中國月球車指日可待

□ 龐 征

據(jù)近日召開的2012年國防科技工業(yè)工作會透露，我國探月工程——嫦娥工程二期中的嫦娥三號任務(wù)目前已經(jīng)圓滿完成月球著陸器的懸停避障及緩速下降試驗(yàn)，月球巡視器的綜合測試及內(nèi)、外場試驗(yàn)等各項(xiàng)驗(yàn)證性試驗(yàn)，技術(shù)方案得到驗(yàn)證，該工程研制取得重大進(jìn)展。

探月方興未艾

進(jìn)入21世紀(jì)以來，由于越來越多的國家或組織深刻地認(rèn)識到，探測月球?qū)φ巍⒔?jīng)濟(jì)和科技等許多方面都具有十分重要的意義，所以歐洲、日本、中國、印度和美國都先后成功發(fā)射了各自的月球探測衛(wèi)星，并取得了大量科技成果，從而在全球掀起了探月熱潮。

至今，人類總共發(fā)射了129個月球探測器，其中美國59個，蘇聯(lián)64個，日本2個，中國2個，歐洲1個，印度1個，成功率大約為50%，這主要是蘇聯(lián)和美國早期發(fā)射的月球探測器失敗較多。進(jìn)入21世紀(jì)以后發(fā)射的月球探測器全部成功。不過，21世紀(jì)與冷戰(zhàn)時(shí)期的月球探測熱潮有明顯的不同，探測月球的目的由冷戰(zhàn)時(shí)期主要滿足政治和科學(xué)需要，改變?yōu)榘芽茖W(xué)探索和經(jīng)濟(jì)利益相結(jié)合，以探測月球資源為主，為未來月球資源開發(fā)、利用打基礎(chǔ)；探測月球的規(guī)模更宏大，將陸續(xù)發(fā)射采用最新技術(shù)成果的多種先進(jìn)月球探測器，研究月球礦產(chǎn)資源的分布與利用，進(jìn)行月球特殊空間環(huán)境資源的開發(fā)；打破了20世紀(jì)只有美蘇2個國家對月球探測的壟斷局面，歐洲、日本、中國和印度等國家或組織都紛紛進(jìn)行月球探測，并還將有越來越多的國家參與，且有可能逐漸轉(zhuǎn)變成以國際合作方式為主。

隨著月球探測技術(shù)水平的不斷提高，早期那種從月球近旁飛過或在其表面硬著陸，利用這個過程的短暫時(shí)間探測月球周圍環(huán)境和拍攝地外星球照片的方式已不再采用了，但增加了一些新的探月方式，從而使月球探測的廣度和深度不斷擴(kuò)大。現(xiàn)在和未來的探月方式主要有以下幾種：

①以月球探測衛(wèi)星的方式以較長時(shí)間全面獲取月球信息。②探測器在月球表面軟著陸，以固定或漫游車的方式進(jìn)行實(shí)地考察、拍攝探測和取樣分析等。③用載人或不載人探測器在月面軟著陸后取得樣品返回地球，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行精細(xì)分析。④進(jìn)行撞擊式探測，它與早期的硬著陸不同，主要用于探測月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成。⑤發(fā)射飛鏢式穿透探測器，未來的日本月球-A和英國“月光”探測器將是這類探測器的典型代表，它們將在進(jìn)入月球軌道后向月面投放用于研究月震及其他亞地表現(xiàn)象的穿透器。⑥在月球建立永久性載人基地，以開發(fā)和利用月球的資源、能源和特殊環(huán)境，并為載人火星航行開道鋪路。

我國研制的月球車樣機(jī)

總的來講，人類的探月可分為探月、登月和駐月3大步。目前，美國已經(jīng)完成了前2個階段，未來將以第3階段為主，即建造可供人長期居住、工作的月球基地。蘇聯(lián)/俄羅斯走完了第1階段，今后可開展載人登月。歐洲、日本、中國和印度等都處在第1階段，以“探”為主攻方向，并按照繞月探測、落月探測和取樣返回分步實(shí)施，逐步積累知識和經(jīng)驗(yàn)。

嫦娥工程二期

“阿波羅”15號所攜帶的月球車

蘇聯(lián)研制的世界第一輛能在月面自動行走的月球車——月行者1號

我國月球著陸器在月球表面軟著陸示意圖

我國的嫦娥工程一期目標(biāo)已由2007年10月24日發(fā)射的嫦娥一號月球探測衛(wèi)星全部實(shí)現(xiàn)，目前正在實(shí)施二期工程，核心任務(wù)是實(shí)現(xiàn)探測設(shè)備登上月球，進(jìn)行科學(xué)探測。其全稱叫“月面軟著陸探測與自動巡視勘察”， 即把月球探測器發(fā)射至月球表面軟著陸進(jìn)行探測，精細(xì)探測著陸區(qū)的土壤、巖石、環(huán)境、熱流和月表的環(huán)境，進(jìn)行高分辨率攝影和月巖的現(xiàn)場探測或采樣分析，建設(shè)月基天文臺，為月球基地的選址提供月面環(huán)境、地形、月巖的化學(xué)與物理性質(zhì)等數(shù)據(jù)。

人類對月球探測的科學(xué)內(nèi)涵將大大擴(kuò)展，它包括3方面：月球的科學(xué)、月球上的科學(xué)和來自月球的科學(xué)。根據(jù)這樣的理念，未來的月球探索不僅要發(fā)射大量的軌道器對月球進(jìn)行普查，還要進(jìn)行更多的月面活動，對月球進(jìn)行詳查。所以，落月探測十分重要。

從獲取探測數(shù)據(jù)的直接性和豐富性的角度來看，軟著陸探測和巡視勘察是其他探測形式所不能替代的，在月球與深空探測技術(shù)發(fā)展中占據(jù)著十分重要的地位。

由于嫦娥工程二期需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)多、技術(shù)跨度和實(shí)施難度大，為此經(jīng)過反復(fù)論證決定，為了降低二期工程的風(fēng)險(xiǎn)，在發(fā)射我國首個月球著陸探測器嫦娥三號之前，先于2010年10月1日發(fā)射嫦娥二號月球探測衛(wèi)星作為二期工程的技術(shù)先導(dǎo)星，即開路先鋒。它用于試驗(yàn)驗(yàn)證嫦娥三號實(shí)現(xiàn)月面軟著陸任務(wù)的部分關(guān)鍵技術(shù)，勘察預(yù)選著陸區(qū)，為嫦娥三號、四號月球著陸探測器(嫦娥四號為嫦娥三號的備份月球著陸探測器)實(shí)現(xiàn)月面軟著陸積累經(jīng)驗(yàn)，并在嫦娥一號任務(wù)的基礎(chǔ)上深入開展月球科學(xué)探測，所以它具有承前啟后、繼往開來的重要作用。

2013年前后，我國將發(fā)射首個月球著陸探測器——嫦娥三號，它由著陸器和巡視探測器（即月球車）組成，進(jìn)行首次月球軟著陸和自動巡視勘察，獲取月球內(nèi)部的物質(zhì)成份并進(jìn)行分析，將由一期工程的“表面探測”引深至內(nèi)部探測。其中著陸器定點(diǎn)守候，月球車在月球表面巡游90天，范圍可達(dá)到5平方千米，并抓取月壤在車內(nèi)進(jìn)行分析，得到的數(shù)據(jù)將直接傳回地球。由于月面工作環(huán)境惡劣，晝夜溫差高達(dá)300℃，地形崎嶇，地表松軟，所以對月球車提出了較高的工作要求，它不僅要耳聰目明、步伐矯健、心靈手巧，還要能“忍饑挨餓”。

嫦娥三號的科學(xué)目標(biāo)是：月表形貌與地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查；月表物質(zhì)成分和可利用資源調(diào)查；月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究；日-地-月空間環(huán)境探測、月基光學(xué)天文觀測。

據(jù)中國探月網(wǎng)介紹，為了實(shí)現(xiàn)這些科學(xué)目標(biāo)，現(xiàn)已初步提出了有效載荷的配置需求。軟著陸平臺配置的有效載荷為：全色攝像/照相機(jī)、激光反射器、粒子激發(fā)X射線譜儀、紅外光譜儀、低頻射電探測儀、光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡、極紫外相機(jī)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器、月震儀、研磨器、空間環(huán)境探測器、降落相機(jī)和機(jī)械臂等。月球車配置的有效載荷為：立體成像系統(tǒng)（與導(dǎo)航系統(tǒng)一起考慮）、測月雷達(dá)、粒子激發(fā)X射線譜儀、紅外光譜儀、低頻射電探測儀、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器、質(zhì)譜儀、多光譜顯微鏡、研磨器和機(jī)械臂等。

據(jù)有關(guān)媒體透露，嫦娥三號任務(wù)的特點(diǎn)是：①選擇與以往不同區(qū)域著陸；②月面軟著陸就位探測與月球車巡視勘察二者同時(shí)進(jìn)行并有機(jī)結(jié)合，將獲得比以前更有意義的探測成果；③在國際上首次利用測月雷達(dá)實(shí)測月壤厚度（1～30米）和月殼巖石結(jié)構(gòu)(1～3千米)；④首次在軟著陸上利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器精確測定地月間距離，進(jìn)行月球動力學(xué)研究；⑤首次開展日地空間和太陽系外天體的月基甚低頻射電干涉觀測，進(jìn)行太陽射電爆發(fā)與空間粒子流、光千米波輻射、日冕物質(zhì)拋射行星低頻噪聲和太陽系外天體的甚低頻觀測研究；⑥首次在月球上采用極紫外相機(jī)觀測太陽活動和地磁擾動對地球空間等離子層極紫外輻射的影響，研究該等離子層在空間天氣過程中的作用；⑦首次進(jìn)行月基光學(xué)天文觀測，研究太陽系外行星系統(tǒng)、星震和活動星系核。

我國研制的月球車樣機(jī)在沙漠進(jìn)行模擬試驗(yàn)

四輪三軸月球車樣機(jī)

月球著陸器在月球表面軟著陸之后，月球車沿一條斜坡道緩緩下降到月球表面

幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

在人類進(jìn)行月球與深空探測活動中，軟著陸探測是踏上另一個星球進(jìn)行實(shí)地科學(xué)探測的第一步。實(shí)現(xiàn)我國首次地外天體的軟著陸，能使我國掌握深空探測和空間科學(xué)領(lǐng)域的核心技術(shù)，獲得月球及地月空間的科學(xué)數(shù)據(jù)，取得一批原創(chuàng)性的科學(xué)成果，催生一批邊緣和交叉學(xué)科的出現(xiàn)與發(fā)展；建立較為完備的月球探測工程系統(tǒng)和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，提升我國深空探測的系統(tǒng)集成能力，實(shí)現(xiàn)航天技術(shù)的跨越式發(fā)展；研制適應(yīng)復(fù)雜月面環(huán)境的新型探測器，帶動相關(guān)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展。

嫦娥三號是嫦娥工程二期的關(guān)鍵任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)我國首次對地外天體的直接探測，最大的特點(diǎn)是攜帶一部月球車。其工程目標(biāo)是：突破月球軟著陸、自動巡視勘察及其他相關(guān)技術(shù)，研制月球軟著陸探測器和月球車，建立月球探測航天工程基本體系，為后續(xù)工程服務(wù)。

它用于實(shí)現(xiàn)我國首次對地外天體的直接探測，包括地月轉(zhuǎn)移＋環(huán)月＋軟著陸/巡視勘察幾個階段。為此，需掌握月球軟著陸、月面巡視勘查、月面生存、深空測控通信與遙操作等技術(shù)，開展月球區(qū)域性的精細(xì)就位探測。

由于月球表面的熱工況和太陽照射等條件與地球不同，所以為保證著陸器的正常工作，必須研究以下內(nèi)容：月表軟著陸探測器總體設(shè)計(jì)技術(shù)；著陸軌道設(shè)計(jì)與控制；著陸過程動力學(xué)分析設(shè)計(jì)；著陸過程地面試驗(yàn)技術(shù)。

月球軟著陸方式常采用先環(huán)月再著陸的飛行程序；緩沖可分為氣囊式和著陸機(jī)構(gòu)式2類；通信保障的主要困難來自于巨大的距離擴(kuò)散損耗、長時(shí)間的延遲及低覆蓋率等問題，可采取提高星上測控通信設(shè)備的功率、提高天線增益和增加地面天線的尺寸等措施。

月表軟著陸主要可分為探測器接近月面、軟著陸發(fā)動機(jī)點(diǎn)火、著陸撞擊直至穩(wěn)定3個階段。由于月球表面沒有大氣層，因此無法借助氣動力來減速著陸，必須使用軟著陸發(fā)動機(jī)和著陸緩沖裝置。

著陸緩沖裝置可有花瓣式、桁架式和薄壁殼體式等幾種結(jié)構(gòu)形式。從工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度來看，月球軟著陸探測要攻克以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：著陸軌道設(shè)計(jì)與制導(dǎo)、導(dǎo)航控制；著陸緩沖；月面探測的測控通信；月面工作的熱控與電源技術(shù)。

月球表面自動巡視探測技術(shù)主要是通過月球車在月球表面自動行駛，利用車載有效載荷對月面進(jìn)行全景和近景攝影，對月表的化學(xué)成分進(jìn)行分析，并把所獲取的信息傳送回地面。由于月球表面環(huán)境惡劣，地形復(fù)雜多變，因此月球表面自動巡視探測技術(shù)包含很多關(guān)鍵技術(shù)。主要有月球車的總體設(shè)計(jì)、自主導(dǎo)航和運(yùn)動控制方法以及地面仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)等。

月球車具有移動性、適應(yīng)性、自主性和功能性4個特點(diǎn)，一般包括移動子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)、導(dǎo)航與控制子系統(tǒng)、綜合電子子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)、熱控子系統(tǒng)、測控與數(shù)傳子系統(tǒng)、機(jī)械臂子系統(tǒng)和科學(xué)儀器子系統(tǒng)等9個子系統(tǒng)。其關(guān)鍵技術(shù)是：月球車總體方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化；移動技術(shù)；定位、路徑規(guī)劃與控制技術(shù)；同位素溫差電源及其相關(guān)技術(shù)；新型熱控技術(shù)；測控通信技術(shù)；仿真與地面驗(yàn)證技術(shù)。

我國的月球車在月面移動示意圖，尋找探測目標(biāo)

我國的月球車在月面執(zhí)行探測任務(wù)示意圖