1. 《知识百科》2014年第1期 中国月球车-玉兔
中国月球车
刘宇
2013年12月2日凌晨，中国在西昌卫星发射中心成功将肩负首次登月任务的探测器“嫦娥”三号送入轨道，由着陆器和“玉兔”号月球车组成的“嫦娥”三号于12月中旬在月球“虹湾”区软着陆。这是中国第一次将自己设计的月球车送上月球。“玉兔”号月球车究竟什么样？它与国外的月球车有哪些不同？它将完成哪些科学任务？
“玉兔”——世界上第6台被送上月球的“月球车”
月球车，学名“月面巡视探测器”，是一种能够在月球表面行驶并完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务的专用车辆。月球车可分为无人驾驶月球车和有人驾驶月球车。至今为止，国外发射并成功运行的月球车有5辆，其中两辆是无人驾驶月球车，是苏联在20世纪70年代发射的“月球车”1号和2号；3辆是有人驾驶的月球车，是美国“阿波罗”15号、16号、17号的月球车。有人驾驶的月球车主要作为一个交通工具，扩大航天员在月球上的活动范围，上面基本没有什么仪器，由航天员驾驶行驶起来也相对容易一些。无人驾驶月球车难度更大，因为上面有很多仪器，要保证月球车在无人的状态下行驶，仪器能正常工作。1970年11月17日，世界上第一台无人驾驶月球车“月球车”1号在月面“雨海”地区着陆。限于当时的技术条件，车上所搭载的有效载荷偏少，在月面移动以远程遥控操作为主，不能自主避障行走。40多年过去了，由于材料、能源和人工智能等技术的发展，无人月球车在轻量化结构设计、热控、导航控制等方面取得了很大的进步。中国的“玉兔”号月球车是无人驾驶月球车，质量约140千克，与苏联的月球车相比是“小个子”。“玉兔”号月球车是我国最高智能机器人，它能完全自主导航，在月球上可以根据照相机拍到的四周情况，自己决定该走哪条路、怎么走；可以自主避障，如果前面有大石头挡住了，它过不去了，知道怎么避开这个障碍；还可以自动上坡下坡。另外，“玉兔”号月球车可以指挥身上的仪器探测月球。
为什么制造月球车需要高难技术？
月球上的环境与地球是完全不同的，地球上使用的普通车辆到了月球就“英雄无用武之地”了。制造月球车是一项高端科技，必谈烂须要解决以下难题。
第一难题：重力问题。
月球重力是地球的1/6，这意味着，质量为50千克的东西，在地球上所受重力约500牛，到了月球表面则变成约80牛。
月球上的重力很小，车辆显得很轻，因此很容易翻。重力减小的同时，车辆和月面的摩擦力也减小了，对车辆的控制会变得很困难，加上月面的地形复杂，浮尘又很厚。这些因素都使得车辆在月球上运动时变得十分不稳定。
第二难题：路况。
月球表面崎岖不平，有石块、有陨石坑，还有坡。在这种情况下，设计的轮子便需要克服重重障碍，既不能打滑，也不能翻车，必须做到前进、后退、转弯、爬坡，样样在行。
第三难题：温度。
月球表面白昼时温度高达120多摄氏度，黑夜时低至零下180摄氏度，温差超过300摄氏度。月面上如此急剧变化的温度环境会使橡胶迅速老化，因此月球车轮胎要使用特殊材料，克服温差。
第四难题：智能。
月球车是个智能机器人，需要具备独立处理各种环境的能力。由于距离太远，无法通过遥控的方法处理反馈信息。月球车需要配置若干个传感器，这些传感器在得知周围环境、自身姿态、位置等信息后，通过地面或车内装置，形成三维地形图，勾画出到达目标点的路径，并导航控制月球车走到目的地。
第五难题：电力供应。
月球的自转引起月面的昼夜变化。月球上一天的时间，大约相当于地球上的28天。因此，月球昼夜间隔大约相当于地球上的14天。也就是说，登上月球以后大卖的月球车，依靠太阳能电池最多可以连续工作14天，进入月夜以后，它由于无法通过光能发电，进入休滚侍逗眠状态。14天后，又能自动醒来。
“玉兔”号着陆地点为何选在“虹湾”区？
这次“嫦娥”三号的月球着陆区“虹湾”，并不是真的海湾，而是像彩虹一样的巨型陨石坑壁。月球上有很多地方以“海”和“洋”命名。古人望月，以为看到的是海，其实不是。“虹湾”区位于月球北纬43度左右、西经31度左右，南北长约100千米、东西长约300千米。
专家认为，之所以选择在“虹湾”区落月，是出于多种综合因素的考虑：一是这里比较平坦，落月比较安全；二是美苏的探测主要集中在月球赤道附近，“虹湾”仍是月球研究的空白，探测该区域非常有科学价值；三是能实现正面直接测控通讯；四是太阳光照较好，能保证探测器的太阳能电池板正常工作。
“玉兔”号如何在月球表面如履平地？
月球重力是地球的六分之一，表面土壤非常松软，凹凸不平。尽管整体来讲“虹湾”地区比较平坦，但月球表面千万年来经历陨石撞击，遍布大大小小的陨石坑和石块。为了避免在月球上“摔跤”或“崴脚”，“玉兔”号月球车有6个特制的轮子，而且移动很慢——每小时最多走200米。这个轮子学名叫作筛网轮，能够尽可能减轻重量。另外，这个车轮在设计上必须要有很大的接触面积，摩擦系数也要很大，这样它在月面才不会陷进去，也不容易打滑。由于轮子是网状的，所以一边行驶一边可以把沙子漏掉。除了表面用筛网，轮子每隔一段就会有一个锯齿形的结构，叫作棘爪，就像是兔爪上的指甲。月球上本没有路，这些尖利的小爪子能够帮助“玉兔”号月球车稳稳地抓住月面，跨过沟沟坎坎。遇到地面不平的情况时，“玉兔”号月球车会通过摇臂调整重心。如果遇到较大的坡，它就会绕过去。“玉兔”号月球车有4只“眼睛”，分别是全景相机和导航相机。它通过相机“观察”周围环境，对月面障碍进行感知和识别，然后对巡视的路径进行规划。遇到超过20度的斜坡、高于20厘米的石块或直径大于2米的撞击坑，月球车能够自主判断并安全避让。
“玉兔”号如何克服月球上的温差挑战？
由于月球上的一天约相当于地球上的28天，其中约14天会被太阳连续暴晒，月球车面临散热难题；接下来的约14天又是连续月夜，在零下100多摄氏度的环境里，大部分电子设备无法工作，只能“冬眠”，还需要专门设备保持月球车的内部温度，防止设备被冻坏。要让探测器同时适应这两种极端温度，难度非常大。而且一旦夜昼交替，探测器还要从“冬眠”状态中被“唤醒”，如何保证系统正常启动也是道难题。
“玉兔”号月球车身披“黄金甲”，目的不是为了好看，而是为了反射月球白昼的强光，降低昼夜温差，同时阻挡宇宙中各种高能粒子的辐射，从而支持和保护月球车上的红外成像光谱仪、激光点阵器等10多套科学探测仪器。
按照科研人员的精心设计，“玉兔”号月球车与人类的作息制度一样，也是日出而作、日落而息，白天还要午休，只不过它每天的工作时间相当于地球上的14天，然后又会一觉睡14天。
漫漫长夜之后，“玉兔”号月球车怎么才能立刻点火工作呢？它需要一床御寒的“被子”和一个叫它起床工作的“闹钟”。承担这两项功能的是它的供电系统——太阳翼。专家介绍，晚上，“玉兔”号的桅杆会收起来，太阳翼也会扣上，这个过程相当于把月球车散热的途径隔绝掉了。然后，当太阳升起，到达5度的高度时，巡视器就被唤醒了，进入到第二天白天的正常工作。
对一些特别娇嫩的设备，月球车内还专门准备了“暖宝”——核电池。由于月球昼夜要半个月交替一次，低温时月球车上的所有的仪器全部要冻坏，普通电池无法应对。“玉兔”号月球车实际上在同时使用太阳能和核能作为能源。黑暗中的月面，温度骤降到零下100多摄氏度，为防止车载仪器被冻坏，休眠中的月球车就得靠核电池的能量来保温，并维持与地面的通讯。而一旦新一个白昼来临，太阳能电池就能重新驱动月球车工作。这项技术将使我国成为继美俄之后，世界上第三个将核动力应用于太空探测的国家。
“玉兔”号月球车将肩负哪些科学任务？
“嫦娥”三号在月球软着陆后，“玉兔”号月球车将驶离着陆器，在月面进行3个月的科学勘测，着陆器则在着陆地点进行原地探测。“玉兔”号底部安装了一台测月雷达，可发射雷达波，探测二三十米厚的月球土壤结构，还可以对月球下面100米深的地方进行探测。
在月面巡视勘察过程中，“玉兔”号月球车可以利用相机对周围环境进行感知，并将数据传回地面。地面控制中心利用环境数据和月球车状态信息进行建模、分析和规划，并对规划进行运动仿真和验证，并把通过验证的控制指令再上传给月球车。月球车将执行控制指令，并自主完成近距离障碍识别和局部路径规划，利用携带的仪器进行科学探测。根据科学探测的需要，以上过程循环往复。依靠先进的设备，“玉兔”号月球车能够对巡视区月表进行三维光学成像，对月表进行红外光谱分析，开展月壤厚度和结构的科学探测，对月表物质主要元素进行现场分析，等等。它传回来的数据，将帮助我们更加准确、更加直接地了解那个神秘美丽的月亮。此次“嫦娥”三号任务完成后，月球车和着陆器会永远留在月球上。