牛!世界第一张月球背面全景图来了!午休结束的玉兔二号开工啦

据国家航天局消息,截至1月11日8时,嫦娥四号着陆器、“玉兔二号”巡视器和“鹊桥”中继星状态稳定,各项工作按计划实施。着陆器上配置的地形地貌相机完成了环拍,科研人员根据“鹊桥”中继星传回的数据,制作了清晰的环拍影像图。科研人员根据降落相机拍摄的影像图,完成了着陆点周围月面地形地貌的初步分析。

                            嫦娥四号着陆器地形地貌相机环拍全景图(方位投影)(图片来源/央视新闻)

1月10日,“玉兔二号”结束“午休”被成功唤醒,继续展开对月球背面的巡视探测。

1月3日,我国嫦娥四号月球探测器实现了人类探测器首次在月球背面软着陆。此后,其中的玉兔二号月球车先后与着陆器分离,与“鹊桥”中继星成功建立独立数传链路,完成了环境感知、路径规划,并按计划在月面行走到达A点,开展科学探测,成为世界第一辆在月球背面运行的月球车。

                             由嫦娥四号着陆器地形地貌相机拍摄的玉兔二号在A点的影像图

月球车又叫“月面巡视探测器”,对月球进行探测十分重要。至今为止,全球共发射、运行过7辆月球车。今天,我们就来看看这些美丽的“月球使者”。

多样的月球使者

月球车是进行月球表面探测的重要工具之一,区别于地球上的车辆,很多月球车不用轮子或履带。月球车的分类方式有很多,常用的有两类:探测方式和走行方式。

按照探测方式,月球车一般分为两类:一类是无人驾驶的月球车。它由轮式底盘和一些其它设备组成,并载有多种科学探测仪器,用太阳能电池、蓄电池和核电池联合供电,靠地面遥控指令或自主控制在月面进行巡视探测,苏联在20世纪70年代发射的月球车一号、二号和我国的玉兔一号、二号月球车就属于这类,它们主要用于在月面进行巡视探测。

另一类是有人驾驶的月球车。它主要作为航天员在月面活动的交通工具,用于扩大航天员的活动范围和减少航天员的体力消耗,并随时存放航天员收集的岩石和土壤标本,美国阿波罗十五号、十六号、十七号载人登月飞船的航天员曾使用这种类似高尔夫车的月球车在月面活动。

                 阿波罗15号航天员詹姆斯·欧文(James Irwin)准备驾驶历史上第一辆载人月球车

按走行方式,月球车可分为轮式、腿式、蛇式、轮腿式、跳跃式、履带式、滑撬式、气囊式、履带轮式和螺旋滚筒式等多种类型。不过,目前已使用的月球车都采用轮式,并又分为4轮式、6轮式和8轮式等几种。

适应月球环境要求高

无人月球车是一种在月面进行巡视探测的行走装置。它需适应月球环境,携带科学探测仪器在月面进行巡视探测,并把探测数据传送回地球。因此,无人月球车实际上就是一种能够在月球移动并完成探测任务的机器人。为了适应月球的艰难环境,对月球车的要求很高。

在技术上,月球车要能适应月球辐射强、低重力(月球重力是地球的1/6,月壤很松软,行进效率会降低)、路况复杂(月面崎岖不平,月球车的轮子既不能打滑,也不能翻车,并可前进、后退、转弯、爬坡、取物、采样和翻转)、温差很大(月球的1天温度相差大约310℃)等不利条件,并具有自主工作能力(达到初级人工智能,例如,识别、爬越或绕过障碍物等)。

同样道理,由于月球环境比地球恶劣的多,所以载人月球车也比在载人地球车要求高许多,而且一般只使用化学电池。在美国小布什总统执政期间,美国为了重返月球,曾实施星座计划,为此研制了密封式月球车,即航天员在该车内可以不穿登月服,但随着星座计划的取消,这种月球车也不了了之了。

国外专家还提出过不少载人月球车的方案,例如,月球摩托车、火箭单座车、月球拖挂车、月球轨道巴士、中型月球探险车、客货两用月球车、双座多用途高性能小型月球车等,但都没有投入实用。

       美国测试一款拥有全新电池系统的小型月球车,原计划于在2020年重返月球中投入使用

 中美苏月球车大不同

我国是世界上第三个发射月球车的国家,在此之前世界上仅有苏联和美国共发射过 5 辆月球车。因此,算上我国的“玉兔号”和“玉兔二号”,目前世界上共发射运行过7辆月球车。虽同为探月设备,但中美苏三国的月球车可各有各的“满点技能”!

苏联月球车:拍照测试很忙活

1970年11月10日和1973年1月8日,苏联先后用质子号运载火箭发射了月球十七号和二十一号月球探测器。月球十七号在月球正面的雨海软着陆,月球二十一号在月球正面的默尼环形山软着陆。

                                             苏联无人月球探测车侧面

月球十七号和二十一号月球探测器分别携带的月球车一号、二号基本相同,都装有8个轮子,长为2.13米,轴距为1.70米,车轮直径为0.51米,宽度为0.20米,车轮动力范围为0.1米,行驶速度为1~2千米/小时,电源采用太阳电池阵列+蓄电池,在月夜期间,通过钋-210放射性同位元素加热器保温。

其不同之处是:月球车一号的质量为756千克,装有2副天线、4台摄像机、月壤探测器、X射线光谱仪、X射线望远镜、宇宙射线探测器和激光设备等科学仪器,在月面行驶了10.5千米,工作了10个月;月球车二号的质量为840千克,装有3台摄像机、月壤探测器、太阳X射线实验仪器、天体光度测量计、磁力计、辐射计等科学仪器,在月面行驶了37千米,工作了4个月。

                                       苏联月球车1号离开着陆器进行巡视探测示意图

美国月球车:宇航员的代步车

1971年7月~1972年12月,美国先后发射了阿波罗十五号、十六号和十七号载人登月飞船,它们各自装有一辆折叠式载人月球车,并且基本相同,均可在月面低重力、真空环境中行驶,从而扩大了航天员的舱外活动范围。

每辆“阿波罗”月球车质量约210千克,长3米,轴距2.3米,高1.1米,有4个轮子,电源采用银锌氢氧化钾一次性电池,行驶速度为10~12千米/小时。车上装有2个并排的可折叠座位,车前端桅杆上装有大型网状碟型天线。航天员通过位于两个座位之间的T形手动控制器来控制漫游车。

其最高时速可达16千米,航天员坐在里面驾驶着它在月球表面巡游,以车代步,爬越障碍,翻越沟壑,对山脉、峡谷和火山口进行了考察,并把激动人心的彩色图像传回地面。

中国月球车:玉兔二号更轻盈自主可靠

2013年12月2日、2018年12月8日,我国先后用长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心成功了发射嫦娥三号、四号月球探测器。嫦娥三号在月球正面的虹湾区软着陆,嫦娥四号在月球背面的艾特肯盆地软着陆。

                                               我国玉兔号月球车工作实景

嫦娥三号、四号月球探测器分别携带的玉兔号和玉兔二号月球车,在外形、重量等方面基本一样,但因为着陆环境和科学目标不太一样,所以在功能和有效载荷方面有些改变。

                                                玉兔号月球车结构图

玉兔号和玉兔二号都用于在月面巡视考察、收集和分析样品。它们均长1.5米,宽1米,高1.1米,设计寿命为3个月,采用6轮主副摇臂悬架的移动构形,可6轮独立驱动,4轮独立转向,具有爬20°坡、越20厘米高障碍的自主越障和避障,移动速度最快为200米/小时。

与玉兔号相比,玉兔二号更轻盈、更自主、更健壮、更可靠。例如:玉兔号科学探测仪器的基础上,玉兔二号增加了瑞典的中性原子探测仪,去掉了粒子激发X射线谱仪,因此也就不需要机器臂了,从而轻了2千克。玉兔号重137千克,玉兔二号车135千克,是世界探月史上最轻的月球车。

                                              玉兔二号使用的筛网轮

与同类的苏联无人月球探测车相比,中国无人月球探测车的特点明显,小而精。比如,苏联月球车一号、二号质量分别为756千克、840千克,而嫦娥三号、四号月球车质量分别为137千克、135千克;每辆苏联月球车有8个轮子,而每辆中国月球车有6个轮子;苏联月球车与中国月球车装的仪器、运行地点也不同,其中玉兔号上装的测月雷达是在世界月球探测器上首次使用,玉兔二号则是世界首个运行在月球背面的月球车。

未来月球车运行方式更多样

月球车可采用腿式、轮式、跳跃式、翻滚式和履带式等,其中轮式具有运动速度快的优点,效率最高,所以全球已发射的7个月球巡视探测器都为轮式,但轮式越野性能不太强,适应能力最差。而腿式月球巡视探测器的适应能力最强,但其效率最低。随着月球车逐渐采用6轮摇臂—转向架式悬挂系统底盘结构,使轮式月球车的越野能力大大增强,能与腿式月球机器人相媲美。

现在,结合腿式和轮式月球车各自的优点,一些国家已开始研制轮腿式月球车。它融合了腿式的地形适应能力和轮式高速高效的优点,作业范围大,同时具有优越的越障避障能力,对复杂月球表面环境适应性强,但缺点是结构与控制复杂。跳跃式、翻滚式和履带式探测器可适应更复杂的地形。2018年9月21日,日本隼鸟2号就把两台跳跃式着陆探测器投放到龙宫小行星上。此技术也可移植到月球车上。

未来的月球车将朝着在月面工作更长的时间、行驶更长的距离、适应更复杂的环境等方面发展,并具有质量和尺寸最小化、有效地利用和传输能源、机动能力更强、航天员安全更高、应用范围更广、成本更低等特点。为此,需采用模块化设计和国际合作,以满足多种需求。

相信在不远的将来,我们将会看到更加先进的月球车在月球表面纵横驰骋,为人类的探月事业再立新功!