彭兢：《設定一個小目标，去月球》

　　來源：我是科學家iScientist

　　在嫦娥五号探測器系統副總設計師彭兢看來，自己的工作和導航軟件有相似處：确定目标後，選擇路線、工具和時間，更重要的是，要考慮途中可能遇到的各種未知因素，然後做好相應的設計和意外情況的解決方案，限度地按時、按标準實現預定的目标——隻不過，他和同事把目的地設定在月球。嫦娥五号探測器系統副總設計師彭兢為大家帶來演講《設定一個小目标，去月球》，聊聊深空探測和嫦娥的故事。

　　以下為彭兢演講實錄：

　　我叫彭兢，我來自中國空間技術研究院，是一名航天器的設計師。

　　月球探測器聽起來有點神秘，也很遙遠。但對于我們這些天天從事相關工作的人，它其實也很普通。簡單說，就是選擇月球作為探測對象，設計一架機器，去實現一個特定的任務目标。

　　演講嘉賓彭兢：《設定一個小目标，去月球》　　比如嫦娥一号，我們設計它的目标就是去環繞月球，并在繞月飛行的過程中拍攝月球的照片，對月面進行遙感探測;而嫦娥三号就是要到月面去實現軟着陸，就近對月球表面進行科學探測;我現在正在做的嫦娥五号，則是要到月球表面去取一些樣品，把這些樣品帶回到地球的實驗室開展相應的科學研究。

　　嫦娥五号。　　“繞、落、回”——這三個字就是對我們國家探月工程這三個目标的概括。

　　作為月球探測器，為了讓它完成預定的任務，它會像一顆普通的人造地球衛星(比如東方紅一号)，或者是載人飛船(比如神舟五号)這樣，經曆設計、生産、制造、裝配、測試、發射和在軌飛行等等過程。

　　因為月球和地球不同，所以，在這個過程中，有些地方又和普通的地球衛星或載人飛船不同，比如，一些針對月球特點的特殊設計和地面實驗。

　　說到月球的特别之處，最容易讓大家想到的就是月球的特殊環境：月球表面幾乎是真空的，表面還有無處不在的月塵顆粒，大小都有，最小的隻有幾個微米，比PM 2.5還要細微。

　　這些月塵顆粒雖然細小，但對于月球探測器的設計影響卻非常大。如果它們附着在太陽電池表面，會降低太陽電池片進行光電轉換的效率，造成探測器供電不足。如果大量月塵附着在探測器的表面，會改變表面的熱特性，妨礙我們對探測器的溫度進行的控制。如果月塵進入了運動機構的核心部位，比如齒輪、軸承，有可能會使機構卡死，導緻整個任務失敗。

　　所以，我們在設計月球探測器時，必須要針對月塵做特殊設計。比如，我們在設計一些重要機構時，一定要采用密封設計，不能讓月塵在任何條件下進入這些機構的核心部位。還有太陽翼，為了避免月塵污染太陽翼上的電池片，我們會在着陸之前将太陽翼收攏起來，将有太陽電池線的那一面向内，這樣在月球軟着陸的過程中，激起的月塵就會比較少地、甚至盡可能不落到太陽電池片表面，從而降低相應的風險。

　　設計月球探測器時，必須要針對月塵做特殊設計。　　還有“月球軟着陸”，包括嫦娥五号要完成的采樣返回任務，都要經曆這個過程。要實現探測器平穩安全着陸，就一定要設計一個特殊的裝置，我們稱之為“着陸緩沖裝置”。

　　我們為嫦娥三号設計了四條着陸腿。大家知道，三點可以确定一個平面。曆史上也有過三條腿實現着陸的設計，比如下面這張圖片，就是上個世紀美國的月球勘察者着陸器的設計。

　　上個世紀美國的月球勘察者着陸器的設計。　　我們考慮的稍微多一點：如果有四條着陸腿，萬一其中一條腿沒有着陸，剩下的三條腿也足以平穩支撐着陸器，同時，也出于設備布局以及對稱性方面的考慮，所以，最終我們選擇了四條腿的設計。這也是大部分月球着陸器用到的設計。

　　在着陸緩沖腿的末端，我們也做了特殊的設計：在嫦娥三号着陸腿的末端，有一個直徑大約50厘米的足墊，就為了增加着陸緩沖腿跟月面的接觸面積——這個設計有點像小貓的貓爪上的肉墊，更好地緩沖着陸沖擊。

　　你可以想象一下：家裡的小貓從高處跳下時，落地是很平穩的，也很柔軟，這樣沖擊很小——我們在設計着陸腿和着陸腿的足墊時也是要追求同樣的效果。

　　在每一個月球探測器裡，都有很多這樣不同的特殊設計，而每一個特殊設計都跟一般的衛星或者飛船不一樣，涉及很多不一樣的細節，要設定各種各樣的參數，并且要進行相應的驗證。

　　那麼，怎樣證明設計在月球上是好用的?

　　通過地面試驗。

　　還是以“月球軟着陸”舉例。

　　月球表面重力隻有地球的1/6，如果直接在地面上按照月球着陸過程來做着陸沖擊的實驗，是無法真實反映月面情況的。怎麼辦呢?

　　為了模拟六分之一的重力，我們想了很多辦法。

　　其中一個是：我們做了一塊傾斜的木闆，跟水平面夾角80度，然後将着陸器的模型吊在一根吊繩上，讓它擺起來。擺動的最後當這個着陸器的模型，它的着陸腿跟這塊木闆接觸時，它在這個垂直于木闆，平面的這個方向上的受力恰好是它重力的1/6，用這個辦法我們就能在地面用實驗來驗證我們關于着陸緩沖的設計是不是正确的。而且，這個木闆也選擇了特殊的材質，保證它的表面和着陸腿末端足墊表面的摩擦系數跟在月球表面一緻。

　　還有一個實驗：着陸沖擊之前，我們還要确保着陸器在月面上“從一定高度向下降落”的過程，嚴格按照預定的策略來執行。

　　為了驗證控制效果，我們專門設計和建設了一個塔架。這個塔架有110米，用它加上電機和吊繩，吊着這個着陸器，我們就可以模拟在月面上以70米左右高度往下降的過程。

　　在這個過程中，上面的電機和吊繩會提供着陸器模型重量的5/6，那麼剩下的1/6重力作用在這個着陸器上，我們就可以模拟在1/6重力加速度條件下，看着陸器的運行情況和我們的控制是否正确。

　　這個實驗場就在北京的東南郊，大興的朱莊。2015年夏天，我帶領了一支試驗隊，在朱莊做了三個月左右實驗。當時遇到了很多的困難，其中的困難是天氣。

　　實驗對時間有要求，我們每天把實驗設備從廠房推出來，推到實驗場安裝好，再做實驗，做完實驗回收，把這些設備運回到廠房，至少需要六個小時。這六個小時的過程，不能中斷，而且，因為月球上沒有空氣，也沒有雨水，所以設備沒有做任何防水設計，不能淋雨。所以，當時我們要做這個實驗，最重要的一個條件就是：天氣預報要告訴我們“今天沒有雨”。

　　但是非常不巧，我們在的那個夏天，正好做實驗那段時間，每天都是烏雲密布，說不準什麼時候就會下雨。那怎麼辦?我們就專門咨詢了大興地區的氣象預報機構，問他們，天氣預報準确度怎麼樣。他們很遺憾地告訴我們說，局部天氣預報是非常不準的。後來我們調侃，大興怎麼就成了傳說中的“局部地區”，好像總是有雨。

　　到了我們計劃要做實驗的那，就碰到了這樣一個狀況：前的天氣預報告訴我們，第二天很大概率要下雨。做實驗的前天晚上，我睡得很晚，也睡不踏實，半夜總醒。每次醒了，我都會從宿舍窗戶往外看看外面下沒下雨。

　　一直都沒下。

　　一直到早上5點鐘，天蒙蒙亮了，我再起來看，還是沒下雨，但天空布滿烏雲。我趕緊給氣象預報部門打電話，他們說結果今天有可能午後才會下雨。實驗隊的同事頭天晚上早就做好了準備，睡得也都很輕。當我告訴大家“可以做實驗了”，所有人都急忙爬起來，趕緊去做實驗。

　　那天中午12點左右，我們按照預定計劃順利做完了實驗，趕緊就從塔架下面把實驗設備往廠房裡運。也是巧，設備剛剛進廠房，外面就開始下雨，而且是瓢潑大雨，下了整整一個下午。

　　事後，我們所有的實驗隊員都覺得特别慶幸：一方面，氣象預報部門那天挺給力，預報比較準;另外，當時我們其實也有猶豫的，萬一下雨了怎麼辦?最後是冒了一定的風險，果斷決定要做實驗，所以那天才能按時做完實驗。事後回想：萬一那天天氣預報不準，有可能我們的設備就會在下雨的過程中做實驗，有可能受損，或者幹脆我們就不做了，實驗計劃就會推遲——不管是哪種結果，我們其實都不太能接受。

　　這個照片拍攝于2014年10月，我負責的嫦娥五号飛行實驗器執行在軌飛控任務時候的一張照片，看起來是不是有點緊張?确實挺緊張的，因為當時心裡有一根弦一直緊繃着，直到任務圓滿完成之前，心才能放回肚子裡。

　　做完所有研制工作之後，我們是不是就可以靜靜等着火箭把探測器送到太空了呢?

　　當然不是。

　　月球探測器系統構成十分複雜。在執行任務過程中，它要經曆很多特殊環境，很多都是沒有在近地軌道上經曆過的，有很多風險和未知因素。所以，隻要我們的探測器還沒有發射，我們的工作就不能停止。

　　我們有一位很的院士，曾用八個字總結我們在發射前的心理狀态，叫：疑神疑鬼，捕風捉影。隻要距離發射哪怕還有的時間，我們也要絞盡腦汁反複琢磨，檢查我們的設計上還有沒有漏洞，做的實驗是不是覆蓋了所有我們認為有風險的環節，看所有我們能看到的參數，看它們的範圍是不是跟我們預計的一樣。如果大家在媒體上看到發射前的采訪，大部分情況下，航天的設計師，無論是搞火箭的還是搞探測器的，基本上都比較緊張。

　　在這種心理狀态下，我們這些看起來本應是不折不扣無神論者的人，也難免會有一些小迷信——我們把這視作減輕壓力的一種方式。

　　比如，有一段時期，如果可以選的話，我們航天設計師選發射日期都不願意選尾數是8的日子，甯願選擇尾數是7日子——因為有個成語“七上八下”，我們都希望它發射的時候順利一點，能上不要下。可能有人會想到，最近，剛剛發射的嫦娥四号就選在2018年12月8号——這個也有新的解釋，因為嫦娥四号是要返回的，所以選擇8号發就預示着它能順利地落下去。

　　我自己其實也有類似的經曆。也還是上面這張照片，拍攝的時間大概是在2014年的10月，還是我負責的這個任務将要發射了，那時候是我人生第一次自己親手做的這個任務發射，所以内心是非常緊張的。這時候我的一個同事看見這種狀态就來安慰我，他說，沒事，咱這項目肯定能成，我說，你憑啥這麼說?他說你看咱們嫦娥一号是10月24号發射的，咱們嫦娥五号飛行實驗器發射日期也是10月24号，嫦娥一号飛行得很好，那我們這個任務肯定也沒問題，發射肯定能成功。

　　從2004年我親身經曆嫦娥一号進入工程研制，到現在已經過去了15年。在這15年裡，咱們國家先後發射了嫦娥一号，嫦娥二号，嫦娥三号，嫦娥五号飛行試驗器，嫦娥二号中繼星和剛剛發射的嫦娥二号月球背面着陸任務。自人類進入21世紀以來，全世界總共發射了12次月球探測任務，中國就占了6次，排第二的美國隻發射了3次，另外還有歐洲，日本和印度各發射了1次。

　　其實，早在十多年前，印度和日本同時跟我們開始研制月球軟着陸任務，到現在他們還沒有發射，而我們的嫦娥四号已經發射成功，馬上就要去月球背面着陸了。毫不誇張地說，我國的探月工程雖然起步晚，但我們無論在數量還是在質量上，在全世界都是的。作為嫦娥月球探測器研制隊伍中的一員，我感到很自豪，對我們國家探月工程所取得的成就感到非常的驕傲。

　　有時，我會回想起小時候，在西瓜地裡守夜，仰頭會看到滿天的星鬥和燦爛的銀河，引發了很多想象。其中，有一個夢想，就是長大了我能進入太空。

　　現在，幾十年過去，我可以說如願以償，有幸成為嫦娥月球探測器研制隊伍中的一員，有機會将自己親手做的探測器送到了月球，探索未知世界。在這個工作過程中，不斷解決問題，克服各種困難，也獲得了很多成就感和滿足感，而且，每一個任務取得的新發現和成果，又激勵着我更加努力工作。目前，我的小目标是月球。其實，我還有更大的夢想，希望未來有天還能走得更遠。

　　而所有這些，都和我們國家還有社會各界對我們我國深空探測事業和嫦娥月球探測器研制工作的支持是分不開的。我也希望，未來有更多人，包括在座的各位小朋友，能夠有機會加入我們，共同開始深空探測的偉大事業，在人類探索星辰大海的事業中做出中國人應有的貢獻。