方興未艾的月球車(chē)

文/柯譜

1月3日，我國(guó)嫦娥四號(hào)月球探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)探測(cè)器首次在月球背面軟著陸。此后，其中的玉兔二號(hào)月球車(chē)先后與著陸器分離，與鵲橋中繼星成功建立獨(dú)立數(shù)傳鏈路，完成了環(huán)境感知、路徑規(guī)劃，并按計(jì)劃在月面行走到達(dá)A點(diǎn)，開(kāi)展科學(xué)探測(cè)，成為世界第一輛在月球背面運(yùn)行的月球車(chē)

人類(lèi)對(duì)月球探測(cè)的科學(xué)內(nèi)涵正在不斷擴(kuò)展，它包括月球的科學(xué)、月球上的科學(xué)和來(lái)自月球的科學(xué)三個(gè)方面。根據(jù)這樣的理念，未來(lái)對(duì)月球探索不僅要發(fā)射軌道器對(duì)月球進(jìn)行普查，還要進(jìn)行更多的月面活動(dòng)，對(duì)月球進(jìn)行詳查。從獲取探測(cè)數(shù)據(jù)的直接性和豐富性的角度來(lái)看，軟著陸和巡視勘察是其它探測(cè)形式所不能替代的，在空間探測(cè)技術(shù)發(fā)展中占據(jù)著很重要的地位。所以，用月面巡視探測(cè)器（或叫月球車(chē)）對(duì)月球進(jìn)行探測(cè)十分重要。

▲ 蘇聯(lián)月球車(chē)1號(hào)離開(kāi)著陸器進(jìn)行巡視探測(cè)示意圖

兩類(lèi)月球車(chē)

月球車(chē)是進(jìn)行月球表面探測(cè)的重要工具之一。按照探測(cè)方式月球車(chē)一般分為兩類(lèi)：

一類(lèi)是無(wú)人駕駛的月球車(chē)。它由輪式底盤(pán)和一些其它設(shè)備組成，并載有多種科學(xué)探測(cè)儀器，用太陽(yáng)能電池、蓄電池和核電池聯(lián)合供電，靠地面遙控指令或自主控制在月面進(jìn)行巡視探測(cè)。蘇聯(lián)在20世紀(jì)70年代發(fā)射的月球車(chē)1號(hào)、2號(hào)和我國(guó)的玉兔號(hào)、玉兔二號(hào)月球車(chē)屬于這類(lèi)，它們主要用于在月面進(jìn)行巡視探測(cè)

另一類(lèi)是有人駕駛的月球車(chē)。它主要作為航天員在月面活動(dòng)的交通工具，用于擴(kuò)大航天員的活動(dòng)范圍和減少航天員的體力消耗，并隨時(shí)存放航天員收集的巖石和土壤標(biāo)本。美國(guó)阿波羅15號(hào)、16號(hào)、17號(hào)載人登月飛船的航天員曾使用這種類(lèi)似高爾夫車(chē)的月球車(chē)在月面活動(dòng)。他們除科考和收集月巖樣品外，還用車(chē)上的攝像機(jī)和傳輸設(shè)備，向地球發(fā)回了航天員在月面的活動(dòng)情景和離開(kāi)月面時(shí)的情景。

至今，全球一共成功發(fā)射、運(yùn)行過(guò)7輛月球車(chē)，即用于在月面進(jìn)行無(wú)人巡視探測(cè)的蘇聯(lián)月球車(chē)1號(hào)和2號(hào)（分別由月球17號(hào)、21號(hào)月球探測(cè)器器釋放）、中國(guó)玉兔號(hào)和玉兔二號(hào)月球車(chē)（分別由嫦娥三號(hào)、四號(hào)月球探測(cè)器釋放），以及用于在月面運(yùn)送航天員進(jìn)行科學(xué)探測(cè)的美國(guó)3輛有人駕駛的月球車(chē)（分別由阿波羅15號(hào)、16號(hào)和17號(hào)載人登月飛船釋放）。

另外，按走行方式，月球車(chē)可分為輪式、腿式、蛇式、輪腿式、跳躍式、履帶式、滑撬式、氣囊式、履帶輪式和螺旋滾筒式等多種類(lèi)型。不過(guò)，目前已使用的月球車(chē)都采用輪式，并又分為4輪式、6輪式和8輪式等幾種。

要求比較高

無(wú)人月球車(chē)是一種在月面進(jìn)行巡視探測(cè)的行走裝置。它需適應(yīng)月球環(huán)境，攜帶科學(xué)探測(cè)儀器在月面進(jìn)行巡視探測(cè)，并把探測(cè)數(shù)據(jù)傳送回地球。因此，無(wú)人月球車(chē)實(shí)際上就是一種能夠在月球移動(dòng)并完成探測(cè)任務(wù)的機(jī)器人。其主要作用是：裝載科學(xué)探測(cè)儀器，并為這些儀器提供電源、溫控、測(cè)控等正常工作的條件；在月面行走并進(jìn)行勘測(cè)；把所探測(cè)到的科學(xué)數(shù)據(jù)傳回地球。

▲ 玉兔號(hào)月球車(chē)進(jìn)行外場(chǎng)專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)，月球車(chē)后面的吊車(chē)把玉兔號(hào)輕輕吊起，模擬月面六分之一重力

在技術(shù)上，月球車(chē)要能適應(yīng)月球輻射強(qiáng)、低重力（月球重力是地球的1/6，月壤很松軟，行進(jìn)效率會(huì)降低）、路況復(fù)雜（月面崎嶇不平，月球車(chē)的輪子既不能打滑，也不能翻車(chē)，并可前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、爬坡、取物、采樣和翻轉(zhuǎn)）、溫差很大（月球的1天溫度相差大約310℃）等不利條件，并具有自主工作能力（達(dá)到初級(jí)人工智能，例如，識(shí)別、爬越或繞過(guò)障礙物等）。

這種月球車(chē)用于拍攝月面高分辨率圖像；勘查月球的物質(zhì)和資源；研究月球的地形、地質(zhì)和形態(tài)特征以及表面的輻射和環(huán)境；分析月面土壤的化學(xué)成分和物理力學(xué)性質(zhì)；考察和收集月面的巖石樣品等。

同樣道理，由于月球環(huán)境比地球惡劣得多，所以載人月球車(chē)也比載人地球車(chē)要求高許多。美國(guó)在小布什總統(tǒng)執(zhí)政期間，為了重返月球，曾實(shí)施星座計(jì)劃，為此研制了密封式月球車(chē)，即航天員在該車(chē)內(nèi)可以不穿登月服。但隨著星座計(jì)劃的取消，這種月球車(chē)也不了了之了。

國(guó)外專(zhuān)家還提出過(guò)不少載人月球車(chē)的方案，例如，月球摩托車(chē)、火箭單座車(chē)、月球拖掛車(chē)、月球軌道巴士、中型月球探險(xiǎn)車(chē)、客貨兩用月球車(chē)、雙座多用途高性能小型月球車(chē)等，但都沒(méi)有投入實(shí)用。

蘇聯(lián)月球車(chē)

▲ 蘇聯(lián)無(wú)人月球探測(cè)車(chē)側(cè)面

▲ 美國(guó)航天員尤金·塞爾南駕駛著阿波羅17號(hào)的載人月球車(chē)

1970年11月10日和1973年1月8日，蘇聯(lián)先后用質(zhì)子號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射了月球17號(hào)和21號(hào)月球探測(cè)器?！霸虑?7號(hào)”在月球正面的雨海軟著陸，“月球21號(hào)”在月球正面的默尼環(huán)形山軟著陸。

月球17號(hào)和21號(hào)月球探測(cè)器分別攜帶的月球車(chē)1號(hào)、2號(hào)基本相同，都裝有8個(gè)輪子，長(zhǎng)為2.13米，軸距為1.70米，車(chē)輪直徑為0.51米，寬度為0.20米，車(chē)輪動(dòng)力范圍為0.1米，行駛速度為1～2公里/小時(shí)，可翻越30°的坡，電源采用太陽(yáng)電池陣列+蓄電池，在月夜期間，通過(guò)釙-210放射性同位元素加熱器保溫。

其不同之處是：月球車(chē)1號(hào)的質(zhì)量為756千克，裝有2副天線(xiàn)、4臺(tái)攝像機(jī)、月壤探測(cè)器、X射線(xiàn)光譜儀、X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡、宇宙射線(xiàn)探測(cè)器和激光設(shè)備等科學(xué)儀器，在月面行駛了10.5公里，工作了10個(gè)月，后由于能源不足停止工作；月球車(chē)2號(hào)的質(zhì)量為840千克，裝有3臺(tái)攝像機(jī)、月壤探測(cè)器、太陽(yáng)X射線(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器、天體光度測(cè)量計(jì)、磁力計(jì)、輻射計(jì)等科學(xué)儀器，在月面行駛了37千米，工作了4個(gè)月，地面人員可通過(guò)月球車(chē)2號(hào)發(fā)回的圖像來(lái)指揮其在月面的行走。另外，相比月球車(chē)1號(hào)，月球車(chē)2號(hào)在結(jié)構(gòu)上有所改進(jìn)，運(yùn)動(dòng)速度有所提高，攝像性能有所改善，活動(dòng)范圍大幅增加。

月球車(chē)1號(hào)拍攝了20000多張照片，對(duì)500個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了土壤物理測(cè)試，對(duì)25個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了土壤化學(xué)分析，總考察面積接近8萬(wàn)平方米2。此外，它還收集了大量月面輻射數(shù)據(jù)。月球車(chē)2號(hào)拍攝并發(fā)回了86張全景照片、8萬(wàn)多張電視圖片。

美國(guó)月球車(chē)

1971年7月—1972年12月，美國(guó)先后發(fā)射了阿波羅15號(hào)、16號(hào)和17號(hào)載人登月飛船，它們各自裝有一輛折疊式載人月球車(chē)，并且基本相同，均可在月面低重力、真空環(huán)境中行駛，從而擴(kuò)大了航天員的艙外活動(dòng)范圍。

每輛阿波羅月球車(chē)質(zhì)量約210千克，長(zhǎng)3米，軸距2.3米，高1.1米，有4個(gè)輪子（每個(gè)輪子各由一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，靠蓄電池提供動(dòng)力，輪胎在－100°C低溫下仍可保持彈性），電源采用銀鋅氫氧化鉀一次性電池，行駛速度為10～12公里/小時(shí)，能攜帶約490千克的有效載荷。車(chē)上裝有2個(gè)并排的可折疊座位，每個(gè)座位有可調(diào)節(jié)的踏板和安全帶。車(chē)前端桅桿上裝有大型網(wǎng)狀碟型天線(xiàn)。航天員通過(guò)位于兩個(gè)座位之間的T形手動(dòng)控制器來(lái)控制漫游車(chē)。手柄前部有一個(gè)控制與顯示模塊，顯示當(dāng)前的速度、方向、電源和溫度情況。

▲日本正在研制的月女神2號(hào)將使用月球車(chē)

其最高時(shí)速可達(dá)16公里，航天員坐在里面駕駛著它在月球表面巡游，以車(chē)代步，爬越障礙，翻越溝壑，對(duì)山脈、峽谷和火山口進(jìn)行了考察，并把激動(dòng)人心的彩色圖像傳回地面。

“阿波羅15號(hào)”的月球車(chē)總共行駛了27.76公里，總時(shí)間為3小時(shí)2分鐘，最長(zhǎng)單次行駛距離為12.47公里，離開(kāi)登月艙的最長(zhǎng)距離為5公里，收集了約77千克月球樣品。

“阿波羅16號(hào)”的月球車(chē)總共行駛了26.55公里，總時(shí)間為3小時(shí)26分鐘，最長(zhǎng)單次行駛距離為11.59公里，離開(kāi)登月艙的最長(zhǎng)距離為4.5公里，收集了約96千克月球樣品。

“阿波羅17號(hào)”的月球車(chē)總共行駛了35.89公里，總時(shí)間為4小時(shí)26分鐘，最長(zhǎng)單次行駛距離為20.12公里，離開(kāi)登月艙的最長(zhǎng)距離為7.6公里，收集了111千克月球樣品。在阿波羅17號(hào)任務(wù)中，由于月球車(chē)和航天服的可靠性增加，緩解了月球車(chē)行駛距離的局限，所以航天員駕駛月球車(chē)行駛的距離最長(zhǎng)。

▲ 印度月船2號(hào)的著陸器和巡視器

航天員使用月球車(chē)時(shí)會(huì)受到顆粒非常細(xì)小的月球塵埃影響。月球塵埃會(huì)使軸承、齒輪和密封的其他機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生磨損。另外,在月球車(chē)行駛時(shí)，從車(chē)輪下噴濺出來(lái)的塵埃數(shù)量巨大高度超過(guò)2米，對(duì)航天員執(zhí)行巡視任務(wù)產(chǎn)生了一定影響。

中國(guó)月球車(chē)

▲ 蘇聯(lián)月球車(chē)1號(hào)輪子特寫(xiě)

▲ 美國(guó)測(cè)試一款擁有全新電池系統(tǒng)的小型月球車(chē)，原計(jì)劃于2020年在重返月球中投入使用

2013年12月2日、2018年12月8日，我國(guó)先后用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了嫦娥三號(hào)、四號(hào)月球探測(cè)器。“嫦娥三號(hào)”在月球正面的虹灣區(qū)軟著陸，“嫦娥四號(hào)”在月球背面的艾特肯盆地軟著陸。

嫦娥三號(hào)、四號(hào)月球探測(cè)器分別攜帶的玉兔號(hào)和玉兔二號(hào)月球車(chē)，在外形、重量等方面基本一樣，但因?yàn)橹懎h(huán)境和科學(xué)目標(biāo)不太一樣，所以在功能和有效載荷方面有些改變。

“玉兔號(hào)”和“玉兔二號(hào)”都用于在月面巡視考察、收集和分析樣品。它們均長(zhǎng)1.5米，寬1米，高1.1米，設(shè)計(jì)壽命為3個(gè)月，采用6輪主副搖臂懸架的移動(dòng)構(gòu)形，可6輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，4輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向，具有爬20°坡、越20厘米高障礙的自主越障和避障，移動(dòng)速度最快為200米/小時(shí)。

由于“玉兔二號(hào)”是在月球背面地形崎嶇不平區(qū)域進(jìn)行巡視探測(cè)，所以針對(duì)月球背面復(fù)雜的地形條件、中繼通信新的需求、極大的溫差和科學(xué)目標(biāo)的實(shí)際需要等因素，在“玉兔號(hào)”的基礎(chǔ)上對(duì)玉兔二號(hào)月球車(chē)進(jìn)行了適應(yīng)性更改和有效載荷配置調(diào)整，對(duì)運(yùn)動(dòng)安全、能源供給、科學(xué)探測(cè)和測(cè)控通信等方面均做了特殊的設(shè)計(jì)。例如，盡量減少電纜裸露在外的面積，以減少電纜的故障風(fēng)險(xiǎn)；在軟件上也進(jìn)行了系統(tǒng)升級(jí)，從而更好地應(yīng)對(duì)各種突發(fā)狀況；還使其在自主休眠，自主地應(yīng)對(duì)光照的遮擋，自主避障能力等方面都有明顯提高。

與“玉兔號(hào)”相比，“玉兔二號(hào)”更輕盈、更自主、更健壯、更可靠。例如；玉兔號(hào)月球車(chē)攜帶了全景相機(jī)、測(cè)月雷達(dá)、紅外成像光譜儀、粒子激發(fā)X射線(xiàn)譜儀等科學(xué)探測(cè)儀器進(jìn)行巡視探測(cè)?！坝裢枚?hào)”上仍裝有全景相機(jī)、測(cè)月雷達(dá)、紅外成像光譜儀，但增加了瑞典的中性原子探測(cè)儀，去掉了“玉兔號(hào)”的粒子激發(fā)X射線(xiàn)譜儀。因此，玉兔二號(hào)月球車(chē)也就不需要機(jī)器臂了，從而輕了2千克。“玉兔號(hào)”重137千克，“玉兔二號(hào)”重135千克，是世界探月史上最輕的月球車(chē)。

“玉兔號(hào)”在月夜期間處于休眠狀態(tài)，月晝來(lái)臨時(shí)自主喚醒，但喚醒后需要地面進(jìn)行相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)置才能進(jìn)入安全的工作狀態(tài)?！坝裢枚?hào)”可根據(jù)光照條件，自主地進(jìn)入休眠狀態(tài)，喚醒后也可以自主設(shè)置進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

“玉兔號(hào)”在虹灣區(qū)上行走了114米后突然不能動(dòng)了，出現(xiàn)了機(jī)構(gòu)控制異常。針對(duì)這一問(wèn)題，“玉兔二號(hào)”改進(jìn)了各種走線(xiàn)的布局，采取了故障隔離設(shè)計(jì)，因此更健壯，應(yīng)付困難的能力更強(qiáng)。

▲ 在未來(lái)的月球基地中，航天員乘坐帶有增壓艙的月球車(chē)在月球上活動(dòng)

與同類(lèi)的蘇聯(lián)無(wú)人月球探測(cè)車(chē)相比，中國(guó)無(wú)人月球探測(cè)車(chē)的特點(diǎn)明顯，小而精。比如，蘇聯(lián)月球車(chē)1號(hào)、2號(hào)質(zhì)量分別為756千克、840千克，而玉兔號(hào)和玉兔二號(hào)月球車(chē)質(zhì)量分別為137千克、135千克；每輛蘇聯(lián)月球車(chē)有8個(gè)輪子，而每輛中國(guó)月球車(chē)有6個(gè)輪子；蘇聯(lián)月球車(chē)與中國(guó)月球車(chē)裝的科學(xué)探測(cè)儀器、運(yùn)行地點(diǎn)也不同，后者更先進(jìn)。其中“玉兔號(hào)”上裝的測(cè)月雷達(dá)是在世界月球探測(cè)器上首次使用，“玉兔二號(hào)”則是世界首個(gè)運(yùn)行在月球背面的月球車(chē)。

未來(lái)的前景

月球車(chē)可采用腿式、輪式、跳躍式、翻滾式和履帶式等，其中輪式具有運(yùn)動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，效率最高，所以全球已發(fā)射的7個(gè)月球巡視探測(cè)器都為輪式。日本即將發(fā)射的“月女神2號(hào)”和印度將發(fā)射的“月船2號(hào)”，都攜帶了輪式月球車(chē)。

在這幾類(lèi)月球車(chē)中，輪式的越野性能不太強(qiáng)，適應(yīng)能力最差；而腿式的適應(yīng)能力最強(qiáng)，但其效率最低。隨著月球車(chē)逐漸采用6輪搖臂—轉(zhuǎn)向架式懸掛系統(tǒng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)，輪式月球車(chē)的越野能力大大增強(qiáng)，能與腿式月球車(chē)相媲美。

現(xiàn)在，結(jié)合腿式和輪式月球車(chē)各自的優(yōu)點(diǎn)，一些國(guó)家已開(kāi)始研制輪腿式月球車(chē)。它融合了腿式的地形適應(yīng)能力和輪式高速高效的優(yōu)點(diǎn)，作業(yè)范圍大，同時(shí)具有優(yōu)越的越障避障能力，對(duì)復(fù)雜月球表面環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，但缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)與控制復(fù)雜。

跳躍式、翻滾式和履帶式探測(cè)器可適應(yīng)更復(fù)雜的地形。2018年9月21日，日本隼鳥(niǎo)2號(hào)就把兩臺(tái)跳躍式著陸探測(cè)器投放到龍宮小行星上。此技術(shù)也可移植到月球車(chē)上。

未來(lái)的月球車(chē)將朝著在月面工作更長(zhǎng)時(shí)間、行駛更長(zhǎng)距離、適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境等方面發(fā)展，并具有質(zhì)量和尺寸最小化、有效地利用和傳輸能源、機(jī)動(dòng)能力更強(qiáng)、航天員安全更高、應(yīng)用范圍更廣、成本更低等特點(diǎn)。為此，需采用模塊化設(shè)計(jì)和國(guó)際合作，以滿(mǎn)足多種需求。