊緊盯著屏幕。

突然，“玉兔二號”時間顯示開始閃動，遙測恢復了！駕駛員們全面檢查“玉兔二號”的狀態(tài)，一切正常！剛剛緊張到凝固的空氣終于開始流動了。經查，原因是測控區(qū)外單粒子擊中了“鵲橋”中繼星的遙測處理電路板，導致中繼星對“玉兔二號”的遙測處理出現(xiàn)了問題。

這個月晝“玉兔二號”的短暫“失聯(lián)”雖說是虛驚一場，但卻提醒我們，太空環(huán)境復雜多變，要隨時做好應對各種突發(fā)狀況的準備，駕駛員不僅要車技一流，更要掌握機制，沉著應對。

科普時間·單粒子效應

單粒子效應是指單個空間高能帶電粒子擊中微電子器件靈敏區(qū)時，由于電離作用產生額外電荷，使電子器件邏輯狀態(tài)改變、功能受到干擾或者失效。單粒子效應主要包括單粒子翻轉、單粒子鎖定和單粒子燒毀。

單粒子翻轉是高能粒子轟擊芯片中的邏輯電路，導致邏輯發(fā)生了翻轉，即原值為0，轟擊之后值翻轉為1，值也可由1翻轉為0。單粒子翻轉導致的故障屬于“軟故障”，一般可以通過系統(tǒng)復位、重新加電或重新寫入等恢復到正常狀態(tài)。

單粒子鎖定是單粒子入射產生的瞬態(tài)電流導致設備功能性損壞，單粒子燒毀則是通過造成短路而燒毀電路，這兩種情況均可造成不可修復的傷害。

由于高性能的微電子器件被大量應用在航天器系統(tǒng)中，所以單粒子效應的危害十分嚴重，當它造成航天器控制系統(tǒng)的邏輯混亂時，可能會產生災難性的后果。

神秘物質初探

上個月晝“玉兔二號”在月球背面的撞擊坑中發(fā)現(xiàn)了神秘的膠狀物質，這一發(fā)現(xiàn)讓科學家和駕駛員們都興奮不已。月夜期間，科學家們持續(xù)表達了對該物質探測的強烈需求，并設計了對照試驗，選定了三個點要求進行科學探測。

飛控中心遙操作團隊馬不停蹄地開始進行方案設計，對撞擊坑的深度和濺射物分布等都進行了仔細的測量。測量完畢，駕駛員們的臉色頓時凝重了起來，這個撞擊坑的深度超過了30厘米，要是“玉兔二號”進去了，極有可能卡住底盤而無法上來，因此進坑探測成為一個必須避開的選項。但是探測物質正好位于坑的正中央，按照科學家們給的坐標，想要使紅外成像光譜儀的視場覆蓋該物質，

“玉兔二號”的前輪肯定要懸空進入坑里?？舆叺脑氯蕾|地如何？會不會產生滑坡？坑邊的濺射物那么多，對于航向會有什么影響？大家的心里都打起了鼓。駕駛員們經過反復討論，最終確定了遠距離調整航向，然后直線逼近探測的方案。這個方案對于駕駛員的設計能力和控制精度都是嚴峻的考驗。失之毫厘，謬以千里，在遠處調整好航向后，誰也無法保證逼近的過程中航向不會產生偏移，萬一航向有偏差，或者行走過程中被濺射物改變了航向，那么所有的努力將功虧一簣。

計劃排定后，月晝也如期而至。駕駛員首先讓“玉兔二號”來到了探測起點，經過對撞擊坑的再次探測，科學家重新提供了探測點的坐標，駕駛員經過再次精心計算和精準控制，使“玉兔二號”準確對準了探測點。

隨后，駕駛員控制“玉兔二號”邁步向著探測坑前進，第一步走了28秒，“玉兔二號”來到前輪距離撞擊坑幾十厘米的地方，對撞擊坑再次進行了探測。然后，“玉兔二號”又往前走，持續(xù)了8秒，這已經離撞擊坑很近了，但根據(jù)探測成像的結果，距離探測物質的區(qū)域還有一小段距離。最后，駕駛員又小心翼翼地控制“玉兔二號”向前挪，持續(xù)了2秒，車輪的前沿已經抵達撞擊坑的邊緣了。根據(jù)測算，紅外成像光譜儀的視場已經覆蓋了探測物質的邊緣，已經有物質進入了紅外成像光譜儀的探測范圍。

此時車輪壓出的痕跡和推出的土堆都在畫面上清晰可見?！坝裢枚枴币呀浀竭_安全行駛的邊界，不能再往前了。駕駛員們完成探測后，控制“玉兔二號”后退到了月午點，月晝的科學探測暫告一段落。
再探神秘物質

月午期間，科學家對上午取得的探測數(shù)據(jù)進行了分析，大家都翹首以盼，但得出的結論卻令人泄氣。雖然探測物質已經進入了紅外成像光譜儀的視場，但由于物質自身的陰影較多，導致未能分析出物質成分，上午的探測最終鎩羽而歸。

經過這一番探索，大家多少有些沮喪，費這么大勁，還是沒有達到科學家的要求，他們申請下午繼續(xù)對該物質進行探測。但是此時距離出月午只有兩天半的時間，科學家們認為上午的探測將光照和路徑情況已經摸得很清楚了，再往前走10厘米應該就能輕松拿到數(shù)據(jù)了。

但是駕駛員們知道，現(xiàn)實遠比想象嚴峻得多。下午太陽的位置變了，如果原路返回，太陽敏感器將全程失去作用，所以這個方案是不可行的。要想在下午實施探測，必須換個位置和方向重新開始，所有的方案也必須重新設計，而且由于月晝下午需要實施“休眠”，可探測的時間比上午更短，所有的工作必須精簡壓縮。就剩一個周末，方案必須在半天之內拿出來。測量、設計、定位、投影、復核、準備控制數(shù)據(jù)……

月午結束后，“玉兔二號”就快馬加鞭地開始了下午的探測之旅。按照規(guī)劃，第一步“玉兔二號”需要轉向80°，這是一個已經進行了上百次的平常操作，但這次轉向卻只實施了很短的時間就結束了。駕駛員們多方查證后發(fā)現(xiàn)，在轉向指令發(fā)出后不久，右前輪的角度超出了限制，因此判斷“玉兔二號”的控制系統(tǒng)輸入異常，實際只轉了2°便中止了。這是“玉兔二號”的一種自我保護機制，防止車輪被小石子鉤掛而對運動系統(tǒng)產生損傷，但卻讓地面上的駕駛員擔心了半天。地面重新制訂了轉向參數(shù)進行上注，“玉兔二號”這次一點一點完成了預期的轉向，太陽敏感器也顯示可見，所有系統(tǒng)一切正常。

解決了轉向未到位后，“玉兔二號”來到了探測起點，按照預定的探測計劃，“玉兔二號”調整航向后向著探測點再次進發(fā)，很快來到了同月晝上午位置差不多的坑邊。根據(jù)駕駛員的核算，此時“玉兔二號”的車輪距離撞擊坑邊沿還有10厘米左右，但是根據(jù)測算，再走10厘米，“玉兔二號”還是無法將紅外成像光譜儀的視場覆蓋到探測物質，科學家要求再往前走15厘米。但這15厘米，在駕駛員的心中卻是一道重要的關口，這樣“玉兔二號”的前輪懸空部分就已經探入了撞擊坑，車輪受力的位置離坑邊很近了，會不會滑坡？

所有人聚集在遙操作大廳，一輪艱難的討論開始了，最后堅持科學探測的勇敢精神還是占了上風。駕駛員決定控制“玉兔二號”再往前走15厘米，“玉兔二號”的俯仰角變大了，紅外視場看得更遠了，探測物質已經進入了探測區(qū)域，但是從圖像上看效果仍不理想。

此時科學家們提出還需要再往前走2～4秒。駕駛員幾乎本能地說“不”！按照測算，此時車輪已經探進坑了，再往前走，車輪的中心將壓到坑的邊緣， 誰也不知道這個坑能不能受力。但已經來到了這里，一個巨大的寶庫就在面前，無法取得理想的探測結果恐怕將是所有人的遺憾。

飛控中心遙操作大廳里再次出現(xiàn)了激烈的討論，科學家們力陳此次探測的重要意義，駕駛員們則不停地測算這樣實施的結果。時間一分一秒地過去了，太陽高度角越來越低，已經到了需要尋找“休眠”點的時候了，月面上的陰影也越來越長，再等下去將錯失探測良機。

中科院空間中心的主任也給測控通信系統(tǒng)總指揮打來電話，表明想探測坑底神秘物質的強烈愿望?？傊笓]答復：“在確?！裢谩踩那闆r下，我們一定要幫助科學家拿到需要的數(shù)據(jù)，這也是‘玉兔’探索月背奧秘的使命！”

駕駛員們在經過反復計算確認后決定再移動一次！于是再次用了3秒向前移動，遙測數(shù)據(jù)表明，俯仰角和滾動角都在朝著有利于探測的方向變化，控制實施得很精準，擔心的滑坡沒有出現(xiàn)。駕駛員們立即組織感知成像和探測下傳，探測的結果出來了，在紅外成像光譜儀的視場中有一塊探測物質，探測結果終于滿足了科學家們的要求。

“世之奇?zhèn)?、瑰怪，非常之觀，常在于險遠，而人之所罕至焉。” 這個月晝，“玉兔二號”看似凌亂繁復的步伐為月球背面的荒涼增添了諸多人氣和亮色，為人們講述著人類的探索故事。

科普時間·首份月幔源物質初步證據(jù)

人類數(shù)十年來的探月工程揭示，月球表層即月殼以斜長石礦物為主，月殼覆蓋著的月幔則可能富含鎂鐵質，然而多年來科學家一直難以探明月幔的詳細結構。國際頂級學術期刊《自然》發(fā)表了一篇來自中國科學家的成果：中國的“嫦娥四號”月球探測器在月球背面的馮·卡門撞擊坑著陸，并部署了“玉兔二號”月球車對南極艾特肯盆地進行探測，科學家利用可視的近紅外成像光譜儀（VINS）的光譜初始觀測結果推斷出，月球表面存在的低鈣輝石和橄欖石礦物可能起源于月球地幔。這也是人類首份發(fā)現(xiàn)月球背面月幔源物質的初步證據(jù)。

和太陽系中很多行星類似，月球被認為經歷了巖漿海洋階段。在這個階段，月球大部分或完全處于熔融狀態(tài)。有關月球早期演化的理論認為，月殼是由巖漿海洋中較輕的斜長石組上浮結晶形成，而如橄欖石礦物、低鈣輝石等較重的礦物下沉形成月幔。然而，這一關于月幔組成的推論至今沒有被完全證實。因此，探測南極艾特肯盆地一直是科學家們所期待的。

研究人員對“嫦娥四號”獲取的高質量光譜數(shù)據(jù)分析研究后發(fā)現(xiàn)，光譜數(shù)據(jù)和典型的月球表面物質的光譜數(shù)據(jù)存在差異。這也就意味著，著陸點附近檢測到的這些物質與從月球表面采集到的大多數(shù)樣品明顯不同。特別是這些材料含有鎂鐵質成分，主要是橄欖石和低鈣輝石的混合物，高鈣輝石的含量則極低。

研究人員據(jù)此推斷，月球表面存在的低鈣輝石和橄欖石礦物可能來自月球的上地幔。研究結果還證實了月幔富含橄欖石的推論的正確性，這對于確定月幔的組成具有重要的意義。從更廣泛的意義上說，“嫦娥四號”的發(fā)現(xiàn)可能也會影響我們對月球內部形成和演化的理解。