月球車

1、無人駕駛月球車──由輪式底盤和儀器艙組成，用太陽能電池和蓄電池聯(lián)合供電。這類月球車的行駛是靠地面遙控指令。1970年11月17日，蘇聯(lián)發(fā)射的 “月球”17號(hào)探測器把世界上第一臺(tái)無人駕駛的月球車── “月球車”1號(hào)送上月球。此車約重1.8噸，在月面上行駛了10.5公里，考察了8萬平方米的月面。此后蘇聯(lián)送上月球的 “月球車”2號(hào)行駛了37公里，并向地球發(fā)回了88幅月面全景圖。

2、有人駕駛月球車──這是由宇航員駕駛在月面上行走的車。主要用于擴(kuò)大宇航員的活動(dòng)范圍和減少體力消耗，可隨時(shí)存放宇航員采集采集的巖石和土壤標(biāo)本。這類月球車的每個(gè)輪子各由一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，靠蓄電池提供動(dòng)力，輪胎在─100度低溫下仍可保持彈性，宇航員操縱手柄駕駛月球車，可向前、向后、轉(zhuǎn)彎和爬坡。1971年9 月30日，美國 “阿波羅”15號(hào)飛船登上月球，兩名宇航員駕駛月球車行駛了27.9公里; “阿波羅”16號(hào)、17號(hào)攜帶的月球車，分別在月面上行駛了27公里和35公里，并利用月球車上的彩色攝像機(jī)和傳輸設(shè)備，向地球?qū)崟r(shí)地發(fā)回宇航員在月面上活動(dòng)的情景及離開月球返回環(huán)月軌道時(shí)登月艙上升級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣的景象。

 歷史

1970年11月17日蘇聯(lián)“月球”17號(hào)探測器(見“月球”號(hào)探測器)把世界上第一個(gè)無人駕駛的“月球車”1號(hào)送上月球，它行駛了10.5公里,考察了8萬平方米的月面。后來的“月球車”2號(hào)行駛了37公里，向地球發(fā)回88幅月面全景圖。

1971年7月31日，“阿波羅15”號(hào)宇航員戴維斯-R-斯科特和詹姆斯-B-歐文進(jìn)行了人類首次月球車行駛，他們駕駛著4輪月球車，在崎嶇不平的月球表面上，越過隕石坑和礫石行駛了數(shù)公里。 斯科特和歐文成為在月球上漫步的第7位和第8位人，而且是第一個(gè)在月球上駕車行駛的。

他們于30日在月球的“雨海”登陸，并于美國東部時(shí)間31日上午9時(shí)25分離開“隼”號(hào)登月艙。幾分鐘之后，他們從宇宙飛 船上卸下月行車，開始了他們的勘探旅行。游車的前舵輪操作不 靈，但是按設(shè)計(jì)只有后輪驅(qū)動(dòng)，后驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

當(dāng)宇航員們在埃爾鮑隕石坑的邊沿停下時(shí)，位于休斯頓的任務(wù)控制臺(tái)打開了游車的電視攝影機(jī)，向地球傳送非常清晰的彩色 圖像。電視觀眾可以看到宇航員挑選和采集月石標(biāo)本。有一次， 他們興奮地喊道，“這里有些漂亮的供地質(zhì)研究用的巖石。”

他們駕車行駛了兩小時(shí)，走了8公里，之后又回到登月艙。 按計(jì)劃，斯科特和歐文將在后兩天駕駛月行車做更多的旅行。他 們將同在指揮船中的另一名“阿波羅15”號(hào)宇航員阿爾弗雷德- M-沃頓會(huì)合，一起返回。

基本功能

從某種意義上說，月球車屬于機(jī)器人技術(shù)。月球車無論是輪式的還是腿式的，都應(yīng)具有前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、爬坡、取物、采樣和翻轉(zhuǎn)(跌倒后能翻身)等基本功能，甚至具有初級(jí)人工智能(例如，識(shí)別、爬越或繞過障礙物等)。這些都與現(xiàn)代機(jī)器人所具有的功能相似。

但是，月球車僅有這些功能是不夠的。它是一種在太空特殊環(huán)境下執(zhí)行探測任務(wù)的機(jī)器人—— 太空機(jī)器人，既有機(jī)器人的屬性，更具有航天器的特點(diǎn)，不同于地面使用的工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)學(xué)機(jī)器人和家用機(jī)器人。

“質(zhì)量輕，體積小，耗功低”從來就是航天器設(shè)計(jì)的金科玉律，在最近的航天優(yōu)勢產(chǎn)品的評(píng)價(jià)指標(biāo)中被稱為“常規(guī)三項(xiàng)”;追求“輕、小、低”是航天器研發(fā)的永恒主題。航程越遠(yuǎn)，要求越高，對(duì)月球探測器的質(zhì)量、體積和功耗要求就更輕、更小和更低。根據(jù)中國運(yùn)載火箭可望達(dá)到的能力，1臺(tái)月球車需要由比它重300倍的運(yùn)載火箭發(fā)射，這是發(fā)射同樣質(zhì)量地球衛(wèi)星的運(yùn)載火箭質(zhì)量的4～6倍。

月球車是一個(gè)可移動(dòng)的平臺(tái)，它要攜帶若干有效載荷，如探測儀器或挖掘采樣器等。這些設(shè)備和裝置必須小型化、輕型化。月球車通常作為月球軌道器的有效載荷，軌道器又作為運(yùn)載火箭的有效載荷安裝在火箭頂端直徑狹小的整流罩里。月球車應(yīng)制成可折疊式，以盡可能縮小發(fā)射體積。月球車的電源來之不易，用太陽電池發(fā)電，其面積和質(zhì)量與功耗大小成正比;若用一次性電池，質(zhì)量與使用時(shí)間成正比，為了減輕質(zhì)量，也必須降低功耗。因此，月球車的設(shè)計(jì)必須充分采用微電子器件、微型機(jī)械和輕型材料，在開發(fā)應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)(mems)上應(yīng)有所突破。

在正式接受任務(wù)時(shí)，月球探測工程總體會(huì)提出月球車的質(zhì)量、尺寸和功耗的指標(biāo)要求。月球車應(yīng)按規(guī)定技術(shù)指標(biāo)研制。據(jù)首席科學(xué)家說，就目前了解到的情況看，已經(jīng)做出來的月球車樣機(jī)的質(zhì)量比設(shè)想中的指標(biāo)超出好多倍，甚至高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

月球車必須適應(yīng)航天特殊環(huán)境，包括力學(xué)環(huán)境和空間環(huán)境。力學(xué)環(huán)境指月球車在發(fā)射上升過程中運(yùn)載火箭產(chǎn)生的沖擊、振動(dòng)、過載和噪聲;在月面降落過程中制動(dòng)火箭產(chǎn)生的沖擊、過載和可能用氣囊緩沖著陸產(chǎn)生的多次彈跳、翻滾。月球車必須經(jīng)得起這些“摔、打、滾、爬”等折騰。

技術(shù)要點(diǎn)

作為航天器的月球車，它同樣是由有效載荷、結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、電源、制導(dǎo)、定位與控制、熱控制、數(shù)據(jù)管理和測控等分系統(tǒng)組成，其研制管理是一項(xiàng)系統(tǒng)工程;月球車同樣是屬于不可維修的“上天”產(chǎn)品，對(duì)質(zhì)量和可靠性要求非常高。 因此，在進(jìn)入工程研制后，應(yīng)參照航天系統(tǒng)多年來通過各種衛(wèi)星研制管理實(shí)踐所積累的一整套行之有效的系統(tǒng)工程與質(zhì)量管理制度和方法，加強(qiáng)質(zhì)量控制。

抗輻射

首先應(yīng)了解地月和月面空間輻射的類型、能量和強(qiáng)度。對(duì)月球車上使用的電子部件，特別是對(duì)輻射尤為敏感的高集成度微電子器件，應(yīng)采取相應(yīng)的抗輻射加固措施。月球的自轉(zhuǎn)引起月面的晝夜變化。月球上一天的時(shí)間，大約相當(dāng)于地球上的27天略多。因此，月球晝夜間隔大約相當(dāng)于地球上的14天。也就是說，登上月球以后的月球車，最多可以連續(xù)工作14天，進(jìn)入月夜以后，它由于無法通過光能發(fā)電，進(jìn)入休眠狀態(tài)。14天后，又能自動(dòng)醒來。

防冷焊

月球車上的機(jī)構(gòu)及其他活動(dòng)部件，例如月球車從發(fā)射時(shí)的折疊狀態(tài)展開成型，車輪及其驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，天線的展開及指向機(jī)構(gòu)、采掘機(jī)械臂等，在高真空條件下收藏、壓緊100多小時(shí)后，應(yīng)保證不會(huì)“焊住”或卡死，能順利展開和活動(dòng)。月球車是個(gè)智能機(jī)器人，需要具備獨(dú)立處理各種環(huán)境的能力。由于距離太遠(yuǎn)，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(gè)傳感器，在得知周圍環(huán)境、自身姿態(tài)、位置等信息后，通過地面或車內(nèi)裝置，形成三維地形圖。進(jìn)而編輯方向，勾畫出到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的路徑，并導(dǎo)航控制月球車走到目的地。

對(duì)極端溫度的防護(hù)

月球表面白晝時(shí)溫度高達(dá)150℃，黑夜時(shí)低至-180℃，溫差超過300℃，尤其是月面上的晝、夜分別長達(dá)約350h。這種嚴(yán)酷條件是過去環(huán)地運(yùn)行航天器所未曾遇到過的，如何保證月球車在長時(shí)間極端溫度條件下正常工作，是月球車也是月球探測工程需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。在月球的一個(gè)自轉(zhuǎn)周期內(nèi)，溫度相差可以達(dá)到310℃。月面上如此急劇變化的溫度環(huán)境會(huì)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。

適應(yīng)低重力

月球表面重力只有地球表面重力的1/6。某些在地面上能正常完成的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，特別是依靠機(jī)構(gòu)自身重力完成的動(dòng)作，在低重力的月球表面是否仍能正常動(dòng)作，也還是待解之謎。月球重力是地球的1/6，那便意味著，質(zhì)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。因此，月球表面的土壤非常松軟，月球車的行進(jìn)效率會(huì)降低。

路況

月球表面崎嶇不平的路面，有石塊、有隕石坑，還有坡。在這種情況下，設(shè)計(jì)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(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、爬坡，樣樣在行。

總之，在月球車硬件產(chǎn)品研制出來后，必須對(duì)實(shí)物產(chǎn)品進(jìn)行性能試驗(yàn)和環(huán)境模擬試驗(yàn)，要在模擬月面盡可能真實(shí)的環(huán)境條件(高真空、高低溫、太陽光照、宇宙輻射、低重力和月球表面地形地貌等)下，進(jìn)行程序操作和運(yùn)動(dòng)特性等試驗(yàn)，不能單純相信計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果，必要時(shí)需創(chuàng)造條件進(jìn)行飛行演示試驗(yàn)。試驗(yàn)條件越逼真越好.

制造難點(diǎn)

重力

月球重力是地球的1/6，那便意味著，質(zhì)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。因此，月球表面的土壤非常松軟，月球車的行進(jìn)效率會(huì)降低。

路況

月球表面崎嶇不平的路面，有石塊、有隕石坑，還有坡。在這種情況下，設(shè)計(jì)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(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、爬坡，樣樣在行。

溫度

在月球的一個(gè)自轉(zhuǎn)周期內(nèi)，溫度相差可以達(dá)到310℃。月面上如此急劇變化的溫度環(huán)境會(huì)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。

人工智能

月球車是個(gè)智能機(jī)器人，需要具備獨(dú)立處理各種環(huán)境的能力。由于距離太遠(yuǎn)，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(gè)傳感器，在得知周圍環(huán)境、自身姿態(tài)、位置等信息后，通過地面或車內(nèi)裝置，形成三維地形圖。進(jìn)而編輯方向，勾畫出到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的路徑，并導(dǎo)航控制月球車走到目的地。

電力供應(yīng)

月球的自轉(zhuǎn)引起月面的晝夜變化。月球上一天的時(shí)間，大約相當(dāng)于地球上的27天略多。因此，月球晝夜間隔大約相當(dāng)于地球上的14天。也就是說，登上月球以后的月球車，最多可以連續(xù)工作14天，進(jìn)入月夜以后，它由于無法通過光能發(fā)電，進(jìn)入休眠狀態(tài)。14天后，又能自動(dòng)醒來。

未來科學(xué)技術(shù)

月球上的環(huán)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。月球上沒有空氣，月球車不能使用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，只能采用由蓄電池或者燃料電池供電驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的方式，即以電動(dòng)車為主，以太陽能車和火箭車為輔。然而，月面上的重力只有地球上的1/6，所以不會(huì)顯得很笨重。

月球車上的車輪式樣與地球上一樣，采用履帶式和輪胎式兩種?？紤]到月球上的特殊球境，也可采用以火箭噴射為動(dòng)力的跳躍方式和像雪橇那樣的滑行方式。由于月面上白天和黑夜的溫差很大，最高溫度可達(dá)130℃，最低溫度可至-170℃，這就對(duì)輪胎的材料要求很高，以前制造的“月球漫游者”所采用的就是以鋼琴線保持彈力的網(wǎng)眼式輪胎。月球車的車體也有密封式和非密封式兩種。

正在開發(fā)的月球車中，最輕便的被稱為“月球摩托車”。它有3個(gè)輪子，輪胎為網(wǎng)眼式，由燃料電池驅(qū)動(dòng)。只可乘坐1人。由于它是暴露式的，所以駕駛?cè)藛T需要身穿宇宙服。在月球上，這種車可以作為各設(shè)施之間的往返和檢修太陽能電站時(shí)的交通工具來使用。

月球上的單座車，在地球上的重量約是720公斤。它沒有輪胎，靠火箭噴射，在月面上作跳躍式前進(jìn)。這種單座車適用于兩地間的快速移動(dòng)，或者往返于月球和地球的軌道空間站之間。

雙座多用途高性能小型月球車，它能連續(xù)行駛80公里，有4個(gè)網(wǎng)眼式輪胎，以烯料電池為電源，采用更換鋼瓶的方式來補(bǔ)充燃料。

設(shè)計(jì)中的中型月球車全長6米，地球上重量為3080公斤。以蓄電池為電源，一次充電可行駛325公里。該車采用密封式，可乘坐4人，并能載物715公斤。它前后有4條履帶，既有4輪車的高速性能和良好的操縱性能，又兼?zhèn)渎膸杰嚨捻g性，履帶是由鋁網(wǎng)覆蓋耐高溫的硅膠制成的。

客貨兩用月球車能乘坐6人，并載物500公斤，能連續(xù)行駛180公里，它也采用密封式，有2條履帶。它除了用于探測外，還可以在各設(shè)施之間運(yùn)送那些沒有穿宇宙服的人員和小動(dòng)物。

月球拖掛車則由集裝箱臺(tái)車和牽引車兩部分構(gòu)成，用于運(yùn)送物資。它以太陽能電池為動(dòng)力，也可以同時(shí)使用燃料電池，這樣便可以日夜兼程地在月面工作。

月球軌道巴士又稱“滑輪著陸艙”，它一旦離開月球軌道，就以抵角度進(jìn)入月面，在全長100公里的跑道上以時(shí)速500公里像雪橇一樣滑行著陸，約2分鐘后便可停止了。

還有一種中型月球探險(xiǎn)車，裝有高性能的聚光燈、高靈敏度的通信測位天線、監(jiān)視攝像機(jī)和探測雷達(dá)，在月球上漆黑的夜間也可行駛。這種車為輪胎式，還能作為臨時(shí)月球站來使用。

以上種種月球車，都還在開發(fā)研制當(dāng)中。但是人類一旦踏上月球，在上面建立基地、開采資源，以至在月球上開展旅游業(yè)，建設(shè)月球城，這些未來的月球車一定會(huì)在人們面前出現(xiàn)，還可能有更新穎奇特的車出現(xiàn)。到那時(shí)，人類乘上月球車，實(shí)現(xiàn)了漫游月球的理想。

敏捷性與穩(wěn)定性的關(guān)系

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(shí)，車輛和月面的摩擦力也減小了，對(duì)車輛的控制會(huì)變得很困難。加上月面的地形復(fù)雜，浮塵又很厚。這些因素都使得車輛在月球上運(yùn)動(dòng)時(shí)變得十分不穩(wěn)定。

敏捷性要求高速度，可靠的制動(dòng)，靈活的轉(zhuǎn)向。但是穩(wěn)定性的下降，使得車輛不能開得太快，也不能轉(zhuǎn)彎太急，否則車輛很容易翻。

各國型號(hào)

中國

哈爾濱工業(yè)大學(xué)曾制造過一款“六輪搖臂轉(zhuǎn)向架式”月球車，上海交通大學(xué)也制作過一款外形炫目的“小蛛行人”月球車，還有中國空間設(shè)計(jì)研究院牽頭設(shè)計(jì)的月球車。

美國

09年7月美國宇航局設(shè)計(jì)的這種新月球車，是“星座計(jì)劃(Constellation Program)”在2020年重返月球的組成部分，該車的名字是“電力月球車(LER)”。它使用的是戰(zhàn)車底盤，宇航員可把它當(dāng)作月球卡車使用。

電力月球車?yán)锩媸娣淖慰梢赞D(zhuǎn)變成睡床，它里面還有浴室和淋浴設(shè)施。新月球車將擁有充電鋰電池。