行路難
——挑戰(zhàn)惡劣環(huán)境的月球車

□ 士 元

行路難
——挑戰(zhàn)惡劣環(huán)境的月球車

□ 士 元

美國航天員向月球車上搬運采集的月巖和月壤樣品

2014年2月22日，我國玉兔號月球車第三次進入月夜休眠。在進入第二個月夜休眠前，玉兔號出現(xiàn)了機構控制異常情況，后來雖然被喚醒，進行了定點探測，但問題仍然存在。其實,在人類的月球車發(fā)展史上一直充滿了風險，這主要是因為月球環(huán)境太復雜，甚至超過了火星，所以至今國外也只發(fā)射并運行成功了2輛無人月球探測車，而發(fā)射并運行成功的無人火星探測車已達到4輛。

不過，人類對月球探測的科學內涵正在不斷擴展，它包括關于月球的科學、基于月球的科學和居于月球的科學三個方面。根據(jù)這樣的理念，未來的月球探索不僅要發(fā)射大量的軌道器對月球進行普查，還要進行更多的月面活動，對月球進行詳查。所以，用月球車對月面某一區(qū)域進行探測十分重要，是未來對月球進行深入探測的基礎和條件。

車分兩類

月球車是進行月球表面探測的重要工具之一。按照探測方式分，月球車一般分為兩類：一類是無人駕駛的月球探測車，它由輪式底盤和儀器艙組成，載有多種科學探測設備，用太陽能電池和蓄電池聯(lián)合供電，是靠地面遙控指令或自主控制在月面進行巡視探測，前蘇聯(lián)在20世紀70年代發(fā)射的月球車1號、2號屬于這類月球車。另一類是有人駕駛的載人月球車，它主要作為航天員在月面活動的交通工具，用于擴大航天員的活動范圍和減少航天員的體力消耗，并隨時存放航天員收集的巖石和土壤標本，乘阿波羅15號、16號、17號載人飛船登月的美國航天員曾使用這種類似電瓶車的月球車在月面活

漫游四方

無人月球探測車是一種在月面進行巡視探測的行走裝置，它必須能夠適應月球環(huán)境，此外還可以通過攜帶動。至今，國外一共成功發(fā)射、運行過5輛月球車，即用于在月面進行無人巡視探測的前蘇聯(lián)月球車1號、2號和用于在月面運送航天員進行科學探測的美國3輛有人駕駛的載人月球車。

前蘇聯(lián)無人月球探測車能在月面自動行走，爬14度的坡，可轉彎和倒車。

按走行方式，月球車還可分為輪式、腿式、蛇式、輪腿式、跳躍式、履帶式等多種類型。不過，目前已使用的月面巡視探測器都采用輪式，因此叫月球車更為通俗易懂。輪式月球車還可分為4輪式、6輪式、8輪式等，目前常用6輪式月球車?？茖W探測儀器在月面進行巡視探測，并把探測數(shù)據(jù)傳送回地球。因此，無人月球車實際上就是一種能夠在月球移動并完成探測任務的機器人。

在技術上，無人月球探測車要能適應月球輻射強、弱重力（月球重力是地球的1/6，月壤很松軟，行進效率會降低）、路況復雜（月面崎嶇不平，月球車的輪子既不能打滑，也不能翻車，并可前進、后退、轉彎、爬坡、取物、采樣和翻轉）、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（達到初級人工智能，例如，具有識別、爬越或繞過障礙物等能力）。

載人月球車也需適應月球環(huán)境，但攜帶的科學儀器很少，且在漫游過程中無須具有遙控功能。不過，它需具有載人行駛和運貨功能，并要求速度較快。在“阿波羅”登月使用載人月球車之后，國外專家還提出過不少載人月球車的方案，例如，月球摩托車、火箭單座車、月球拖掛車、月球軌道巴士、中型月球探險車、客貨兩用月球車、雙座多用途高性能小型月球車等，但都沒有投入實用。在美國小布什總統(tǒng)執(zhí)政期間，美國為了重返月球，曾實施星座計劃，為此研制了密封式月球車，即航天員在該車內可以不穿登月服，但隨著星座計劃的取消，這種月球車也不了了之了。

前蘇聯(lián)月球17號著陸器落月過程示意圖

前蘇聯(lián)月球17號著陸器載月球車1號在月面著陸示意圖

前蘇聯(lián)月球車1號離開著陸器進行巡視探測示意圖

無人神探

1970年11月10日和1973年1月8日，前蘇聯(lián)先后用質子號運載火箭發(fā)射了月球17號和21號月球探測器。其著陸器質量約1080千克，著陸機構為4個腿式緩沖著陸架，攜帶了著陸雷達、姿態(tài)控制系統(tǒng)、推力可調的發(fā)動機系統(tǒng)、陀螺、探測溫度和輻射的儀器等。月球17號在月球雨海地區(qū)軟著陸，月球21號在月球默尼環(huán)形山軟著陸。

月球17號和21號著陸器攜帶的月球車1號、2號基本相同，都裝有8個輪子，長為2.13米，軸距為1.70米，車輪直徑為0.51米，寬度為0.20米，車輪動力范圍為0.1米，行駛速度為1～2千米/小時，可翻越30°的坡，電源采用太陽電池陣列+蓄電池，在月夜期間，通過釙-210放射性同位元素加熱器保溫。

它們的不同之處是：月球車1號的質量為756千克，裝有2副天線、4臺攝像機、月壤探測器、X射線光譜儀、X射線望遠鏡、宇宙射線探測器和激光設備等科學儀器，在月面行駛了10.5千米，工作了10個月，后由于能源不足停止了工作；月球車2號的質量為840千克，裝有3臺攝像機、月壤探測器、太陽X射線實驗儀器、天體光度測量計、磁力計、輻射計等科學儀器，雖然由于故障只工作了4個月，但在月面行駛了37千米，地面人員可通過月球車2號發(fā)回的圖像來指揮其在月面的行走。另外，相比月球車1號，月球車2號在結構上有所改進，運動速度有所提高，攝像性能有所改善，活動范圍大幅增加。

我國玉兔號月球車與前蘇聯(lián)月球車相比有一些共同點，例如，都是用著陸器攜帶到月面軟著陸，都采用輪式移動系統(tǒng)，工作電源都采用太陽電池陣列+蓄電池，在月夜期間都是通過同位素熱源保溫。它們也有不同之處，例如，玉兔號的質量為140千克，6個輪子；玉兔號上裝的測月雷達是在世界月球探測器上首次使用。與前蘇聯(lián)月球車相比，我國玉兔號的最大特點就是小而精，智能化程度非常高，所攜帶的儀器非常先進。比如，月球17號和21號月球探測器是盲降，而我國嫦娥3號落月時增加了懸停和避開障礙功能，大大減少了落月時的風險；月球17號和21號著陸器基本沒有探測功能，而嫦娥3號著陸器和月球車都有探測功能。

我國玉兔號月球車工作實景

運人工具

1971年7月～1972年12月，美國先后發(fā)射了阿波羅15號、16號、17號載人登月飛船，它們各自裝有一輛折疊式載人月球車，并且基本相同，均可在月面弱重力、真空環(huán)境中行駛，從而擴大了航天員的艙外活動范圍。每輛“阿波羅”月球車質量約210千克，長3米，軸距2.3米，高1.1米，有4個輪子（每個輪子各由一臺發(fā)動機驅動，靠蓄電池提供動力，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 千米/小時，能攜帶約490千克的有效載荷。車上裝有2個并排的可折疊座位，每個座位有可調節(jié)的踏板和安全帶。車前端桅桿上裝有大型網(wǎng)狀碟型天線。航天員通過位于兩個座位之間的T形手動控制器來控制漫游車。手柄前部有一個控制與顯示模塊，顯示當前的速度、方向、電源和溫度情況。其最高時速可達16千米，航天員坐在里面駕駛著它在月球表面巡游，以車代步，爬越障礙，翻越溝壑，對山脈、峽谷和火山口進行考察，并把激動人心的彩色圖像傳回地面。

阿波羅15號的月球車總共行駛了27.76千米，總時間為3小時2分鐘，最長單次行駛距離為12.47千米，離開登月艙的最長距離為5千米，收集了約77千克月球樣品；阿波羅16號的月球車總共行駛了26.55千米，總時間為3小時26分鐘，最長單次行駛距離為11.59千米，離開登月艙的最長距離為4.5千米，收集了約96千克月球樣品；阿波羅17號的月球車總共行駛了35.89千米，總時間為4小時26分鐘，最長單次行駛距離為20.12千米，離開登月艙的最長距離為7.6千米，收集了111千克月球樣品。其中在阿波羅17號任務中，由于月球車和航天服的可靠性增加，緩解了月球車行駛距離的局限，所以航天員駕駛月球車行駛的距離最長。

美國航天員使用月球車時受到了微粒非常細小的月球塵埃影響，塵埃會使軸承、齒輪和密封的其他機械結構產生磨損。另外，在月球車行駛時，從車輪下噴濺出來的塵埃數(shù)量巨大，高度超過2米，對航天員執(zhí)行巡視任務產生了一定影響。

美國阿波羅16號航天員在地球上練習駕駛月球車。

道路曲折

人類發(fā)展月球車或月球著陸器或月球采樣返回探測器經(jīng)歷了許多坎坷。例如，1963年4月2日，前蘇聯(lián)發(fā)射的月球4號從距月球約8500千米處飛過，軟著陸失??；1965年5月9日發(fā)射的月球5號于5月12日撞擊月面，軟著陸失??；1965年6月8日發(fā)射的月球6號從距月球約10萬千米處飛過，軟著陸失??；1965年10月4日發(fā)射的月球7號于10月7日撞擊月面，軟著陸失敗；1965年12月3日發(fā)射的月球8號于12月6日撞擊月面，軟著陸失?。?969年7月13日發(fā)射的月球15號于7月21日墜毀于危海，未取回樣品；1971年9月2日發(fā)射的月球18號于9月11日著陸于豐富海附近，月球車因地面不平發(fā)生翻滾；1974年10月28日發(fā)射的月球23號于11月6日于危海南部著陸，鉆機損壞，未送回樣品。

美國探月也不是一帆風順。例如，美國1962年4月23日發(fā)射徘徊者4號于4月26日落在月球背面，指令系統(tǒng)失靈；1964年1月30日發(fā)射的徘徊者6號，2月2日墜毀于靜海地區(qū)，電視系統(tǒng)失靈；1966年9月20日發(fā)射的勘測者2號于9月23日墜毀于哥白尼月坑附近，控制系統(tǒng)失效；1967年7月14日發(fā)射的勘測者4號于7月17日在中央灣著陸前，無線電聯(lián)系中斷。

至今，國外只有前蘇聯(lián)成功發(fā)射、運行了月球車1號、2號兩輛無人月球探測車，其中月球車1號在月面工作了10個月，而月球車2號由于中途出現(xiàn)故障只工作了4個月。月球車2號在地面操控下駛入一個撞擊坑考察巖石時，由于輪子在疏松凹陷的月壤中空轉，在倒車時坑壁的月壤撞落到月球車太陽電池板和散熱器表面，導致供電驟減，車內過熱，數(shù)日后月球車與地面徹底失去聯(lián)系。

20世紀90年代至今也出現(xiàn)過探月故障。1990年1月，日本發(fā)射的飛天號月球軌道器在接近月球后與地面失去聯(lián)系，未獲得探測成果。2008年10月，印度的月船1號繞月探測器，其設計壽命為2年，但月船1號因故障，只在軌工作312天就與地面失去聯(lián)系。從對國外月球探測器故障統(tǒng)計與分析來看，在探測器各分系統(tǒng)中，載荷、通信、電源、推進、控制5個分系統(tǒng)容易發(fā)生故障。

阿波羅15號航天員詹姆斯·歐文（James Irwin）準備駕駛歷史上第一輛載人月球車。

環(huán)境惡劣

月球車易出現(xiàn)故障，其主要原因有：一是月球離地球較遠，這就給發(fā)射、測控、入軌、著陸、返回等帶來很多困難；二是月面環(huán)境十分惡劣，甚至比火星環(huán)境更復雜，它主要表現(xiàn)在大溫差、長月夜、強輻射、高真空、弱重力、無磁場、坑很多、月塵多、月壤細、很松軟等，這些中的任何一項都會對月球車產生影響，有的甚至很大，足以致命。

例如，從月表的路況上看，太陽紫外線輻射的影響，月壤細粒會周期性地升起，月球重力是地球的1/6，月球車行走時更容易帶起大量月壤細粒，形成月塵。月塵可能進入甚至覆蓋月球車所載儀器設備，一旦附著很難清除。月塵可能引起月球車很多故障，包括機械結構卡死、密封機構失效、光學系統(tǒng)靈敏度下降等。月球表面塵埃帶電，會給太陽電池、光學器件等帶來不利影響。月面覆蓋著厚度不等的月壤層，并存在大小不等的月坑和巖石，其物理力學特性和月表地形都與月球車移動性能直接相關。

因為缺乏大氣，月球車將完全暴露在多種宇宙射線下，強烈的電磁輻射可能破壞電子遙控系統(tǒng)，這對接收系統(tǒng)的最大接收功率提出了相當高的要求。月球每天都會直接面對超新星與太陽風暴等大量宇宙射線，而當宇宙射線擊中月球表面時，會引發(fā)微型的核反應，其結果就是月球表面也產生大批危險的次級輻射。另外，月球表面崎嶇不平，石塊、隕石坑遍布，而土壤非常松軟，這都會降低月球車的行進效率。而低重力導致的摩擦系數(shù)降低，使得在月球上行走遠比地球上容易打滑，這對月球車的控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

還有，月球的一天約相當于地球的28天，而且14天是陽光普照的白天，14天是寒冷的黑夜。在月球上，受光部位的極限溫度可達150℃，未受光部位的溫度則為－130℃～－60℃，而到了夜間，溫度會降到－180℃，有些地區(qū)甚至低至－200℃。所以長達十多個地球日的漫長月夜、超過300℃的晝夜溫差是月球車的“健康殺手”，必須采用有效的保溫措施，使艙內溫度控制在－50℃～50℃范圍內，否則設備會損壞。

月球車進行巡視探測的一大難點就是上天前在地面試驗驗證難，而且人類對月球復雜環(huán)境了解有限，所以在實際探測中還會遇到很大風險、很大挑戰(zhàn)。

美國航天員尤金·塞爾南駕駛著阿波羅17號的月球車。

未來前景

美國測試一款擁有全新電池系統(tǒng)的小型月球車，原計劃于在2020年重返月球中投入使用，現(xiàn)在不了了之。

由此可見，用月球車進行探測是一項非常復雜并具高風險的工程，在探月過程中出現(xiàn)異常在所難免。任何一項復雜的科研工作都是波浪式前進的，太空探索更是如此，因為人類對月球和其他地外星球知之甚少，而且距離遙遠，探測它們必須冒很大風險，經(jīng)歷各種考驗，排除各種困難，才能有所收獲，然而這也正是太空探索的魅力所在。所以，人類還在研究新型月球車。

月球車還可采用腿式和履帶式等，但由于輪式月球車具有運動速度快的優(yōu)點，效率最高，所以國外已發(fā)射的5個月球車都為輪式。腿式月球車的適應能力最強，但其效率最低，控制起來比較復雜，弄不好一下子就坐到地上；履帶式最大的優(yōu)點是壓強小、通過性強，但它的弱點是遇到石塊等容易被卡住不能動彈。與腿式和履帶式月球車相比，雖然輪式月球車越野性能不太強，適應能力差，但隨著月球車逐漸采用6輪搖臂+轉向架式懸掛系統(tǒng)底盤結構，使輪式月球車的越野能力大大增強，能與腿式月球機器人相媲美。

不過，結合腿式和輪式漫游車各自的優(yōu)點，一些國家開始研制輪腿式月球車。它融合了腿式的地形適應能力強和輪式高速高效的優(yōu)點，作業(yè)范圍大，同時具有優(yōu)越的越障避障能力，對復雜月球表面環(huán)境適應性強，但缺點是結構與控制更復雜。

未來的月球車將朝著在月面工作更長的時間、行駛更長的距離、適應更復雜的環(huán)境等方面發(fā)展，并具有質量和尺寸最小化、有效地利用和傳輸能源、機動能力更強、航天員安全更高、應用范圍更廣、成本更低等特點。為此，需采用模塊化設計和國際合作，以滿足多種需求。

（責任編輯 張恩紅）