中國月球車

劉宇

2013年12月2日凌晨，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功將肩負(fù)首次登月任務(wù)的探測器“嫦娥”三號送入軌道，由著陸器和“玉兔”號月球車組成的“嫦娥”三號于12月中旬在月球“虹灣”區(qū)軟著陸。這是中國第一次將自己設(shè)計(jì)的月球車送上月球。“玉兔”號月球車究竟什么樣？它與國外的月球車有哪些不同？它將完成哪些科學(xué)任務(wù)？

“玉兔”——世界上第6臺被送上月球的“月球車”

月球車，學(xué)名“月面巡視探測器”，是一種能夠在月球表面行駛并完成月球探測、考察、收集和分析樣品等復(fù)雜任務(wù)的專用車輛。月球車可分為無人駕駛月球車和有人駕駛月球車。至今為止，國外發(fā)射并成功運(yùn)行的月球車有5輛，其中兩輛是無人駕駛月球車，是蘇聯(lián)在20世紀(jì)70年代發(fā)射的“月球車”1號和2號；3輛是有人駕駛的月球車，是美國“阿波羅”15號、16號、17號的月球車。有人駕駛的月球車主要作為一個(gè)交通工具，擴(kuò)大航天員在月球上的活動范圍，上面基本沒有什么儀器，由航天員駕駛行駛起來也相對容易一些。無人駕駛月球車難度更大，因?yàn)樯厦嬗泻芏鄡x器，要保證月球車在無人的狀態(tài)下行駛，儀器能正常工作。1970年11月17日，世界上第一臺無人駕駛月球車“月球車”1號在月面“雨?！钡貐^(qū)著陸。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，車上所搭載的有效載荷偏少，在月面移動以遠(yuǎn)程遙控操作為主，不能自主避障行走。40多年過去了，由于材料、能源和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，無人月球車在輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱控、導(dǎo)航控制等方面取得了很大的進(jìn)步。中國的“玉兔”號月球車是無人駕駛月球車，質(zhì)量約140千克，與蘇聯(lián)的月球車相比是“小個(gè)子”?！坝裢谩碧栐虑蜍囀俏覈罡咧悄軝C(jī)器人，它能完全自主導(dǎo)航，在月球上可以根據(jù)照相機(jī)拍到的四周情況，自己決定該走哪條路、怎么走；可以自主避障，如果前面有大石頭擋住了，它過不去了，知道怎么避開這個(gè)障礙；還可以自動上坡下坡。另外，“玉兔”號月球車可以指揮身上的儀器探測月球。

為什么制造月球車需要高難技術(shù)？

月球上的環(huán)境與地球是完全不同的，地球上使用的普通車輛到了月球就“英雄無用武之地”了。制造月球車是一項(xiàng)高端科技，必須要解決以下難題。

第一難題：重力問題。

月球重力是地球的1/6，這意味著，質(zhì)量為50千克的東西，在地球上所受重力約500牛，到了月球表面則變成約80牛。 月球上的重力很小，車輛顯得很輕，因此很容易翻。重力減小的同時(shí)，車輛和月面的摩擦力也減小了，對車輛的控制會變得很困難，加上月面的地形復(fù)雜，浮塵又很厚。這些因素都使得車輛在月球上運(yùn)動時(shí)變得十分不穩(wěn)定。

第二難題：路況。

月球表面崎嶇不平，有石塊、有隕石坑，還有坡。在這種情況下，設(shè)計(jì)的輪子便需要克服重重障礙，既不能打滑，也不能翻車，必須做到前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、爬坡，樣樣在行。

第三難題：溫度。

月球表面白晝時(shí)溫度高達(dá)120多攝氏度，黑夜時(shí)低至零下180攝氏度，溫差超過300攝氏度。月面上如此急劇變化的溫度環(huán)境會使橡膠迅速老化，因此月球車輪胎要使用特殊材料，克服溫差。

第四難題：智能。

月球車是個(gè)智能機(jī)器人，需要具備獨(dú)立處理各種環(huán)境的能力。由于距離太遠(yuǎn)，無法通過遙控的方法處理反饋信息。月球車需要配置若干個(gè)傳感器，這些傳感器在得知周圍環(huán)境、自身姿態(tài)、位置等信息后，通過地面或車內(nèi)裝置，形成三維地形圖，勾畫出到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的路徑，并導(dǎo)航控制月球車走到目的地。

第五難題：電力供應(yīng)。

月球的自轉(zhuǎn)引起月面的晝夜變化。月球上一天的時(shí)間，大約相當(dāng)于地球上的28天。因此，月球晝夜間隔大約相當(dāng)于地球上的14天。也就是說，登上月球以后的月球車，依靠太陽能電池最多可以連續(xù)工作14天，進(jìn)入月夜以后，它由于無法通過光能發(fā)電，進(jìn)入休眠狀態(tài)。14天后，又能自動醒來。

“玉兔”號著陸地點(diǎn)為何選在“虹灣”區(qū)？

這次“嫦娥”三號的月球著陸區(qū)“虹灣”，并不是真的海灣，而是像彩虹一樣的巨型隕石坑壁。月球上有很多地方以“海”和“洋”命名。古人望月，以為看到的是海，其實(shí)不是?！昂鐬场眳^(qū)位于月球北緯43度左右、西經(jīng)31度左右，南北長約100千米、東西長約300千米。

專家認(rèn)為，之所以選擇在“虹灣”區(qū)落月，是出于多種綜合因素的考慮：一是這里比較平坦，落月比較安全；二是美蘇的探測主要集中在月球赤道附近，“虹灣”仍是月球研究的空白，探測該區(qū)域非常有科學(xué)價(jià)值；三是能實(shí)現(xiàn)正面直接測控通訊；四是太陽光照較好，能保證探測器的太陽能電池板正常工作。

“玉兔”號如何在月球表面如履平地？

月球重力是地球的六分之一，表面土壤非常松軟，凹凸不平。盡管整體來講“虹灣”地區(qū)比較平坦，但月球表面千萬年來經(jīng)歷隕石撞擊，遍布大大小小的隕石坑和石塊。為了避免在月球上“摔跤”或“崴腳”，“玉兔”號月球車有6個(gè)特制的輪子，而且移動很慢——每小時(shí)最多走200米。這個(gè)輪子學(xué)名叫作篩網(wǎng)輪，能夠盡可能減輕重量。另外，這個(gè)車輪在設(shè)計(jì)上必須要有很大的接觸面積，摩擦系數(shù)也要很大，這樣它在月面才不會陷進(jìn)去，也不容易打滑。由于輪子是網(wǎng)狀的，所以一邊行駛一邊可以把沙子漏掉。除了表面用篩網(wǎng)，輪子每隔一段就會有一個(gè)鋸齒形的結(jié)構(gòu)，叫作棘爪，就像是兔爪上的指甲。月球上本沒有路，這些尖利的小爪子能夠幫助“玉兔”號月球車穩(wěn)穩(wěn)地抓住月面，跨過溝溝坎坎。遇到地面不平的情況時(shí)，“玉兔”號月球車會通過搖臂調(diào)整重心。如果遇到較大的坡，它就會繞過去?！坝裢谩碧栐虑蜍囉?只“眼睛”，分別是全景相機(jī)和導(dǎo)航相機(jī)。它通過相機(jī)“觀察”周圍環(huán)境，對月面障礙進(jìn)行感知和識別，然后對巡視的路徑進(jìn)行規(guī)劃。遇到超過20度的斜坡、高于20厘米的石塊或直徑大于2米的撞擊坑，月球車能夠自主判斷并安全避讓。

“玉兔”號如何克服月球上的溫差挑戰(zhàn)？

由于月球上的一天約相當(dāng)于地球上的28天，其中約14天會被太陽連續(xù)暴曬，月球車面臨散熱難題；接下來的約14天又是連續(xù)月夜，在零下100多攝氏度的環(huán)境里，大部分電子設(shè)備無法工作，只能“冬眠”，還需要專門設(shè)備保持月球車的內(nèi)部溫度，防止設(shè)備被凍壞。要讓探測器同時(shí)適應(yīng)這兩種極端溫度，難度非常大。而且一旦夜晝交替，探測器還要從“冬眠”狀態(tài)中被“喚醒”，如何保證系統(tǒng)正常啟動也是道難題。endprint

“玉兔”號月球車身披“黃金甲”，目的不是為了好看，而是為了反射月球白晝的強(qiáng)光，降低晝夜溫差，同時(shí)阻擋宇宙中各種高能粒子的輻射，從而支持和保護(hù)月球車上的紅外成像光譜儀、激光點(diǎn)陣器等10多套科學(xué)探測儀器。

按照科研人員的精心設(shè)計(jì)，“玉兔”號月球車與人類的作息制度一樣，也是日出而作、日落而息，白天還要午休，只不過它每天的工作時(shí)間相當(dāng)于地球上的14天，然后又會一覺睡14天。

漫漫長夜之后，“玉兔”號月球車怎么才能立刻點(diǎn)火工作呢？它需要一床御寒的“被子”和一個(gè)叫它起床工作的“鬧鐘”。承擔(dān)這兩項(xiàng)功能的是它的供電系統(tǒng)——太陽翼。專家介紹，晚上，“玉兔”號的桅桿會收起來，太陽翼也會扣上，這個(gè)過程相當(dāng)于把月球車散熱的途徑隔絕掉了。然后，當(dāng)太陽升起，到達(dá)5度的高度時(shí)，巡視器就被喚醒了，進(jìn)入到第二天白天的正常工作。

對一些特別嬌嫩的設(shè)備，月球車內(nèi)還專門準(zhǔn)備了“暖寶”——核電池。由于月球晝夜要半個(gè)月交替一次，低溫時(shí)月球車上的所有的儀器全部要凍壞，普通電池?zé)o法應(yīng)對?！坝裢谩碧栐虑蜍噷?shí)際上在同時(shí)使用太陽能和核能作為能源。黑暗中的月面，溫度驟降到零下100多攝氏度，為防止車載儀器被凍壞，休眠中的月球車就得靠核電池的能量來保溫，并維持與地面的通訊。而一旦新一個(gè)白晝來臨，太陽能電池就能重新驅(qū)動月球車工作。這項(xiàng)技術(shù)將使我國成為繼美俄之后，世界上第三個(gè)將核動力應(yīng)用于太空探測的國家。

“玉兔”號月球車將肩負(fù)哪些科學(xué)任務(wù)？

“嫦娥”三號在月球軟著陸后，“玉兔”號月球車將駛離著陸器，在月面進(jìn)行3個(gè)月的科學(xué)勘測，著陸器則在著陸地點(diǎn)進(jìn)行原地探測?！坝裢谩碧柕撞堪惭b了一臺測月雷達(dá)，可發(fā)射雷達(dá)波，探測二三十米厚的月球土壤結(jié)構(gòu)，還可以對月球下面100米深的地方進(jìn)行探測。

在月面巡視勘察過程中，“玉兔”號月球車可以利用相機(jī)對周圍環(huán)境進(jìn)行感知，并將數(shù)據(jù)傳回地面。地面控制中心利用環(huán)境數(shù)據(jù)和月球車狀態(tài)信息進(jìn)行建模、分析和規(guī)劃，并對規(guī)劃進(jìn)行運(yùn)動仿真和驗(yàn)證，并把通過驗(yàn)證的控制指令再上傳給月球車。月球車將執(zhí)行控制指令，并自主完成近距離障礙識別和局部路徑規(guī)劃，利用攜帶的儀器進(jìn)行科學(xué)探測。根據(jù)科學(xué)探測的需要，以上過程循環(huán)往復(fù)。依靠先進(jìn)的設(shè)備，“玉兔”號月球車能夠?qū)ρ惨晠^(qū)月表進(jìn)行三維光學(xué)成像，對月表進(jìn)行紅外光譜分析，開展月壤厚度和結(jié)構(gòu)的科學(xué)探測，對月表物質(zhì)主要元素進(jìn)行現(xiàn)場分析，等等。它傳回來的數(shù)據(jù)，將幫助我們更加準(zhǔn)確、更加直接地了解那個(gè)神秘美麗的月亮。此次“嫦娥”三號任務(wù)完成后，月球車和著陸器會永遠(yuǎn)留在月球上。endprint