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学校隆重举行现代工程技术实验教学楼开工奠基仪式
首页 > 校情总览 发布时间:2019-10-18 20:03:32
    科学时报(http://www.sciencenet.cn/) 2007-12-07(祝魏玮)报道:科学网专题:聚焦中英科技合作 中英科技合作聚焦之六:锁定探月工程 下一站是月球车!
我国科学家设计的实验室月球车样机  
萨里空间中心主任MartinSweeting(左)与北京工业大学电控学院副教授居鹤华
    居鹤华:1969年生,2003年7月于哈尔滨工业大学飞行器设计专业博士研究生毕业。目前在北京工业大学工作。主要从事有关智能控制与信息处理等方面的研究工作。

    英国皇家工程学会执行主席、萨里空间中心主任Martin Sweeting在接受《科学时报》采访时,恰逢英国研究理事会中国代表处在北京成立,在他怀里揣着的一张行程单上,还记有另外两件事:参加北京一号卫星两周岁庆典,与北京工业大学谈月球车的进一步合作事宜。  
    Sweeting似乎对后两件事更感兴趣,说起来滔滔不绝。 
  
    从小卫星到月球车 
  
    2003年,萨里空间中心签下了来自中国的一份合同:北京数字工程的重大项目――高性能对地观测小卫星北京一号,该卫星已于2005年10月27日下午在俄罗斯普列谢斯克卫星发射场成功发射。   
    北京一号近地轨道686千米,预计在轨寿命5年以上。卫星研制的主要出资者为中国科技部,由北京宇视蓝图公司负责具体运作。它携带有分辨率为4米的全色相机和分辨率为32米的多光谱相机,扫描宽度分别达24公里和600公里,并将直接服务于2008年北京奥运会。此外,北京一号的多光谱相机将应用于“国际灾害监测卫星网计划”(DMC)。   
    两年来,“北京一号运行良好,祝北京一号两周岁生日快乐。”Sweeting打趣地说。他还饶有兴趣地讲述了北京一号的一次光荣纪录:一次,中国西藏自治区发生泥石流,把通往印度的一条河堵上了。印方怪罪是中方的故意行为,而中方利用北京一号拍到的实际照片,最终澄清了事实。   
    “10年来与中国的合作有什么感想?”   
    记者的话音未落,Sweeting忙说:“No,No,不是10年,而是16年。”   
    早在1991年,Sweeting已经来到中国,并访问了30多家科研机构。Sweeting说:“我花了5年多的时间走遍了中国,挑选合作对象,最后选中了清华大学等高校以及中国科技部。当然实质性的合作是在10年前,但在此之前,我们和中国多家单位达成过合作意向。”   
    1998年7月,萨里空间中心签下第一份来自中国的合同,客户是清华大学。清华派出10人的技术团队远赴萨里空间中心学习研制小卫星。两年后,清华一号小卫星成功发射。   
    截至目前,萨里空间中心已经为多个国家研制了28颗小卫星,其中与中国合作制造了3颗小卫星。2002年,Sweeting被英国女王授予爵位。   
    2005年,随着各国探月风的兴起,萨里空间中心以及Sweeting本人都发现了月球这一市场,进而凭借空间工程技术的优势开始关注月球车的开发。中国探月计划的实施更加印证了Sweeting的这一想法,并随即转向与中国合作。 
  
    一次国际合作的偶然结缘 
  
    萨里空间中心和北京工业大学在月球车上的合作,还要追溯到北京工业大学的另外一次国际合作。  
    如今已是北京工业大学电控学院副教授的居鹤华,从2000年在哈尔滨工业大学攻读博士学位期间就开始从事月球车的研发,2003年,他在北京工业大学读博士后,留校后继续承担月球车的研发工作。2004年,居鹤华带领的课题组与奥地利空间研究院进行合作,申请了欧洲空间局(ESA)的研究课题,对月球车登陆后的泥土样本采样系统进行研究,奥方科学家出于技术需要又与萨里空间中心合作,并采用了萨里空间中心的专利技术――微型深空探测钻。   
    从奥地利科学家那里得知北京工业大学从事月球车研究的萨里空间中心,随即派人到北京工业大学考察,并回去向Sweeting汇报考察情况。   
    中英两国政府和科学界似乎也嗅到了两国空间科学界合作的气息,感受到了进一步合作的必要性,2005年1月、2006年3月,中英两国航天机构部长级会议和中英空间科学与技术合作研讨会相继召开,中英两国政府高层签署了在航天领域合作的协议。   
    借助会议的契机,萨里空间中心和北京工业大学也有过多次接触。2007年7月,Sweeting来到北京工业大学,对居鹤华的实验室进行为期4天的访问。   
    居鹤华说:“他们非常积极,几次商谈过后,我们已经达成了初步合作协议,并确定了月球车研发的大致时间表。”   
    居鹤华解释说:“今年年底,我们将完成第二部月球车原理样机(BH2)的装配与调试,明年夏天可以在野外作测试,进而于年底与英方进行联合测试。如果实验方案可行,就可以开始进入工程样机研制阶段。” 
  
    小型化与大趋势 
  
    我国探月二期将发射软着陆器和月球车,并对月球进行精细探测。   
    居鹤华说:“我国探月二期工程尚未开始全面运作,相关预研工作也没有全面开展,月球车工程方案自然也没有完全确立。但由于我们已经开展大量研究工作,并取得了一定的研究成果,而英方在微型化方面具有重要优势,中英在探月二期以及月球车上的合作有很好的前景。”   
    居鹤华说:“月球车是满足月球环境、科学目标、探月的测发控及地面应用系统技术要求的半自主式移动机器人,同时也是一个现代深空探测器。我国大运载火箭于2012年左右才能服役于月球探测,受我国现有的火箭推进能力及发射成本等限制,月球车小型化技术无疑是一大趋势。”   
    居鹤华将记者领到了他设计的实验室月球车样机前说:“在探月二期工程中,有些科学家认为月球车的重量应为200公斤,但是考虑到我国火箭的吨位,这一方案未必可行。我们的实验室样车已经将体重减到了40公斤,长度为1.1米,宽度为0.85米,6个轮子均可以收拢,国内其他单位没有这样的设计。” 
    居鹤华说:“月球车缩小了,科学目标并没有缩水。月球车行驶的速度虽然降低了,但是所行驶的路程没有变,我们设计的速度是20厘米/秒,理想状态可以达到30厘米/秒。爬坡的高度为32厘米,是车轮直径的1.5倍。实现同样的科学目的,苏联的月球车重量是800多公斤,车长约为2.8米。”   
    萨里卫星公司及萨里空间中心以小卫星及微、纳卫星闻名于世。北京一号卫星的重量为166公斤,清华一号小卫星的重量仅为50公斤。   
    小卫星是1000公斤以下的卫星。Sweeting举例说:“普通卫星,从有设计想法到发射需要8~9年的时间,就像手提电脑,尽管七八年以后仍然能用,但是功能已经落伍了。”  
    Sweeting将他们制造的小卫星分为4级:迷你级、微观级、纳米级、次纳米级,重量分别为,300~400公斤、100公斤、10公斤和几公斤。   
    Sweeting说:“我们还在做信用卡大小的小卫星。不仅体积要小,更重要的是成本要低,建造时间也要短。我们的小卫星成本是普通卫星的1/3到1/4,一年到一年半的时间就可以造成。” 
  
    没有互补 合作只是空谈 
  
    居鹤华说:“在合作中,对方看中的不只是你的论文数量和专利拥有量,更关注真正有用的技术及月球车工程进展程度。如果没有双方的互补性,合作则成为空谈。我们有较强的月球车导航与控制理论基础,先后开发了第一代与第二代月球车实验样机,而萨里空间中心拥有先进的工程化技术,这正是合作的基础。”  
    2003年以来的短短4年,居鹤华的课题组承担了4项有关月球车的“863”课题,解决了多个月球车研发科学技术难题。   
    月球没有磁场,是慢自旋的,月球车无法依靠磁罗盘及陀螺进行位姿确定,如何解决这一难题呢?   
    居鹤华说:“探月卫星可以依靠甚长基线干涉测量(VLBI)定位,但是月球车一旦着陆,可能会受到障碍物的阻挡,测控也就变得困难。2003年我们提出的课题――‘基于太阳罗盘与惯性单元的月球车位姿自主确定技术’目的正是为了解决这一问题。”   
    居鹤华课题组研发的BH2型月球车,主要是通过自行开发的月球太阳罗盘及月球垂直陀螺进行位姿自主确定。其中月球太阳罗盘不仅具有高精度的太阳观测能力,而且能够克服月球粉尘黏结等造成的影响。在精确的姿态确定基础上保证了月球车能够进行长时间的局部位置确定。在VLBI技术配合下,能够解决月球车位姿确定的难题。   
    “除此之外,我们还赋予月球车自主能力。当发出月球车要执行的任务指令后,它可以自主地进行障碍识别、路径规划、运动规划及牵引控制。”居鹤华指着一个圆柱状设备说:“这是‘六维力传感器’,它可以检测月面的路况,对月面泥土参数进行识别,并将信息传给控制系统,从而判别松软的月面是否具有足够的承载能力,并为牵引控制系统提供了必要的力学参数。”   
    “这是激光立体识别系统,这是……”   
    “这些科学难题,我们都进行了严密的论证,并进行了实验,但是我们工程化制造技术不强,而英方具有突出的优势。”居鹤华坦陈。   
    互补性见证了合作的意义,月球车取样分析系统即是双方优势互补的典型之作。萨里空间中心有一项专利技术――基于仿生原理的微型深空探测钻探取样,这是依据黄蜂的产卵器工作原理研制的一种适用于深空探测需求的新型钻探取样系统。   
    Sweeting说:“月球引力仅为地球的1/6,在月球上使用传统螺旋式钻头会把月球车整体旋转起来。而根据黄蜂产卵原理制造的钻头可以将自身的外加力降至最小,保证在不依赖于重力的条件下完成钻探功能,钻孔深度达2米左右。”  
    居鹤华说:“小型化、低功耗更是这一新型系统的优点,非常适合在月球车上使用。我们也就这项合作研究申请了相关课题,萨里空间中心负责深空探测钻探系统结构设计与加工,北京工业大学负责深空探测钻探系统的控制系统实现与测试。” 
  
    合则互利 
  
    谈及合作前景,居鹤华说:“第一步先走出去,技术合作对双方都有好处,可以令我们开阔眼界,也有利于双方人才的交流互动。”   
    Sweeting 在萨里空间中心培养了40个博士生,其中有6个是中国人。   
    “双方的人才也有一定的互补性,中国人的思维比较彻底和深入,英国人不擅长分析但是善于想象。如果遇到问题,英国人会分成小块,用不同的方案解决,而中国人则善于将问题分析透彻,两种思维结合起来就能做成大事情。如果我们和法国人、意大利人合作,思维就没有互补性了。”Sweeting笑着说。   
    居鹤华说:“我们既可以联合申请英方的科研课题,欧空局的项目我们也希望参与,萨里空间中心也希望与我们一道申请我国政府的科研课题。和萨里空间中心的合作感觉很顺利,英国从政府到大学再到公司口径都很一致,月球车本身就属于民用航天领域,因而在合作上不存在障碍。更关键的是,探月工程包括将来的其他深空探测计划,都不是哪个国家能够单独完成的,需要更广泛的国际合作。”  
    Sweeting也表示:“英国也有自己的探月计划――月光计划,打算发射4个飞镖一样的航天器进行对月探测。由于资金问题,英国不可能自己单独执行航天计划,但可以发挥自己的优势,参与国际合作。再过20年,相信世界会有更多的国家有登月计划,甚至在月球上建立永久建筑。我们则可以以低成本的优势和适当的方式参与进去,这是一种纯粹的合作,可以集中力量做大事。”  
    “我们对中国的探月工程很感兴趣。”Sweeting并不讳言。  
    采访中,记者还获悉,12月9日,萨里空间中心的科学家将会再次访问北京工业大学,这次他们要谈的是更为具体的合作细节!

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