月球背面的中國足跡
——紀(jì)念玉兔二號工作一周年

賈陽 劉振春（中國空間技術(shù)研究院）

中國的月球探測工程被命名為嫦娥工程，是我國航天工程中的旗艦型項(xiàng)目，已經(jīng)執(zhí)行了五次任務(wù)，其中兩次任務(wù)，探測器系統(tǒng)中包括月球車，這兩輛月球車分別被命名為玉兔一號、玉兔二號。月球車能夠拓展科學(xué)儀器的探測范圍，開展有針對性的探測活動(dòng)，比如測量不同地點(diǎn)月壤的厚度，分析特定巖石中礦物的成分，獲得巡視區(qū)域的地形地貌信息，深化人類對月球的認(rèn)知程度。

2013年年底，玉兔一號開始在月球正面虹灣地區(qū)開展巡視探測。2019年年初，玉兔二號月球車駛抵月球背面，成為人類到達(dá)月球背面的第一輛月球車。值此玉兔二號月背工作一周年之際，用這篇紀(jì)念文章回顧月球車十五年的研制歷程。

1 精心設(shè)計(jì)

15年前，剛開始接觸這項(xiàng)工作，誰都不知道月球車應(yīng)該長什么樣子時(shí)，我們組織設(shè)計(jì)師提出了各種創(chuàng)意，就是在宣紙上畫出各種想象中的方案，不求功能完整，比如月球車通訊需要天線，需要太陽能電池提供能源，還需要機(jī)械臂輔助工作。設(shè)計(jì)圖紙上畫出五花八門、形態(tài)各異、長著“翅膀”的小車：有4個(gè)輪子的、6個(gè)輪子的、8個(gè)輪子的；有方形太陽翼、三角形太陽翼、梯形太陽翼；有的穩(wěn)重，有的輕巧，有的酷炫如變形金剛……

我們論證過各種移動(dòng)形式，履帶可以通過松軟的沙地，但是出現(xiàn)卡滯后，沒有辦法派人去修理。還有一種腿式，就像人類這樣行走，但是在極端條件下，全系統(tǒng)斷電，再起來會(huì)比較困難。最后選擇了輪式，為了說明輪式的優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部討論時(shí)我們夸贊車輪是人類最偉大的發(fā)明，自然界中生物有許多值得人類學(xué)習(xí)、仿生的技能，但是沒有哪種生物直接長得像個(gè)車輪。

接下來的設(shè)計(jì)工作，就不是在宣紙上了。設(shè)計(jì)師利用計(jì)算機(jī)三維造型軟件，集成不同方案的優(yōu)點(diǎn)，形成了各種創(chuàng)新構(gòu)形方案。

設(shè)計(jì)過程中，也走過彎路。比如，曾經(jīng)設(shè)計(jì)過像法拉利跑車那樣的流線形，后來發(fā)現(xiàn)我們的車跑不快，關(guān)鍵是月球上面也沒有風(fēng)。還考慮過變形輪，平地時(shí)可以走得快一些，遇到障礙再把車輪收小，也是擔(dān)心車輪被石塊卡住，沒有被采納。

綜合這些方案，我們在2006年的時(shí)候研制出來一輛原理樣機(jī)，所謂原理樣機(jī)就是說已經(jīng)具備了月球車的所有功能，但是還不能上天，因?yàn)樗脑骷瞧胀ǖ碾娮釉骷?，還經(jīng)受不了空間環(huán)境的考驗(yàn)。通過在原理樣機(jī)上開展的大量試驗(yàn)，我們掌握了月球車的設(shè)計(jì)需要解決的技術(shù)問題，就有信心承擔(dān)月球車的型號研制任務(wù)了。

進(jìn)入型號研制階段之后，我們根據(jù)需求的變化，對月球車的構(gòu)形細(xì)節(jié)進(jìn)行了進(jìn)一步的調(diào)整。如果你仔細(xì)對比不同階段月球車的設(shè)計(jì)圖，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它經(jīng)歷了一系列的演化過程：車體上方增加圍欄；車輪間連接的方式發(fā)生變化；太陽翼從兩個(gè)都可收攏變?yōu)橐粋€(gè)可收攏另一個(gè)一次性展開；天線與桅桿合二為一等。這些變化，有的是因?yàn)橐言虑蜍嚬ぷ鲿r(shí)產(chǎn)生的熱量散掉，有的是為了保證車前進(jìn)越過的障礙后退時(shí)都能通過，以確保安全，還有的是為了減重。

畫在宣紙上的月球車原始創(chuàng)意方案

利用軟件設(shè)計(jì)的月球車創(chuàng)意構(gòu)形方案

變徑四輪車

月球車原理樣機(jī)

設(shè)計(jì)師為月球車在月面工作時(shí)設(shè)計(jì)了8種構(gòu)形。發(fā)射的時(shí)候處于收攏的狀態(tài)；走到月球表面之前要展開太陽翼和桅桿；在月球表面移動(dòng)的時(shí)候，把后面的天線展開，就像京劇演員的翎子；探測的時(shí)候，要把機(jī)械臂投放出去；為了與地球通訊，需要倒下桅桿；充電的時(shí)候，需要太陽翼正對太陽；到了月夜的時(shí)候，要把太陽翼收攏，相當(dāng)于給車蓋上了被子；最后一種構(gòu)形，如果月球的中午時(shí)分車上的設(shè)備太熱，可以利用太陽翼遮陽，最后因?yàn)闆]有出現(xiàn)高溫的情況，所以實(shí)際上沒有用到。

月球車系統(tǒng)組成

月球車構(gòu)形

2 充分驗(yàn)證

月球車研制完成后，還不能直接送上天，這里面有兩個(gè)原因。一個(gè)是月球表面的環(huán)境十分惡劣，著陸點(diǎn)中午的溫度是90°C，夜晚低于－190°C，月夜的低溫環(huán)境下，蘋果像石頭一樣堅(jiān)硬。另一個(gè)原因就是不可修復(fù)，如果在月面發(fā)現(xiàn)問題，能夠采取的手段有限。因此必須在地面進(jìn)行充分的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

除了各種航天器都要做的通用試驗(yàn)，月球車還要進(jìn)行一些特殊試驗(yàn)，被稱為專項(xiàng)試驗(yàn)，下面著重介紹的就是月球車外場專項(xiàng)試驗(yàn)。

外場試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)月球車在未知環(huán)境中進(jìn)行長距離巡視探測的能力，確認(rèn)工作程序的正確性，測試地面遙操作工作流程。由于這次試驗(yàn)是我國首次在沙漠無人區(qū)進(jìn)行月球車的綜合性能測試，難度很大。在試驗(yàn)過程中既涉及到航天產(chǎn)品的性能保證、長距離運(yùn)輸，又涉及到地面控制系統(tǒng)在野外地區(qū)能否穩(wěn)定工作，還有試驗(yàn)后勤保障工作的方方面面。

試驗(yàn)場選在了敦煌西北的庫姆塔格沙漠腹地，通過31天的艱苦工作，任務(wù)規(guī)劃、月夜停靠、短距離移動(dòng)、全周期任務(wù)演練等所有的試驗(yàn)工況都順利完成了，月面通訊試驗(yàn)也取得了滿意的結(jié)果，記錄了大量測試數(shù)據(jù)，大家的努力換來了豐碩的成果。

外場試驗(yàn)

試驗(yàn)隊(duì)為了增加試驗(yàn)場的文化氣息，在生活區(qū)立了一塊漂亮的石頭，上面寫著“望舒”兩個(gè)字。給場區(qū)起名“望舒村”，是因?yàn)椤巴妗笔菫樵铝榴{車的女神，典出《楚辭·離騷》“前望舒使先驅(qū)兮，后飛廉使奔屬”，而我們自詡是現(xiàn)代為月亮造車、駕車的人。

村口見不到一棵草，大家從遠(yuǎn)處運(yùn)來了一棵胡楊，用胡楊的“三個(gè)一千年”寓意不屈不撓、上下求索的深空精神。胡楊上面掛著6個(gè)木牌，標(biāo)出了試驗(yàn)場到祖國6個(gè)城市的距離，因?yàn)?50名試驗(yàn)隊(duì)員來自于這6個(gè)城市。一個(gè)木牌向上，寫著“月球，380000km”，那是大家心中的目標(biāo)。

3 為月球車起名

嫦娥三號探測器發(fā)射前，有關(guān)部門為月球車面向全球征名。身為從事月球車研制的設(shè)計(jì)師，我們關(guān)心著它的一切，包括給它起個(gè)響亮的名字。我們在月球車的原理樣機(jī)階段曾經(jīng)根據(jù)其6個(gè)輪子，以及桅桿、機(jī)械臂等特征，起了一個(gè)輕巧靈動(dòng)的名字，叫“哪吒”,這次也有網(wǎng)友提出了相同的建議。我們仔細(xì)地統(tǒng)計(jì)了這些建議，大致分為以下幾類。

第一類，古代神話人物。由于嫦娥這個(gè)名稱取自于古代神話，因此大家很自然地認(rèn)為應(yīng)該給月球車也取個(gè)神話人物的名稱。這些神話人物中，既有嫦娥的丈夫后羿，也有陪伴嫦娥的吳剛；既有廣為人知的軒轅、盤古、女媧，也有不為大家熟知的常羲（月神護(hù)衛(wèi)）、羲和（為太陽駕車的女神）。還有的網(wǎng)友建議的名稱來自民間故事，包括悟空、八戒、牛郎等，推薦天蓬的網(wǎng)友顯然沒有忘記那段故事。在這類名稱中，我們認(rèn)為最貼切的是哪吒、精衛(wèi)。

第二類，吉祥詞語。有很多網(wǎng)友希望給月球車起個(gè)吉祥、響亮的名稱，也代表了對國富民強(qiáng)的期盼。這類名稱很多，包括探索、和諧、玲瓏等。但是這其中有一些名稱已經(jīng)被其他航天器使用過，比如希望號是我國研制的一顆青少年科普星，和平號是國外著名的空間站的名字，顯然都不能再采用了。這類名稱中，我們最喜歡的名稱是玲瓏（李白有名句“玲瓏望秋月”）。

第三類，含“龍”、“月”、“天”等字的詞。龍是中華民族的圖騰，很多網(wǎng)友建議在名稱之中用上“龍”字，比如龍翔等，其中我們偏愛蒼龍，在古代，蒼龍象征著東方，意味深長。含“天”字的名稱中，天巡比較貼切。

還有，地名類中有兩個(gè)有特點(diǎn)，一個(gè)是長安，一個(gè)是新疆，用到了雙關(guān)。動(dòng)植物類中言其輕小如螢火蟲、蜜蜂、玄武、朱雀，當(dāng)然最被廣泛認(rèn)可的還是玉兔。還有一個(gè)有特點(diǎn)的名字叫imoon，像是個(gè)年輕人的作品，但是我們擔(dān)心被認(rèn)為是蘋果公司的產(chǎn)品。

最后說一下團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)的推薦：哪吒、望舒、賽里斯（Seres）、玉兔。其中只有賽里斯這個(gè)名稱是我們獨(dú)家推薦，因?yàn)檫@是中國的古稱。

經(jīng)過多輪評選，無論是網(wǎng)友，還是領(lǐng)導(dǎo)、專家，都很喜歡玉兔這個(gè)名字，后來大家就都叫它玉兔了。

等到發(fā)射第二輛月球車的時(shí)候，也曾經(jīng)進(jìn)行征名，但是我們早就認(rèn)為非玉兔二號莫屬了。

4 任務(wù)實(shí)施

嫦娥三號探測器于2013年12月2日發(fā)射，14日成功著陸在月球表面，15日凌晨，玉兔一號月球車駛抵月球表面，沉寂了近40年的月面再次迎來了地球人的問候，實(shí)現(xiàn)了我國首次在地球以外天體巡視探測的目標(biāo)。

2019年年初，玉兔二號來到月球背面，這是人類首次在月球背面這片亙古荒原留下人類活動(dòng)的道道車轍。國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)隨后將嫦娥四號著陸點(diǎn)命名為“天河基地”，將著陸點(diǎn)周圍呈三角形排列的小環(huán)形坑分別命名為“織女”、“河鼓”和“天津”，將著陸點(diǎn)所在馮·卡門坑內(nèi)的中央峰命名為“泰山”。

嫦娥四號著陸器地形地貌相機(jī)對玉兔二號成像

落月之后，我們最關(guān)注的就是天際線。由于潮汐鎖定，月球的一個(gè)白天相當(dāng)于地面15天，一個(gè)夜晚也是大約15天，由于電池比較小，月球車晚上需要斷電休眠，玉兔一號時(shí)采用的是地面控制休眠方式，到了規(guī)定的時(shí)間，地面發(fā)指令，月球車進(jìn)入休眠狀態(tài)。

但是這種方式不能適應(yīng)月球背面的復(fù)雜環(huán)境，我們擔(dān)心地面需要發(fā)月球車休眠指令的時(shí)候，由于地形遮擋，月球車收不到。經(jīng)過仔細(xì)分析，設(shè)計(jì)師提出利用環(huán)境變化提供的信息讓月球車自主休眠的方案。夕陽西下，月球車感知到太陽翼發(fā)電電流越來越小，自己決定睡覺的時(shí)間，不需要地面發(fā)指令。但是這個(gè)方案有一個(gè)先決條件，就是東方太陽升起的方向，山的高度角不能超過20°。因此，落月之后我們沒有來得及慶祝，就迅速安排相機(jī)成像，進(jìn)行環(huán)拍。當(dāng)計(jì)算出東方山的高度只有3°左右時(shí)，我們松了一口氣。

喚醒的原理類似，也是月球車自主感知電流的變化，知道不能再睡懶覺了，就起床干活。

5 成果豐富

龍巖

玉兔二號月球車上安裝了全景相機(jī)、紅外成像光譜儀、測月雷達(dá)等探測設(shè)備，但并未像玉兔一號一樣搭載了粒子激發(fā)X射線譜儀，而是將該設(shè)備換成一臺(tái)中國和瑞典合作的中性原子探測儀，其主要功能是幫助科學(xué)家探知太陽風(fēng)如何作用于月球。

地形地貌

月球車的全景相機(jī)安裝在桅桿上，所謂全景，并不是說相機(jī)的視場很大，實(shí)際上為了獲得分辨率高的圖像，在月球車攜帶的各種相機(jī)中，全景相機(jī)的視場是最小的，大家看到的視場很大的全景相機(jī)圖片是經(jīng)過地面拼接處理后獲得的。落月后，月球車?yán)@著陸器走了半圈，從不同的角度拍攝了著陸器，照片中能夠清晰地看到著陸腿陷入月球土壤中的深度，這些彩色照片就是全景相機(jī)拍攝的。

全景相機(jī)最主要的任務(wù)是對月表進(jìn)行光學(xué)成像，用于對巡視區(qū)地形地貌、撞擊坑、地質(zhì)構(gòu)造的綜合研究。利用這些數(shù)據(jù)，對著陸區(qū)的巖石、撞擊坑的分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)與美國阿波羅號飛船著陸區(qū)的分布情況有較大的差別。

嫦娥三號探測器著陸在一個(gè)直徑約為450m的年輕的撞擊坑邊緣，形貌分析和解譯表明，這個(gè)撞擊坑形成于哥白尼紀(jì)，絕對年齡大約為3000～8000萬年。劇烈的撞擊在月表留下了很多大的石塊，月球車拍攝到一塊長約4m，高約1.5m 的巨大巖石，被命名為“龍巖”，其表面顯示粗粒結(jié)構(gòu)，與地球上的輝長巖較為相似，而顯著不同于以往阿波羅采集到的月海玄武巖樣品。

玉兔二號執(zhí)行任務(wù)時(shí)，這臺(tái)設(shè)備繼續(xù)發(fā)揮重要作用，很多我們熟悉的照片都是它拍攝的，很多科學(xué)家感興趣的探測目標(biāo)也是在全景相機(jī)的圖片中被遴選出來的。

物質(zhì)成分

紅外成像光譜儀用于巡視區(qū)月表紅外光譜分析和成像探測，利用其數(shù)據(jù)可以精細(xì)了解著陸區(qū)的物質(zhì)化學(xué)成分。兩輛月球車都攜帶了紅外光譜儀。

玉兔二號巡視探測過程中對石塊和熔融狀物質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)探測，給我們帶來了月球背面的新信息。研究團(tuán)隊(duì)利用光譜探測數(shù)據(jù)，證明了月球背面南極-艾特肯盆地存在斜長石、低鈣輝石以及橄欖石，為分析著陸區(qū)礦物成分是以月幔物質(zhì)為主，還是被后續(xù)撞擊熔融再分異提供了重要的信息。

地質(zhì)結(jié)構(gòu)

月球車上裝載了測月雷達(dá)，這是國外沒有做過的。從玉兔一號數(shù)據(jù)的處理結(jié)果中可知，測月雷達(dá)有效信號深度達(dá)到百米以上，在大約40m深處有雷達(dá)反射異常，分析認(rèn)為是地層的分界線。雷達(dá)探測到著陸區(qū)年輕的玄武巖層的厚度達(dá)到195m，這說明直至距今25億年前，雨海盆地仍有大規(guī)模的火山噴發(fā)。

嫦娥三號著陸區(qū)的年齡明顯小于其他月海區(qū)域，但實(shí)測的月壤厚度明顯大于其他間接方法估算的2～4m，說明整個(gè)月球的月壤厚度可能被低估了。利用探測區(qū)及周圍大量地形、地貌、撞擊坑、地質(zhì)構(gòu)造和成分信息，科學(xué)家還完成了著陸探測區(qū)的地質(zhì)填圖。我國科學(xué)家首次研究報(bào)道了雨海北部地區(qū)的地質(zhì)特征及其淺表層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，對于探索月球的巖漿演化歷史和后期改造作用具有非常重要的意義。

全景相機(jī)拍攝的嫦娥四號著陸器

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)月球正面的虹灣地區(qū)不同深度的月壤介電常數(shù)離散較大，淺表石塊數(shù)量相對較多，而玉兔二號巡視區(qū)域地質(zhì)更古老，在深度11m的范圍內(nèi)介電常數(shù)變化幅度較小。兩個(gè)巡視區(qū)域地質(zhì)背景迥異。

元素豐度

玉兔一號的粒子激發(fā)X射線譜儀可以實(shí)現(xiàn)月表物質(zhì)主量元素含量的分析，獲得了月壤約10種元素的準(zhǔn)確含量。研究發(fā)現(xiàn)著陸處的月壤中鐵和鈦的含量較高，而鋁含量較低，與其他著陸點(diǎn)的探測結(jié)果不同，說明發(fā)現(xiàn)了玄武巖的一種新類型。此外，這里的月壤中富含鉀、鋯、釔、鈮，表明這種玄武巖混入了10%～20%的克里普巖組分。

6 深空之路

玉兔二號工作整整一年了，已經(jīng)成為人類在月面工作時(shí)間最長的月球車。在荒涼的月球背面，它一路向西，不斷前進(jìn)，不斷探測，用月球的沙，描繪著中國航天人的夢想與激情。希望它帶來更多的月球背面的信息，愿玉兔在深空之路上越走越遠(yuǎn)……