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[任务专项] 关于嫦娥三号备份探测器(嫦娥四号)改进的设想

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spacedog 发表于 2013-12-25 14:08 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 spacedog 于 2013-12-27 09:32 编辑

如松鼠兄弟所讲,目前看来,再入返回验证飞行器是一定有的,但原先作为嫦娥三号背胎的“嫦娥四号”命运未卜,最悲惨的命运就是直接下岗(马甲可能被再入返回验证飞行器顶了),但其实目前嫦娥四号应该也基本建造完成了,如果就此废弃很是可惜,还是应该尽量发挥它的作用。
    但是要进行一次探月发射耗资巨大,如果没有新的科学和工程方面的重大意义,那就很难下决心发射,即便勉强发射,也一定会被松鼠兄等鄙视
      因此,本着为“嫦娥四号”请命的初衷,希望大家集思广益,在尽可能不对嫦娥三号配置做大改动的前提下设想嫦娥四号如何能够做出有意义的工作,权当大家思路广一下,找个乐子。
    我先来抛砖引玉:
    如果嫦娥四号还是要落月科考,那么,着陆器+巡视器的结构组成不应改变,当然上面的载荷可以调整。
    着陆器上面的望远镜和紫外线相机应该不必再装,因为如果嫦娥三号上面的望远镜没有什么令人惊喜的发现,那么再带一台上去也没有什么意思,而如果嫦娥三号的望远镜有了值得重视的发现,那么下一步恐怕要上的也是大口径望远镜(其实我对望远镜这样的精密仪器能否经受落月的冲击震动很担心),而且观测效果多半也不如放在高轨道上。这样着陆器上面大约可以节省十几二十公斤的质量,也许可以换上一台月岩钻机,不过我以为月岩钻机真正应该安装的地方不是在着陆器上。而上应该放在月球车上。因为出于安全考虑,落月器多半选择平坦的月面着陆,而那里的地层可能比较普通,真正值得研究的地层往往在一些坑穴和山峰/深沟,两者互相矛盾。
    因此省下的这部分质量我建议用来加装一具多自由度多功能机械手:将全景相机从桅杆上移到机械手前端(取消桅杆),在落月成功后,机械手直立可以代替桅杆给相机提供更好的观测视野;在释放巡视器(月球车/玉兔)的时候,机械手可以当作吊车来使用,因为月球重力只有地球的1/6,机械手的负荷只要达到几十公斤既可,这样还可以取消目前嫦娥三号上用于释放玉兔的折叠楼梯(这个楼梯纯粹是一次性的机构,用完就成了冗余的废物),而且吊放的方式似乎比玉兔自己驶下楼梯要安全可靠的多。最后,当月球车带着采集的样本返回时,机械手可以承担接收并把样品仓转移进返回仓的任务;当上升器返回月球轨道与等待着的环月轨道器对接时,机械手可以做为辅助抱爪来使用(当然在嫦娥四号上可能没有后面这两部分),这样可以实现一物多用。
    最大的改动集中于月球车/玉兔。我设想的改动有:加大月球车的速度(越野速度到二十公里以上);增加月岩钻机;携带一只小型机动探测器(兔崽子)。
    有人说月球车的速度高低没有关系,因为它是科学考察的平台而不是赛车。我觉得这个说法还是有失偏颇的,因为月球车的速度决定了它在一定时间内所能探测的范围大小(因为月球车的寿命有限,因此速度也就在一定程度上决定了最终可能获得的成果多寡)!而且月球车速度的意义还不仅止于此,它的提升可以给月面考查提供一个能力的飞跃。我们知道,月球的直径大约为3475km,那么月球周长大约是10917km,而月球的自转周期大约是655小时(27个地球天,俗称一个月),简单计算可知月面自转速度仅为约16.67km/小时,这已经和人在地面骑自行车的速度相当了!!(美国1971年"阿波罗15号"携带的月球车重209公斤,载上两名宇航员后总质量应该在400公斤左右,最大速度16公里/小时)。以目前的技术,要研发一辆在月面越野速度大于20公里/小时、寿命行程几万公里的月球车应该不是什么难事。诚如是,则我们可以让该月球车在月球纬度线上与其“同步”行使!这样做的好处就是月球车始终处于一定的太阳光照角下,既不会太热需要午休避暑,也不必因缺乏日照要“冬眠”(目前嫦娥三号的实际有效工作时间不足1/4),着不仅极大地提高了月面勘察的效率,而且可以简化月球车的设计(因为可以减免“午休”避暑和“冬眠”保温的相关设计)。如果放一辆这样的玉兔在月面赤道上,我们完全可以在一个月球天(也就是地球上一个月的时间)了实现环游月球的梦想!不知道松鼠兄等对于这个设想可感觉过瘾?(虽然它更多还是工程上的挑战而非科学意义上的探索)。至于这个月球车的名字,可以叫做“华伦布”?或许叫做“新郑和”(虽然用个公公的名字有点不吉利,因为它隐喻着“下面没有了……”)。
    当然也许有人会讲:月面的地形崎岖起伏,没有现成的道路,也未必能沿着赤道走理想路线,但其实我们只要沿着月球的纬度线行走就可以了,这会使总的行程大大降低(相应也就降低了对于月球车速度的要求)。比如如果月球车选择45度的纬度线环绕月球,则月球车的行程和速度速度只要达到上述速度的0.7倍(11.8公里/小时左右),若选择沿60度纬度线环绕月球,更是只要上述数据的一半!。这应该足以抵消因地形需要绕道所产生的负面影响了。
    月岩钻机的重要性许多朋友都提过,我在上面也讨论过为什么这个钻机应该装在巡视器而不是着陆器上(因为只有这样才可以多点采样)。这里要说的另外一个原因是月球车上装有探地雷达,把钻机装在月球车上可以根据探地雷达的探测结果决定在哪里打钻和打多深(当然也许探地雷达要做适应性修改一提高探测精度)。除非嫦娥三号的经验证明探地雷达根本毫无用处(可能性不大,因为这个设备应该已经在地面上试用过了)。
    对月球车的另外一个根本性的改动是采取了“子母车线控”联合探测的概念。具体设想是:在目前的月球车(玉兔)上面负载小(微)型月球车(兔崽子),该车通过一条长达百米以上的多用线缆与玉兔相连,这条线缆不仅负责向小兔崽子供电,也负责两者之间的双向通讯联络,它还是兔崽子的保险绳,当兔崽子遇险时,玉兔可以通过绞车把兔崽子拉回身边。兔崽子身上只安装微型温度、磁场传感器,以及灯光和照相机,因此它的质量很轻(设想低于10kg类似儿童玩具车——1997年美国发射的“索杰纳”火星车包括太阳能电池仅11.5kg重;欧洲正在研发的微型月球车质量小于5kg)。如果必要兔崽子身上也可以考虑加装无线通讯设备用于和着陆器直接进行通讯联络,这主要是考虑到作为大月球车(玉兔)与着陆器间无线通讯设备的冗余(玉兔上面原先的冗余设备因此可以省了,总质量没有影响)。
    在平时兔崽子就搭乘在玉兔月球车上面兜风,当玉兔驶近预定探测地点的时候,就放下兔崽子,让它爬到目标跟前做精细探测。
    为了适应兔崽子频繁上下车的需要,玉兔上面需要加装一只吊车(就是着陆器上多功能机械手的简化缩小版)。
    在目前嫦娥三号的月球车研发中,行驶机构需要在行驶效率、机构重量和越野能力等多种月素条件之间做平衡折中,因此各方面可能都不是最优的。如果把他拆成“子母车”的方案,那么大月球车(玉兔)的行驶机构就可以侧重考虑行驶效率和减重而放宽对越野能力的考虑,而兔崽子则可以侧重越野性能而放弃行驶效率的顾虑(因为它自己要走的距离很短),这样不仅玉兔的速度可以提高,重量还可以减轻。而兔崽子因为不必顾虑行驶效率,可以采取过顶履带式等通过能力最佳的方案。甚至对于一些陡峭直立的坑穴,以前无论哪种月球车都无法深入就位探测的,现在也可以由玉兔用吊车把兔崽子吊放进去进行近距离探测了。

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幻翼ヤ天羽 发表于 2013-12-25 14:09 | 显示全部楼层
已经定了,嫦娥4号=阿波罗8号

不落月,到月球绕一圈,再飞回地球
格兰蒂亚 发表于 2013-12-25 21:55 | 显示全部楼层

RE: 关于嫦娥三号备份探测器(嫦娥四号)改进的设想


嫦娥四号还没确定具体工作,不排除改名为萤火二号的可能,还有那个验证环绕月轨并返回地球的可不是四号
杨林 发表于 2013-12-25 22:18 | 显示全部楼层
月球上飙车的梦想不错,嫦娥4号应该搞不定,可能连月球车都木有。
StdNormDist 发表于 2013-12-25 22:30 | 显示全部楼层
幻翼ヤ天羽 发表于 2013-12-25 14:09
已经定了,嫦娥4号=阿波罗8号

不落月,到月球绕一圈,再飞回地球

记者的科技知识不一定完善,可能记岔了,先打个问号
ATM存款机 发表于 2013-12-25 22:33 | 显示全部楼层
嫦娥四号可以考虑去水星,水星和月球比较类似。
StdNormDist 发表于 2013-12-25 22:35 | 显示全部楼层
我来说说我的想法:嫦娥四号可以降落在月球南极,这样通信可能不太好,可以发射个实践系列卫星充当中继器,待CE-4任务结束后,试验卫星返回地球,释放着陆器,验证弹跳式返回技术
mir-2 发表于 2013-12-26 00:10 | 显示全部楼层
着陆器机械臂+相机的点子不错,可以省去地形地貌相机的桅杆,在原有位置放置机械臂。
sinofair 发表于 2013-12-26 09:08 | 显示全部楼层
我觉得嫦娥四号:月球车验证机械臂和取样装置,着陆器验证燃料月球环境存储和再次起飞技术,就可以了
clarksun 发表于 2013-12-26 11:20 | 显示全部楼层
有嫦娥二号的榜样在前,四号去尝试完全不同的任务是很有可能的
知之者 发表于 2013-12-26 13:46 | 显示全部楼层
看了不少月球车设想,我也设想下吧:有没有可能四号上去后落在三号不远··两辆车协同完成一些科学探查,相互保持通讯且与嫦娥四号一起完成一些实验(四号肯定会有不同的设备)····
clarksun 发表于 2013-12-26 16:40 | 显示全部楼层
知之者 发表于 2013-12-26 13:46
看了不少月球车设想,我也设想下吧:有没有可能四号上去后落在三号不远··两辆车协同完成一些科学探查,相 ...

     分析了一下觉得,登陆水星和金星,都不太可能。水星离太阳太近,入轨需要过多的能量,而金星500度的温度,环境条件过分恶劣了。火星虽然是个不错的选择,但是立项和窗口的原因,短期内估计没戏,等到2018年,那时嫦娥5号都发射了。
    参考嫦娥二扩展任务创造了世界第一,大家应该想想,能不能利用嫦娥4号的剩余价值,做些别人没做过的事情,再来一次第一,这应该才是中国航天真正想要的。比如巡视器能开上小行星的话,那就是世界上第一台“小行星车”,但是测控是个问题。再有,要是把月球车换成2足机器人的话,那就第一个月球机器人了。至于,奔月返回,月面上升这些试验后续都会有相关项目来实现,没必要重复进行了。
楠宫晓风vn 发表于 2013-12-26 17:04 | 显示全部楼层
clarksun 发表于 2013-12-26 16:40
分析了一下觉得,登陆水星和金星,都不太可能。水星离太阳太近,入轨需要过多的能量,而金星500度的 ...

小行星?近地小行星都太小,状态更接近潜水,玉兔站不住……
小行星带?谷神星什么太远,太阳能量不够……
linmy 发表于 2013-12-26 17:13 | 显示全部楼层
本帖最后由 linmy 于 2013-12-26 17:29 编辑
clarksun 发表于 2013-12-26 16:40
分析了一下觉得,登陆水星和金星,都不太可能。水星离太阳太近,入轨需要过多的能量,而金星500度的 ...

改成小行星探测器是个好主意。其它行星探测不太合适,比如火星探测,嫦娥四号的现有设计有没有办法落火星,如果仅仅是绕火的话,玉兔车浪费了。如果月兔车真能够小行星上走起来的话,应该算世界第一了吧。并且载荷都可以不变。关键是要大小合适,有一点重力,要不能稍有风吹草动都要跑掉了。有没有合适的小行星 啊?
StdNormDist 发表于 2013-12-26 17:30 | 显示全部楼层
linmy 发表于 2013-12-26 17:13
改成小行星探测器是个好主意。其它行星探测不太合适,比如火星探测,嫦娥四号的现有设计有没有办法落火星 ...

如果着陆小行星的话,着陆机构要修改一下。考虑到小行星重力几乎为零,着陆器的着陆机构和巡视器的轮子要有附着能力
KevWang 发表于 2013-12-26 17:48 | 显示全部楼层
linmy 发表于 2013-12-26 17:13
改成小行星探测器是个好主意。其它行星探测不太合适,比如火星探测,嫦娥四号的现有设计有没有办法落火星 ...

最大的谷神星的表面重力是0.27米每秒平方。。。不过应该可以,谷神星和智神星都可以考虑。智神星是个B型小行星,逃逸速度0.18米每秒平方,是太阳系最大的不规则天体,很有看点。
Lsquirrel 发表于 2013-12-26 18:59 | 显示全部楼层
linmy 发表于 2013-12-26 17:13
改成小行星探测器是个好主意。其它行星探测不太合适,比如火星探测,嫦娥四号的现有设计有没有办法落火星 ...

着陆小行星的话,去主带小行星运力不够,去近地小行星基本没大个的,再说还有窗口限制,这个基本做不了的
Lsquirrel 发表于 2013-12-26 19:15 | 显示全部楼层
本帖最后由 Lsquirrel 于 2013-12-26 22:18 编辑

高速月球车很不现实,不过小型复杂地形月球车还是有指望的,看看美国的MoonRise:
MoonRise.JPG
ALHAT的自主着陆功能和CE3差不多,也算是月球探测上领先美国人一回。Axel倒是符合你的想法,不过更保守

MoonRise-Orion.JPG
要说现实一些,我觉得加一个取样分析机械臂就不错了,着陆器和巡视器都有机械臂,落到一个潜在科研价值更大的地方,比如Aitken盆地,已经足够了。
Aitken Basin.JPG
Aitken盆地也是日本印度规划的着陆器想去的地方,不过他们的着陆器,恐怕比我们的嫦娥五号取样返回探测器发射的还晚。既然我们第一次为了稳妥成功选在了雨海,那么在印日之前去Aitken盆地总是可以的,只要别太靠近南极点,也可以找到几个比较平坦一些的地方,看看水冰到底有没有,有多少,观测一下极地不同地点的日照情况,轨道上得来的数据毕竟还是不太靠谱

点评

还是松鼠的提议靠谱啊:)  发表于 2013-12-27 10:40
 楼主| spacedog 发表于 2013-12-26 22:12 | 显示全部楼层
米鳖“阿波罗15号”所携月球车“巡游者1号”(有人驾驶)重209公斤,最大速度16公里/小时,基本已经可以满足在月面上“追逐太阳脚步”的要求了(只要沿纬度线环月即可)。不过该车是用电池而非太阳能帆板供电。
    也许有人觉得月面飙车没有科学意义,但我觉得在现实中还是很有意义的。比如,它在环月勘查的过程中可以预选平坦坚实且靠近有详细考查科学意义地质地貌的地点作为将来无人或载人登月舱的着陆点,利用车辙在上面碾压出“到此一游”或者“自古以来”的印迹(因为月球无大气和风雨,印迹可以保存很多年不变),作为日后着陆的地标……

点评

就算真能做出可以飙车的月球车,那也需要再打两颗月球同步卫星,不然飙车到月背怎么办。  发表于 2013-12-27 10:40
Lsquirrel 发表于 2013-12-26 22:21 | 显示全部楼层
spacedog 发表于 2013-12-26 22:12
米鳖“阿波罗15号”所携月球车“巡游者1号”(有人驾驶)重209公斤,最大速度16公里/小时,基本已经可以满足 ...

你要考虑到阿波罗携带的月球车很大,还是有人驾驶,所以容易高速,玉兔这种小东西,连20厘米的崎岖地形或大石块都过不去,自主避障就是大问题,2年内要搞定难度太大了
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