創造中的中國月球車

中國科學院院士、中國月球探測首席科學家歐陽自遠曾經在2007年表示，中國已完全具備開展月球探測的能力，并計劃在13年內實現不載人月球探測計劃。2012年，中國月球探測“嫦娥工程”中最重要的角色月球車將在月球上的某個月海登陸。在2006年10月31日開幕的第六屆中國國際航空航天博覽會(珠海航展)上，中國月球車首次現身。在實驗室里，這個重要角色的學名是“月球探測遠程控制機器人”。

月球車的職責

作為登月探測的一個重要實施者，月球探測車是中國月球探測工程中的一個重要項目。月球車自主研究開發的意義在于：它是著陸探測和取回樣品的關鍵工具，是長期實地考察的需要，為未來深空探測奠定技術基礎，可大大節省探測成本。

“嫦娥工程”三期無人探月計劃中，在第一期“繞月探測工程”實施的過程中并沒有月球車的身影。它要到第二期“落月”時才會露面，并在隨后的一段時間里和第三期“返回”中大展身手。2009年～2015年，中國將進入“嫦娥工程”第二期，屆時將進行兩到三次的軟著陸巡視勘查，其中2012年向月面發射一個軟著陸器的計劃已經基本確定。

按照這一計劃，軟著陸器將攜帶載有攝像機和多種探測儀器的月球車。在月球表面巡視勘查，為建立月球基地收集基本數據資料。為中國探月工程做出貢獻。目前中國進行此項任務的技術實力、物資條件和經濟實力都已基本具備。

第三期工程大約在2010年～2017年展開，月球車將再次登陸月球。這一次它不僅要采集月壤和巖石的樣本，還要搭乘返回艙重返地球。

月球車技術復雜

顧名思義，“車”不僅要能移動，還能承載一定的重量。在這一點上，地球車、月球車都一樣。但是，月球車的應用范圍和性能要求，又與地球車大不相同。它不但要具備在低重力情況下前進、后退、轉彎、爬坡、取物、采樣和翻轉等基本功能，還必須具備識別、爬越、繞過障礙物、在月球上采集月壤并運載回指定地點等人工智能。

2007年3月，中科院自動化研究所專家表示：相對于美國有人駕駛的月球車技術，中國采取的是無人月球車技術路徑。月球車須攻克溫差、能源、防塵、輻射、重力等數道難關。月球沒有大氣層，溫度變化由陽光直接決定，日間溫度可達130％，夜間溫度則-會降至-150度，這對月球車幾乎所有零部件提出很高要求。為此，月球車專門配備有“熱控”單元，如同一部強力空調，適時“打冷氣、供暖氣”。

月球自轉一周是28天，一個夜晚相當于地球上的14天。要度過漫漫黑夜，月球車無法靠太陽能帆板來供電，除需在白天儲電外，還要攜帶體積小、能量大的“核電池”。再次，月壤由大量細微顆粒組成，有些微粒還帶有靜電，這種“灰塵”可能進入甚至覆蓋月球車所載儀器設備。另外，月球車完全暴露在多種宇宙射線下，所受重力也只有地球的1／6，這些設計條件在地球上都很難模擬。既是“勘探員”又是“攝影師”，月球車要身兼數職。

月球車系統由多個部分構成，將采用“六輪搖臂式”行走機構，各只輪子可同時適應不同高度，是一位“爬行高手”；在其桅桿上，將安裝攝像頭、感應器、天線等多種探測、導航、通訊設備；它還有一條機械臂，能在月壤、月巖中勘探取樣，供現場檢測。

考慮到地月之間相距38萬千米，星際通訊約有3秒時滯。與火星車相比，月球車對星際通訊的要求不高，火星車時滯需要20分鐘。但是，月球車要比火星車面臨更糟糕的空間環境。月球車不僅接受地面遙控，也是具有一定自主能力的機器人系統。比如，它可與地面人員共同通過直播式的鏡頭，尋找行進路線，遇石躲開，遇坑避開，每一步都要慎重，比人的步行速度還慢。在10千米活動范圍內，月球車將不定時地把全方位圖像和勘測數據傳回地球，供科學家們合成和分析。

月球車的設計可帶動中國機器人、智能車輛、科學探測等相關技術和產業的發展；培養大批未來宇宙探測車研發和制造的后備人才。二期計劃中運用的月球車，將采用全國招標的方式來選擇，目前中國已經有10余所科研院所和高校參與了角逐。

哈爾濱工業大學副校長鄧宗全前后共制作了4輛月球車原理樣機，以適應不同的月面環境。其中一款“六輪搖臂轉向架式”是仿制美國“阿波羅”飛船帶上月球的“索杰娜”型月球車制成的，它的車身是以超靜定的方式向各個車輪分配重量，車輪與月面接觸點的位置可以自由調整。這款月球車在平穩性、抗顛覆能力和越障能力方面都有上佳表現。最初的4輛原理樣機都是學習型的，讓科研人員去理解和掌握國際的先進車型。接著他們會推出3款“更接近實用的樣車”。這3款新車將更多地融入哈工大自主創新的技術。在他們舊的設計方案中，已經有一款是擁有自主知識產權的“兩輪并列式”月球車，它的特點是結構簡單、重量小。航天器上可以一次搭載多個這樣的月球車，分別執行不同的任務。

上海交通大學則啟動了一項“吳剛”計劃，加速月球車的研究。“吳剛”計劃在上海交通大學空天技術研究院的平臺上，集中了交大3個實力最強的學院和7個相關研究所，其中有11位博士生導師和數十名各專業高級科研人員。成立于1985年的上海交大機器人研究所，是中國最早從事機器人技術研發的專業機構之一。自1997年起，該所開始對月球車-及其關鍵技術進行有針對性的探索研究，并取得了不少成果，先后制作了6輛各有特色的登月車。

由于月球車系統復雜，因此任何一個部門和單位都無法獨立承擔完成，而所要投入的時間也很漫長。專家指出，目前國家還沒有正式啟動月球車計劃，各高校研發中的月球車沒有一輛能稱得上是真正的月球車，充其量就是個地球車。這些已經研制出的月球車在很多方面都有欠缺，月球車要符合一系列條件：制造月球車的材料要在-170～130℃之間都能正常工作；月亮一夜是地球14天，月球車要能在長時間黑暗中解決能源問題，而已經研制出的月球車大都沒有解決這些難題。

關鍵技術取得突破

2007年3月，“月球車關鍵技術預先研究”項目通過中國科學院高技術局組織的專家組驗收。該項目于2005年3月啟動，中科院沈陽自動化所作為項目牽頭單位，聯合中科院國家天文臺、中科院空間中心、中國科技大學和中科院電子所等單位，合作開展項目的研究工作，前后用了兩年多時間。中科大承擔了月球車的視覺、熱控兩個系統的研制：視覺系統相當于人的眼睛，十分重要，只有攻克此項難關，才能保證月球車在月球上有目的地工作；熱控系統還處于理論探討階段。

中國未來的月球車將穿上“防護服”——種新近研發的超輕特種金屬泡沫鋁材料，以保證攜帶攝像機和多種探測儀器的月球車安全著陸，防止沖擊可能造成的破壞。

2006年12月，中科院合肥物質科學院對外宣布，該院固體物理研究所在超輕型泡沫鋁的制備研究方面取得重大突破。科技人員通過對滲流工藝的改進及后處理方法的探索，基本掌握了國際上最先進的石膏型滲流技術，能穩定地制備出密度小于0.2g／cm³以下(設計要求為≤0.3g／cm³)的開孔型泡沫鋁，其結構均勻性達到美國DUOCEL泡沫鋁的同等水平。他們在超塑性金屬材料的研究方面也取得可喜進展，已經獲得常溫下延伸率達160％左右的合金，超出設計指標1倍多。該研究成果為盡早提供滿足中國航天需求的功能材料，邁出了關鍵性的一步。目前，科技人員正繼續攻克大尺寸泡沫鋁材料的制備及結構一致性控制技術和提高超塑性金屬材料的強度兩大難題。在中國航天探月工程中，月球車軟著陸器的支架上將采取兩級緩沖保險。