1. 《知識百科》2014年第1期 中國月球車-玉兔
中國月球車
劉宇
2013年12月2日凌晨，中國在西昌衛星發射中心成功將肩負首次登月任務的探測器「嫦娥」三號送入軌道，由著陸器和「玉兔」號月球車組成的「嫦娥」三號於12月中旬在月球「虹灣」區軟著陸。這是中國第一次將自己設計的月球車送上月球。「玉兔」號月球車究竟什麼樣？它與國外的月球車有哪些不同？它將完成哪些科學任務？
「玉兔」——世界上第6台被送上月球的「月球車」
月球車，學名「月面巡視探測器」，是一種能夠在月球表面行駛並完成月球探測、考察、收集和分析樣品等復雜任務的專用車輛。月球車可分為無人駕駛月球車和有人駕駛月球車。至今為止，國外發射並成功運行的月球車有5輛，其中兩輛是無人駕駛月球車，是蘇聯在20世紀70年代發射的「月球車」1號和2號；3輛是有人駕駛的月球車，是美國「阿波羅」15號、16號、17號的月球車。有人駕駛的月球車主要作為一個交通工具，擴大航天員在月球上的活動范圍，上面基本沒有什麼儀器，由航天員駕駛行駛起來也相對容易一些。無人駕駛月球車難度更大，因為上面有很多儀器，要保證月球車在無人的狀態下行駛，儀器能正常工作。1970年11月17日，世界上第一台無人駕駛月球車「月球車」1號在月面「雨海」地區著陸。限於當時的技術條件，車上所搭載的有效載荷偏少，在月面移動以遠程遙控操作為主，不能自主避障行走。40多年過去了，由於材料、能源和人工智慧等技術的發展，無人月球車在輕量化結構設計、熱控、導航控制等方面取得了很大的進步。中國的「玉兔」號月球車是無人駕駛月球車，質量約140千克，與蘇聯的月球車相比是「小個子」。「玉兔」號月球車是我國最高智能機器人，它能完全自主導航，在月球上可以根據照相機拍到的四周情況，自己決定該走哪條路、怎麼走；可以自主避障，如果前面有大石頭擋住了，它過不去了，知道怎麼避開這個障礙；還可以自動上坡下坡。另外，「玉兔」號月球車可以指揮身上的儀器探測月球。
為什麼製造月球車需要高難技術？
月球上的環境與地球是完全不同的，地球上使用的普通車輛到了月球就「英雄無用武之地」了。製造月球車是一項高端科技，必談爛須要解決以下難題。
第一難題：重力問題。
月球重力是地球的1/6，這意味著，質量為50千克的東西，在地球上所受重力約500牛，到了月球表面則變成約80牛。
月球上的重力很小，車輛顯得很輕，因此很容易翻。重力減小的同時，車輛和月面的摩擦力也減小了，對車輛的控制會變得很困難，加上月面的地形復雜，浮塵又很厚。這些因素都使得車輛在月球上運動時變得十分不穩定。
第二難題：路況。
月球表面崎嶇不平，有石塊、有隕石坑，還有坡。在這種情況下，設計的輪子便需要克服重重障礙，既不能打滑，也不能翻車，必須做到前進、後退、轉彎、爬坡，樣樣在行。
第三難題：溫度。
月球表面白晝時溫度高達120多攝氏度，黑夜時低至零下180攝氏度，溫差超過300攝氏度。月面上如此急劇變化的溫度環境會使橡膠迅速老化，因此月球車輪胎要使用特殊材料，克服溫差。
第四難題：智能。
月球車是個智能機器人，需要具備獨立處理各種環境的能力。由於距離太遠，無法通過遙控的方法處理反饋信息。月球車需要配置若干個感測器，這些感測器在得知周圍環境、自身姿態、位置等信息後，通過地面或車內裝置，形成三維地形圖，勾畫出到達目標點的路徑，並導航控制月球車走到目的地。
第五難題：電力供應。
月球的自轉引起月面的晝夜變化。月球上一天的時間，大約相當於地球上的28天。因此，月球晝夜間隔大約相當於地球上的14天。也就是說，登上月球以後大賣的月球車，依靠太陽能電池最多可以連續工作14天，進入月夜以後，它由於無法通過光能發電，進入休滾侍逗眠狀態。14天後，又能自動醒來。
「玉兔」號著陸地點為何選在「虹灣」區？
這次「嫦娥」三號的月球著陸區「虹灣」，並不是真的海灣，而是像彩虹一樣的巨型隕石坑壁。月球上有很多地方以「海」和「洋」命名。古人望月，以為看到的是海，其實不是。「虹灣」區位於月球北緯43度左右、西經31度左右，南北長約100千米、東西長約300千米。
專家認為，之所以選擇在「虹灣」區落月，是出於多種綜合因素的考慮：一是這里比較平坦，落月比較安全；二是美蘇的探測主要集中在月球赤道附近，「虹灣」仍是月球研究的空白，探測該區域非常有科學價值；三是能實現正面直接測控通訊；四是太陽光照較好，能保證探測器的太陽能電池板正常工作。
「玉兔」號如何在月球表面如履平地？
月球重力是地球的六分之一，表面土壤非常松軟，凹凸不平。盡管整體來講「虹灣」地區比較平坦，但月球表面千萬年來經歷隕石撞擊，遍布大大小小的隕石坑和石塊。為了避免在月球上「摔跤」或「崴腳」，「玉兔」號月球車有6個特製的輪子，而且移動很慢——每小時最多走200米。這個輪子學名叫作篩網輪，能夠盡可能減輕重量。另外，這個車輪在設計上必須要有很大的接觸面積，摩擦系數也要很大，這樣它在月面才不會陷進去，也不容易打滑。由於輪子是網狀的，所以一邊行駛一邊可以把沙子漏掉。除了表面用篩網，輪子每隔一段就會有一個鋸齒形的結構，叫作棘爪，就像是兔爪上的指甲。月球上本沒有路，這些尖利的小爪子能夠幫助「玉兔」號月球車穩穩地抓住月面，跨過溝溝坎坎。遇到地面不平的情況時，「玉兔」號月球車會通過搖臂調整重心。如果遇到較大的坡，它就會繞過去。「玉兔」號月球車有4隻「眼睛」，分別是全景相機和導航相機。它通過相機「觀察」周圍環境，對月面障礙進行感知和識別，然後對巡視的路徑進行規劃。遇到超過20度的斜坡、高於20厘米的石塊或直徑大於2米的撞擊坑，月球車能夠自主判斷並安全避讓。
「玉兔」號如何克服月球上的溫差挑戰？
由於月球上的一天約相當於地球上的28天，其中約14天會被太陽連續暴曬，月球車面臨散熱難題；接下來的約14天又是連續月夜，在零下100多攝氏度的環境里，大部分電子設備無法工作，只能「冬眠」，還需要專門設備保持月球車的內部溫度，防止設備被凍壞。要讓探測器同時適應這兩種極端溫度，難度非常大。而且一旦夜晝交替，探測器還要從「冬眠」狀態中被「喚醒」，如何保證系統正常啟動也是道難題。
「玉兔」號月球車身披「黃金甲」，目的不是為了好看，而是為了反射月球白晝的強光，降低晝夜溫差，同時阻擋宇宙中各種高能粒子的輻射，從而支持和保護月球車上的紅外成像光譜儀、激光點陣器等10多套科學探測儀器。
按照科研人員的精心設計，「玉兔」號月球車與人類的作息制度一樣，也是日出而作、日落而息，白天還要午休，只不過它每天的工作時間相當於地球上的14天，然後又會一覺睡14天。
漫漫長夜之後，「玉兔」號月球車怎麼才能立刻點火工作呢？它需要一床禦寒的「被子」和一個叫它起床工作的「鬧鍾」。承擔這兩項功能的是它的供電系統——太陽翼。專家介紹，晚上，「玉兔」號的桅桿會收起來，太陽翼也會扣上，這個過程相當於把月球車散熱的途徑隔絕掉了。然後，當太陽升起，到達5度的高度時，巡視器就被喚醒了，進入到第二天白天的正常工作。
對一些特別嬌嫩的設備，月球車內還專門准備了「暖寶」——核電池。由於月球晝夜要半個月交替一次，低溫時月球車上的所有的儀器全部要凍壞，普通電池無法應對。「玉兔」號月球車實際上在同時使用太陽能和核能作為能源。黑暗中的月面，溫度驟降到零下100多攝氏度，為防止車載儀器被凍壞，休眠中的月球車就得靠核電池的能量來保溫，並維持與地面的通訊。而一旦新一個白晝來臨，太陽能電池就能重新驅動月球車工作。這項技術將使我國成為繼美俄之後，世界上第三個將核動力應用於太空探測的國家。
「玉兔」號月球車將肩負哪些科學任務？
「嫦娥」三號在月球軟著陸後，「玉兔」號月球車將駛離著陸器，在月面進行3個月的科學勘測，著陸器則在著陸地點進行原地探測。「玉兔」號底部安裝了一台測月雷達，可發射雷達波，探測二三十米厚的月球土壤結構，還可以對月球下面100米深的地方進行探測。
在月面巡視勘察過程中，「玉兔」號月球車可以利用相機對周圍環境進行感知，並將數據傳回地面。地面控制中心利用環境數據和月球車狀態信息進行建模、分析和規劃，並對規劃進行運動模擬和驗證，並把通過驗證的控制指令再上傳給月球車。月球車將執行控制指令，並自主完成近距離障礙識別和局部路徑規劃，利用攜帶的儀器進行科學探測。根據科學探測的需要，以上過程循環往復。依靠先進的設備，「玉兔」號月球車能夠對巡視區月表進行三維光學成像，對月表進行紅外光譜分析，開展月壤厚度和結構的科學探測，對月表物質主要元素進行現場分析，等等。它傳回來的數據，將幫助我們更加准確、更加直接地了解那個神秘美麗的月亮。此次「嫦娥」三號任務完成後，月球車和著陸器會永遠留在月球上。