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中国月球车小而精

2019-01-09 10:07来源:北京日报

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  嫦娥四号着陆器监视相机C拍摄的玉兔二号巡视器走上月面影像图。

  ▼玉兔二号使用的筛网轮。新华社图

  苏联月球探测车。

  美国航天员尤金·塞尔南驾驶着阿波罗十七号的月球车。

  1月3日,我国嫦娥四号月球探测器实现了人类探测器首次在月球背面软着陆。此后,其中的玉兔二号月球车先后与着陆器分离,与“鹊桥”中继星成功建立独立数传链路,完成了环境感知、路径规划,并按计划在月面行走到达A点,开展科学探测,成为世界第一辆在月球背面运行的月球车。

  从获取探测数据的直接性和丰富性角度来看,软着陆和巡视勘察是其他探测形式所不能替代的,因此用月面巡视探测器(月球车)对月球进行探测十分重要。在这里,我们就来回顾一下月球车的发展历史和未来前景。

  分无人驾驶和有人驾驶两类

  月球车是进行月球表面探测的重要工具之一。按照有人还是无人驾驶,月球车一般分为两类。

  一类是无人驾驶的月球车。它由轮式底盘和一些其他设备组成,并载有多种科学探测仪器,用太阳能电池、蓄电池和核电池联合供电,靠地面遥控指令或自主控制在月面进行巡视探测,苏联在20世纪70年代发射的月球车一号、二号和我国的玉兔号、玉兔二号月球车属于这类,它们主要用于在月面进行巡视探测。

  另一类是有人驾驶的月球车。它主要作为航天员在月面活动的交通工具,用于扩大航天员的活动范围和减少航天员的体力消耗,并随时存放航天员收集的岩石和土壤标本,美国阿波罗十五号、十六号、十七号载人登月飞船的航天员曾使用这种类似高尔夫车的月球车在月面活动。这类月球车还装有摄像机和传输设备,向地球发回了航天员在月面的活动情景和离开月面时的情景。

  至今,全球一共成功发射和运行过7辆月球车,即用于在月面进行无人巡视探测的苏联月球车一号和二号(分别由月球十七号、二十一号月球探测器释放),中国玉兔号、玉兔二号(分别由嫦娥三号、四号月球探测器释放)和用于在月面运送航天员进行科学探测的美国3辆有人驾驶的月球车(分别由阿波罗十五号、十六号和十七号载人登月飞船释放)。

  按走行方式,月球车可分为轮式、腿式、蛇式、轮腿式、跳跃式、履带式、滑橇式、气囊式、履带轮式和螺旋滚筒式等多种类型。不过,目前已使用的月球车都采用轮式,并分为4轮式、6轮式和8轮式等几种。

  适应月球环境要求高

  无人月球车是一种在月面进行巡视探测的行走装置。它需适应月球环境,携带科学探测仪器在月面进行巡视探测,并把探测数据传送回地球。因此,无人月球车实际上就是一种能够在月球移动并完成探测任务的机器人。其主要作用是:装载科学探测仪器,并为这些仪器提供电源、温控、测控等正常工作的条件;在月面行走并进行勘测;把所探测到的科学数据传回地球。

  在技术上,月球车要能适应月球辐射强、低重力(月球重力是地球的1/6,月壤很松软,行进效率会降低)、路况复杂(月面崎岖不平,月球车的轮子既不能打滑,也不能翻车,并可前进、后退、转弯、爬坡、取物、采样和翻转)、温差很大(月球的1天温度相差大约310℃)等不利条件,并具有自主工作能力(达到初级人工智能,例如,识别、爬越或绕过障碍物等)。

  这种月球车用于拍摄月面高分辨率图像;勘查月球的物质和资源;研究月球的地形、地质和形态特征以及表面的辐射和环境;分析月面土壤的化学成分和物理力学性质;考察和收集月面的岩石样品等。

  同样,由于月球环境比地球恶劣得多,所以载人月球车也要求很高,而且一般只使用化学电池。在美国小布什总统执政期间,美国为了重返月球,曾实施星座计划,为此研制了密封式月球车,即航天员在车内可以不穿登月服,但随着星座计划的取消,这种月球车也不了了之。

  国外专家还提出过不少载人月球车的方案,例如,月球摩托车、火箭单座车、月球拖挂车、月球轨道巴士、中型月球探险车、客货两用月球车、双座多用途高性能小型月球车等,但都没有投入实用。

  苏联月球车

  拍照测试很忙活

  1970年11月10日和1973年1月8日,苏联先后用质子号运载火箭发射了月球十七号和二十一号月球探测器。月球十七号在月球正面的雨海软着陆,月球二十一号在月球正面的默尼环形山软着陆。

  月球十七号和二十一号月球探测器分别携带的月球车一号、二号基本相同,都装有8个轮子,长为2.13米,轴距为1.70米,车轮直径为0.51米,宽度为0.20米,车轮动力范围为0.1米,行驶速度为1-2千米/小时,可翻越30°的坡,电源采用太阳电池阵列+蓄电池,在月夜期间,通过钋-210放射性同位元素加热器保温。

  月球车一号的质量为756千克,装有2副天线、4台摄像机、月壤探测器、X射线光谱仪、X射线望远镜、宇宙射线探测器和激光设备等科学仪器,在月面行驶了10.5千米,工作了10个月,后由于能源不足停止工作;月球车二号的质量为840千克,装有3台摄像机、月壤探测器、太阳X射线实验仪器、天体光度测量计、磁力计、辐射计等科学仪器,在月面行驶了37千米,工作了4个月,地面人员可通过月球车二号发回的图像来指挥其在月面的行走。另外,相比月球车一号,月球车二号在结构上有所改进,运动速度有所提高,摄像性能有所改善,活动范围大幅增加。

  月球车一号拍摄了20000多张照片,对500个地点进行了土壤物理测试,对25个地点进行了土壤化学分析,总考察面积接近80000平方米。此外,它还收集了大量月面辐射数据。月球车二号拍摄发回86张全景照片、80000多张电视图片。

  美国月球车

  宇航员的代步车

  1971年7月至1972年12月,美国先后发射了阿波罗十五号、十六号和十七号载人登月飞船,它们各自装有一辆折叠式载人月球车,并且基本相同,均可在月面低重力、真空环境中行驶,从而扩大了航天员的舱外活动范围。

  每辆阿波罗月球车质量约210千克,长3米,轴距2.3米,高1.1米,有4个轮子(每个轮子各由一台发动机驱动,靠蓄电池提供动力,轮胎在-100°C低温下仍可保持弹性),电源采用银锌氢氧化钾一次性电池,行驶速度为10-12千米/小时,能携带约490千克的有效载荷。车上装有2个并排的可折叠座位,每个座位有可调节的踏板和安全带。车前端桅杆上装有大型网状碟型天线。航天员通过位于两个座位之间的T形手动控制器来控制漫游车。手柄前部有一个控制与显示模块,显示当前的速度、方向、电源和温度情况。

  其最高时速可达16千米,航天员坐在上面驾驶着它在月球表面巡游,以车代步,爬越障碍,翻越沟壑,对山脉、峡谷和火山口进行了考察,并把彩色图像传回地面。

  阿波罗十五号的月球车总共行驶了27.76千米,总时间为3小时2分钟,最长单次行驶距离为12.47千米,离开登月舱的最长距离为5千米,收集了约77千克月球样品。

  阿波罗十六号的月球车总共行驶了26.55千米,总时间为3小时26分钟,最长单次行驶距离为11.59千米,离开登月舱的最长距离为4.5千米,收集了约96千克月球样品。

  阿波罗十七号的月球车总共行驶了35.89千米,总时间为4小时26分钟,最长单次行驶距离为20.12千米,离开登月舱的最长距离为7.6千米,收集了111千克月球样品。在阿波罗十七号任务中,由于月球车和航天服的可靠性增加,缓解了月球车行驶距离的局限,所以航天员驾驶月球车行驶的距离最长。

  航天员使用阿波罗月球车时会受到微粒非常细小的月球尘埃影响,月球尘埃使轴承、齿轮和密封的其他机械结构产生了磨损。另外,在航天员驾驶阿波罗月球车行驶时,从车轮下喷溅出来的尘埃数量巨大,高度超过2米,对航天员执行巡视任务产生了一定影响。

  中国月球车

  玉兔二号更轻盈自主健壮可靠

  2013年12月2日、2018年12月8日,我国先后用长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心成功发射了嫦娥三号、四号月球探测器。嫦娥三号在月球正面的虹湾区软着陆,嫦娥四号在月球背面的艾特肯盆地软着陆。

  嫦娥三号、四号月球探测器分别携带的玉兔号和玉兔二号月球车,在外形、重量等方面基本一样,但因为着陆环境和科学目标不太一样,所以在功能和有效载荷方面有些改变。

  玉兔号和玉兔二号都用于在月面巡视考察、收集和分析样品。它们均长1.5米,宽1米,高1.1米,设计寿命为3个月,采用6轮主副摇臂悬架的移动构形,可6轮独立驱动,4轮独立转向,具有爬20°坡、越20厘米高障碍的自主越障和避障功能,移动速度最快为200米/小时。

  由于玉兔二号是在月球背面地形崎岖不平区域进行巡视探测,所以针对月球背面复杂的地形条件、中继通信新的需求、极大的温差和科学目标的实际需要等因素,在玉兔号的基础上对玉兔二号月球车进行了适应性更改和有效载荷配置调整,对运动安全、能源供给、科学探测和测控通信等方面均做了特殊的设计。例如,尽量减少电缆裸露在外的面积,以减少电缆的故障风险;在软件上也进行了系统升级,从而更好地应对各种突发状况;还使其在自主休眠,自主应对光照的遮挡,自主避障能力等方面都有明显提高。

  因此,与玉兔号相比,玉兔二号更轻盈、更自主、更健壮、更可靠。例如:

  玉兔号月球车携带了全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪等科学探测仪器进行巡视探测。

  玉兔二号上仍装有全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪,但增加了瑞典的中性原子探测仪,去掉了玉兔号的粒子激发X射线谱仪。因此,玉兔二号月球车也就不需要机器臂了,从而轻了2千克。玉兔号重137千克,玉兔二号重135千克,是世界探月史上最轻的月球车。

  玉兔号在月夜期间处于休眠状态,月昼来临时自主唤醒,但唤醒后需要地面进行相关的系统设置才能进入安全的工作状态。

  玉兔二号可根据光照条件,自主地进入休眠状态,唤醒后也可以自主设置进入稳定的工作状态。

  玉兔号在虹湾区上行走了114米后突然不能动了,出现了机构控制异常。

  玉兔二号改进了各种走线的布局,采取了故障隔离设计,因此更健壮,应付困难的能力更强。

  与同类的苏联无人月球探测车相比,中国无人月球探测车的特点明显,小而精。比如,苏联月球车一号、二号质量分别为756千克、840千克,而玉兔号、玉兔二号月球车质量分别为137千克、135千克;每辆苏联月球车有8个轮子,而每辆中国月球车有6个轮子;苏联月球车与中国月球车装的仪器、运行地点也不同,中国月球车装的仪器更先进,其中玉兔号上装的测月雷达是在世界月球探测器上首次使用,玉兔二号则是世界首个运行在月球背面的月球车。

  延伸阅读

  月球车运行方式会更多样

  月球车可采用腿式、轮式、跳跃式、翻滚式和履带式等,其中轮式具有运动速度快的优点,效率最高,所以全球已发射的7个月球巡视探测器都为轮式,今年印度将要发射的月船二号的月球车和明年日本将要发射的月女神二号的月球车也采用轮式。但轮式车的越野性能不太强,适应能力最差。而腿式月球巡视探测器的适应能力最强,但其效率最低。随着月球车逐渐采用6轮摇臂-转向架式悬挂系统底盘结构,使轮式月球车的越野能力大大增强,能与腿式月球机器人相媲美。

  现在,结合腿式和轮式月球车各自的优点,一些国家已开始研制轮腿式月球车。它融合了腿式的地形适应能力和轮式高速高效的优点,作业范围大,同时具有优越的越障避障能力,对复杂月球表面环境适应性强,但缺点是结构与控制复杂。

  跳跃式、翻滚式和履带式探测器可适应更复杂的地形。2018年9月21日,日本隼鸟2号就把两台跳跃式着陆探测器投放到龙宫小行星上。此技术也可移植到月球车上。

  未来的月球车将朝着在月面工作更长的时间、行驶更长的距离、适应更复杂的环境等方面发展,并具有质量和尺寸最小化、有效地利用和传输能源、机动能力更强、航天员更安全、应用范围更广、成本更低等特点。为此,需采用模块化设计和国际合作,以满足多种需求。(柯谱)

[责编:张佳兴]

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