中國月球車

劉宇

2013年12月2日凌晨，中國在西昌衛星發射中心成功將肩負首次登月任務的探測器“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”區軟著陸。這是中國第一次將自己設計的月球車送上月球。“玉兔”號月球車究竟什么樣？它與國外的月球車有哪些不同？它將完成哪些科學任務？

“玉兔”——世界上第6臺被送上月球的“月球車”

月球車，學名“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雜任務的專用車輛。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，國外發射并成功運行的月球車有5輛，其中兩輛是無人駕駛月球車，是蘇聯在20世紀70年代發射的“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交通工具，擴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，因為上面有很多儀器，要保證月球車在無人的狀態下行駛，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“雨海”地區著陸。限于當時的技術條件，車上所搭載的有效載荷偏少，在月面移動以遠程遙控操作為主，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的發展，無人月球車在輕量化結構設計、熱控、導航控制等方面取得了很大的進步。中國的“玉兔”號月球車是無人駕駛月球車，質量約140千克，與蘇聯的月球車相比是“小個子”。“玉兔”號月球車是我國最高智能機器人，它能完全自主導航，在月球上可以根據照相機拍到的四周情況，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？

月球上的環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，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，加上月面的地形復雜，浮塵又很厚。這些因素都使得車輛在月球上運動時變得十分不穩定。

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，設計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、后退、轉彎、爬坡，樣樣在行。

第三難題：溫度。

月球表面白晝時溫度高達120多攝氏度，黑夜時低至零下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。

月球車是個智能機器人，需要具備獨立處理各種環境的能力。由于距離太遠，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傳感器，這些傳感器在得知周圍環境、自身姿態、位置等信息后，通過地面或車內裝置，形成三維地形圖，勾畫出到達目標點的路徑，并導航控制月球車走到目的地。

第五難題：電力供應。

月球的自轉引起月面的晝夜變化。月球上一天的時間，大約相當于地球上的28天。因此，月球晝夜間隔大約相當于地球上的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工作14天，進入月夜以后，它由于無法通過光能發電，進入休眠狀態。14天后，又能自動醒來。

“玉兔”號著陸地點為何選在“虹灣”區？

這次“嫦娥”三號的月球著陸區“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，其實不是。“虹灣”區位于月球北緯43度左右、西經31度左右，南北長約100千米、東西長約300千米。

專家認為，之所以選擇在“虹灣”區落月，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，探測該區域非常有科學價值；三是能實現正面直接測控通訊；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”地區比較平坦，但月球表面千萬年來經歷隕石撞擊，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個特制的輪子，而且移動很慢——每小時最多走200米。這個輪子學名叫作篩網輪，能夠盡可能減輕重量。另外，這個車輪在設計上必須要有很大的接觸面積，摩擦系數也要很大，這樣它在月面才不會陷進去，也不容易打滑。由于輪子是網狀的，所以一邊行駛一邊可以把沙子漏掉。除了表面用篩網，輪子每隔一段就會有一個鋸齒形的結構，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”號月球車穩穩地抓住月面，跨過溝溝坎坎。遇到地面不平的情況時，“玉兔”號月球車會通過搖臂調整重心。如果遇到較大的坡，它就會繞過去。“玉兔”號月球車有4只“眼睛”，分別是全景相機和導航相機。它通過相機“觀察”周圍環境，對月面障礙進行感知和識別，然后對巡視的路徑進行規劃。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？

由于月球上的一天約相當于地球上的28天，其中約14天會被太陽連續暴曬，月球車面臨散熱難題；接下來的約14天又是連續月夜，在零下100多攝氏度的環境里，大部分電子設備無法工作，只能“冬眠”，還需要專門設備保持月球車的內部溫度，防止設備被凍壞。要讓探測器同時適應這兩種極端溫度，難度非常大。而且一旦夜晝交替，探測器還要從“冬眠”狀態中被“喚醒”，如何保證系統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光，降低晝夜溫差，同時阻擋宇宙中各種高能粒子的輻射，從而支持和保護月球車上的紅外成像光譜儀、激光點陣器等10多套科學探測儀器。

按照科研人員的精心設計，“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間相當于地球上的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火工作呢？它需要一床御寒的“被子”和一個叫它起床工作的“鬧鐘”。承擔這兩項功能的是它的供電系統——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，這個過程相當于把月球車散熱的途徑隔絕掉了。然后，當太陽升起，到達5度的高度時，巡視器就被喚醒了，進入到第二天白天的正常工作。

對一些特別嬌嫩的設備，月球車內還專門準備了“暖寶”——核電池。由于月球晝夜要半個月交替一次，低溫時月球車上的所有的儀器全部要凍壞，普通電池無法應對。“玉兔”號月球車實際上在同時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。而一旦新一個白晝來臨，太陽能電池就能重新驅動月球車工作。這項技術將使我國成為繼美俄之后，世界上第三個將核動力應用于太空探測的國家。

“玉兔”號月球車將肩負哪些科學任務？

“嫦娥”三號在月球軟著陸后，“玉兔”號月球車將駛離著陸器，在月面進行3個月的科學勘測，著陸器則在著陸地點進行原地探測。“玉兔”號底部安裝了一臺測月雷達，可發射雷達波，探測二三十米厚的月球土壤結構，還可以對月球下面100米深的地方進行探測。

在月面巡視勘察過程中，“玉兔”號月球車可以利用相機對周圍環境進行感知，并將數據傳回地面。地面控制中心利用環境數據和月球車狀態信息進行建模、分析和規劃，并對規劃進行運動仿真和驗證，并把通過驗證的控制指令再上傳給月球車。月球車將執行控制指令，并自主完成近距離障礙識別和局部路徑規劃，利用攜帶的儀器進行科學探測。根據科學探測的需要，以上過程循環往復。依靠先進的設備，“玉兔”號月球車能夠對巡視區月表進行三維光學成像，對月表進行紅外光譜分析，開展月壤厚度和結構的科學探測，對月表物質主要元素進行現場分析，等等。它傳回來的數據，將幫助我們更加準確、更加直接地了解那個神秘美麗的月亮。此次“嫦娥”三號任務完成后，月球車和著陸器會永遠留在月球上。endprint