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2019 09-19

《知识百科》2014年第1期 中国月球车-玉兔

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  2013年12月2日凌晨,中国在西昌卫星发射中心成功将肩负首次登月任务的探测器“嫦娥”三号送入轨道,由着陆器和“玉兔”号月球车组成的“嫦娥”三号于12月中旬在月球“虹湾”区软着陆。这是中国第一次将自己设计的月球车送上月球。“玉兔”号月球车究竟什么样?它与国外的月球车有哪些不同?它将完成哪些科学任务?

  月球车,学名“月面巡视探测器”,是一种能够在月球表面行驶并完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务的专用车辆。月球车可分为无人驾驶月球车和有人驾驶月球车。至今为止,国外发射并成功运行的月球车有5辆,其中两辆是无人驾驶月球车,是苏联在20世纪70年代发射的“月球车”1号和2号;3辆是有人驾驶的月球车,是美国“阿波罗”15号、16号、17号的月球车。有人驾驶的月球车主要作为一个交通工具,扩大航天员在月球上的活动范围,上面基本没有什么仪器,由航天员驾驶行驶起来也相对容易一些。无人驾驶月球车难度更大,因为上面有很多仪器,要保证月球车在无人的状态下行驶,仪器能正常工作。1970年11月17日,世界上第一台无人驾驶月球车“月球车”1号在月面“雨海”地区着陆。限于当时的技术条件,车上所搭载的有效载荷偏少,在月面移动以远程遥控操作为主,不能自主避障行走。40多年过去了,由于材料、能源和人工智能等技术的发展,无人月球车在轻量化结构设计、热控、导航控制等方面取得了很大的进步。中国的“玉兔”号月球车是无人驾驶月球车,质量约140千克,与苏联的月球车相比是“小个子”。“玉兔”号月球车是我国最高智能机器人,它能完全自主导航,在月球上可以根据照相机拍到的四周情况,自己决定该走哪条路、怎么走;可以自主避障,如果前面有大石头挡住了,它过不去了,知道怎么避开这个障碍;还可以自动上坡下坡。另外,“玉兔”号月球车可以指挥身上的仪器探测月球。

  月球上的环境与地球是完全不同的,地球上使用的普通车辆到了月球就“英雄无用武之地”了。制造月球车是一项高端科技,必须要解决以下难题。

  月球重力是地球的1/6,这意味着,质量为50千克的东西,在地球上所受重力约500牛,到了月球表面则变成约80牛。

  月球上的重力很小,车辆显得很轻,因此很容易翻。重力减小的同时,车辆和月面的摩擦力也减小了,对车辆的控制会变得很困难,加上月面的地形复杂,浮尘又很厚。这些因素都使得车辆在月球上运动时变得十分不稳定。

  月球表面崎岖不平,有石块、有陨石坑,还有坡。在这种情况下,设计的轮子便需要克服重重障碍,既不能打滑,也不能翻车,必须做到前进、后退、转弯、爬坡,样样在行。

  月球表面白昼时温度高达120多摄氏度,黑夜时低至零下180摄氏度,温差超过300摄氏度。月面上如此急剧变化的温度环境会使橡胶迅速老化,因此月球车轮胎要使用特殊材料,克服温差。

  月球车是个智能机器人,需要具备独立处理各种环境的能力。由于距离太远,无法通过遥控的方法处理反馈信息。月球车需要配置若干个传感器,这些传感器在得知周围环境、自身姿态、位置等信息后,通过地面或车内装置,形成三维地形图,勾画出到达目标点的路径,并导航控制月球车走到目的地。

  月球的自转引起月面的昼夜变化。月球上一天的时间,大约相当于地球上的28天。因此,月球昼夜间隔大约相当于地球上的14天。也就是说,登上月球以后的月球车,依靠太阳能电池最多可以连续工作14天,进入月夜以后,它由于无法通过光能发电,进入休眠状态。14天后,又能自动醒来。

  这次“嫦娥”三号的月球着陆区“虹湾”,并不是真的海湾,而是像彩虹一样的巨型陨石坑壁。月球上有很多地方以“海”和“洋”命名。古人望月,以为看到的是海,其实不是。“虹湾”区位于月球北纬43度左右、西经31度左右,南北长约100千米、东西长约300千米。

  专家认为,之所以选择在“虹湾”区落月,是出于多种综合因素的考虑:一是这里比较平坦,落月比较安全;二是美苏的探测主要集中在月球赤道附近,“虹湾”仍是月球研究的空白,探测该区域非常有科学价值;三是能实现正面直接测控通讯;四是太阳光照较好,能保证探测器的太阳能电池板正常工作。

  月球重力是地球的六分之一,表面土壤非常松软,凹凸不平。尽管整体来讲“虹湾”地区比较平坦,但月球表面千万年来经历陨石撞击,遍布大大小小的陨石坑和石块。为了避免在月球上“摔跤”或“崴脚”,“玉兔”号月球车有6个特制的轮子,而且移动很慢——每小时最多走200米。这个轮子学名叫作筛网轮,能够尽可能减轻重量。另外,这个车轮在设计上必须要有很大的接触面积,摩擦系数也要很大,这样它在月面才不会陷进去,也不容易打滑。由于轮子是网状的,所以一边行驶一边可以把沙子漏掉。除了表面用筛网,轮子每隔一段就会有一个锯齿形的结构,叫作棘爪,就像是兔爪上的指甲。月球上本没有路,这些尖利的小爪子能够帮助“玉兔”号月球车稳稳地抓住月面,跨过沟沟坎坎。遇到地面不平的情况时,“玉兔”号月球车会通过摇臂调整重心。如果遇到较大的坡,它就会绕过去。“玉兔”号月球车有4只“眼睛”,分别是全景相机和导航相机。它通过相机“观察”周围环境,对月面障碍进行感知和识别,然后对巡视的路径进行规划。遇到超过20度的斜坡、高于20厘米的石块或直径大于2米的撞击坑,月球车能够自主判断并安全避让。

  由于月球上的一天约相当于地球上的28天,其中约14天会被太阳连续暴晒,月球车面临散热难题;接下来的约14天又是连续月夜,在零下100多摄氏度的环境里,大部分电子设备无法工作,只能“冬眠”,还需要专门设备保持月球车的内部温度,防止设备被冻坏。要让探测器同时适应这两种极端温度,难度非常大。而且一旦夜昼交替,探测器还要从“冬眠”状态中被“唤醒”,如何保证系统正常启动也是道难题。

  “玉兔”号月球车身披“黄金甲”,目的不是为了好看,而是为了反射月球白昼的强光,降低昼夜温差,同时阻挡宇宙中各种高能粒子的辐射,从而支持和保护月球车上的红外成像光谱仪、激光点阵器等10多套科学探测仪器。

  按照科研人员的精心设计,“玉兔”号月球车与人类的作息制度一样,也是日出而作、日落而息,白天还要午休,只不过它每天的工作时间相当于地球上的14天,然后又会一觉睡14天。

  漫漫长夜之后,“玉兔”号月球车怎么才能立刻点火工作呢?它需要一床御寒的“被子”和一个叫它起床工作的“闹钟”。承担这两项功能的是它的供电系统——太阳翼。专家介绍,晚上,“玉兔”号的桅杆会收起来,太阳翼也会扣上,这个过程相当于把月球车散热的途径隔绝掉了。然后,当太阳升起,到达5度的高度时,巡视器就被唤醒了,进入到第二天白天的正常工作。

  对一些特别娇嫩的设备,月球车内还专门准备了“暖宝”——核电池。由于月球昼夜要半个月交替一次,低温时月球车上的所有的仪器全部要冻坏,普通电池无法应对。“玉兔”号月球车实际上在同时使用太阳能和核能作为能源。黑暗中的月面,温度骤降到零下100多摄氏度,为防止车载仪器被冻坏,休眠中的月球车就得靠核电池的能量来保温,并维持与地面的通讯。而一旦新一个白昼来临,太阳能电池就能重新驱动月球车工作。这项技术将使我国成为继美俄之后,世界上第三个将核动力应用于太空探测的国家。

  “嫦娥”三号在月球软着陆后,“玉兔”号月球车将驶离着陆器,在月面进行3个月的科学勘测,着陆器则在着陆地点进行原地探测。“玉兔”号底部安装了一台测月雷达,可发射雷达波,探测二三十米厚的月球土壤结构,还可以对月球下面100米深的地方进行探测。

  在月面巡视勘察过程中,“玉兔”号月球车可以利用相机对周围环境进行感知,并将数据传回地面。地面控制中心利用环境数据和月球车状态信息进行建模、分析和规划,并对规划进行运动仿真和验证,并把通过验证的控制指令再上传给月球车。月球车将执行控制指令,并自主完成近距离障碍识别和局部路径规划,利用携带的仪器进行科学探测。根据科学探测的需要,以上过程循环往复。依靠先进的设备,“玉兔”号月球车能够对巡视区月表进行三维光学成像,对月表进行红外光谱分析,开展月壤厚度和结构的科学探测,对月表物质主要元素进行现场分析,等等。它传回来的数据,将帮助我们更加准确、更加直接地了解那个神秘美丽的月亮。此次“嫦娥”三号任务完成后,月球车和着陆器会永远留在月球上。

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