文/柯譜

1月3日，我國(guó)嫦娥四號(hào)月球探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器首次在月球背面軟著陸。此后，其中的玉兔二號(hào)月球車先后與著陸器分離，與鵲橋中繼星成功建立獨(dú)立數(shù)傳鏈路，完成了環(huán)境感知、路徑規(guī)劃，并按計(jì)劃在月面行走到達(dá)A點(diǎn)，開(kāi)展科學(xué)探測(cè)，成為世界第一輛在月球背面運(yùn)行的月球車

人類對(duì)月球探測(cè)的科學(xué)內(nèi)涵正在不斷擴(kuò)展，它包括月球的科學(xué)、月球上的科學(xué)和來(lái)自月球的科學(xué)三個(gè)方面。根據(jù)這樣的理念，未來(lái)對(duì)月球探索不僅要發(fā)射軌道器對(duì)月球進(jìn)行普查，還要進(jìn)行更多的月面活動(dòng)，對(duì)月球進(jìn)行詳查。從獲取探測(cè)數(shù)據(jù)的直接性和豐富性的角度來(lái)看，軟著陸和巡視勘察是其它探測(cè)形式所不能替代的，在空間探測(cè)技術(shù)發(fā)展中占據(jù)著很重要的地位。所以，用月面巡視探測(cè)器（或叫月球車）對(duì)月球進(jìn)行探測(cè)十分重要。

▲ 蘇聯(lián)月球車1號(hào)離開(kāi)著陸器進(jìn)行巡視探測(cè)示意圖

兩類月球車

月球車是進(jìn)行月球表面探測(cè)的重要工具之一。按照探測(cè)方式月球車一般分為兩類：

一類是無(wú)人駕駛的月球車。它由輪式底盤(pán)和一些其它設(shè)備組成，并載有多種科學(xué)探測(cè)儀器，用太陽(yáng)能電池、蓄電池和核電池聯(lián)合供電，靠地面遙控指令或自主控制在月面進(jìn)行巡視探測(cè)。蘇聯(lián)在20世紀(jì)70年代發(fā)射的月球車1號(hào)、2號(hào)和我國(guó)的玉兔號(hào)、玉兔二號(hào)月球車屬于這類，它們主要用于在月面進(jìn)行巡視探測(cè)

另一類是有人駕駛的月球車。它主要作為航天員在月面活動(dòng)的交通工具，用于擴(kuò)大航天員的活動(dòng)范圍和減少航天員的體力消耗，并隨時(shí)存放航天員收集的巖石和土壤標(biāo)本。美國(guó)阿波羅15號(hào)、16號(hào)、17號(hào)載人登月飛船的航天員曾使用這種類似高爾夫車的月球車在月面活動(dòng)。他們除科考和收集月巖樣品外，還用車上的攝像機(jī)和傳輸設(shè)備，向地球發(fā)回了航天員在月面的活動(dòng)情景和離開(kāi)月面時(shí)的情景。

至今，全球一共成功發(fā)射、運(yùn)行過(guò)7輛月球車，即用于在月面進(jìn)行無(wú)人巡視探測(cè)的蘇聯(lián)月球車1號(hào)和2號(hào)（分別由月球17號(hào)、21號(hào)月球探測(cè)器器釋放）、中國(guó)玉兔號(hào)和玉兔二號(hào)月球車（分別由嫦娥三號(hào)、四號(hào)月球探測(cè)器釋放），以及用于在月面運(yùn)送航天員進(jìn)行科學(xué)探測(cè)的美國(guó)3輛有人駕駛的月球車（分別由阿波羅15號(hào)、16號(hào)和17號(hào)載人登月飛船釋放）。

另外，按走行方式，月球車可分為輪式、腿式、蛇式、輪腿式、跳躍式、履帶式、滑撬式、氣囊式、履帶輪式和螺旋滾筒式等多種類型。不過(guò)，目前已使用的月球車都采用輪式，并又分為4輪式、6輪式和8輪式等幾種。

要求比較高

無(wú)人月球車是一種在月面進(jìn)行巡視探測(cè)的行走裝置。它需適應(yīng)月球環(huán)境，攜帶科學(xué)探測(cè)儀器在月面進(jìn)行巡視探測(cè)，并把探測(cè)數(shù)據(jù)傳送回地球。因此，無(wú)人月球車實(shí)際上就是一種能夠在月球移動(dòng)并完成探測(cè)任務(wù)的機(jī)器人。其主要作用是：裝載科學(xué)探測(cè)儀器，并為這些儀器提供電源、溫控、測(cè)控等正常工作的條件；在月面行走并進(jìn)行勘測(cè)；把所探測(cè)到的科學(xué)數(shù)據(jù)傳回地球。

▲ 玉兔號(hào)月球車進(jìn)行外場(chǎng)專項(xiàng)試驗(yàn)，月球車后面的吊車把玉兔號(hào)輕輕吊起，模擬月面六分之一重力

在技術(shù)上，月球車要能適應(yīng)月球輻射強(qiáng)、低重力（月球重力是地球的1/6，月壤很松軟，行進(jìn)效率會(huì)降低）、路況復(fù)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(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、爬坡、取物、采樣和翻轉(zhuǎn)）、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(dá)到初級(jí)人工智能，例如，識(shí)別、爬越或繞過(guò)障礙物等）。

這種月球車用于拍攝月面高分辨率圖像；勘查月球的物質(zhì)和資源；研究月球的地形、地質(zhì)和形態(tài)特征以及表面的輻射和環(huán)境；分析月面土壤的化學(xué)成分和物理力學(xué)性質(zhì)；考察和收集月面的巖石樣品等。

同樣道理，由于月球環(huán)境比地球惡劣得多，所以載人月球車也比載人地球車要求高許多。美國(guó)在小布什總統(tǒng)執(zhí)政期間，為了重返月球，曾實(shí)施星座計(jì)劃，為此研制了密封式月球車，即航天員在該車內(nèi)可以不穿登月服。但隨著星座計(jì)劃的取消，這種月球車也不了了之了。

國(guó)外專家還提出過(guò)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(xiǎn)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(méi)有投入實(shí)用。

蘇聯(lián)月球車

▲ 蘇聯(lián)無(wú)人月球探測(cè)車側(cè)面

▲ 美國(guó)航天員尤金·塞爾南駕駛著阿波羅17號(hào)的載人月球車

1970年11月10日和1973年1月8日，蘇聯(lián)先后用質(zhì)子號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射了月球17號(hào)和21號(hào)月球探測(cè)器?！霸虑?7號(hào)”在月球正面的雨海軟著陸，“月球21號(hào)”在月球正面的默尼環(huán)形山軟著陸。

月球17號(hào)和21號(hào)月球探測(cè)器分別攜帶的月球車1號(hào)、2號(hào)基本相同，都裝有8個(gè)輪子，長(zhǎng)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(dòng)力范圍為0.1米，行駛速度為1～2公里/小時(shí)，可翻越30°的坡，電源采用太陽(yáng)電池陣列+蓄電池，在月夜期間，通過(guò)釙-210放射性同位元素加熱器保溫。

其不同之處是：月球車1號(hào)的質(zhì)量為756千克，裝有2副天線、4臺(tái)攝像機(jī)、月壤探測(cè)器、X射線光譜儀、X射線望遠(yuǎn)鏡、宇宙射線探測(cè)器和激光設(shè)備等科學(xué)儀器，在月面行駛了10.5公里，工作了10個(gè)月，后由于能源不足停止工作；月球車2號(hào)的質(zhì)量為840千克，裝有3臺(tái)攝像機(jī)、月壤探測(cè)器、太陽(yáng)X射線實(shí)驗(yàn)儀器、天體光度測(cè)量計(jì)、磁力計(jì)、輻射計(jì)等科學(xué)儀器，在月面行駛了37千米，工作了4個(gè)月，地面人員可通過(guò)月球車2號(hào)發(fā)回的圖像來(lái)指揮其在月面的行走。另外，相比月球車1號(hào)，月球車2號(hào)在結(jié)構(gòu)上有所改進(jìn)，運(yùn)動(dòng)速度有所提高，攝像性能有所改善，活動(dòng)范圍大幅增加。

月球車1號(hào)拍攝了20000多張照片，對(duì)500個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了土壤物理測(cè)試，對(duì)25個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了土壤化學(xué)分析，總考察面積接近8萬(wàn)平方米2。此外，它還收集了大量月面輻射數(shù)據(jù)。月球車2號(hào)拍攝并發(fā)回了86張全景照片、8萬(wàn)多張電視圖片。

美國(guó)月球車

1971年7月—1972年12月，美國(guó)先后發(fā)射了阿波羅15號(hào)、16號(hào)和17號(hào)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，均可在月面低重力、真空環(huán)境中行駛，從而擴(kuò)大了航天員的艙外活動(dòng)范圍。

每輛阿波羅月球車質(zhì)量約210千克，長(zhǎng)3米，軸距2.3米，高1.1米，有4個(gè)輪子（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°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公里/小時(shí)，能攜帶約490千克的有效載荷。車上裝有2個(gè)并排的可折疊座位，每個(gè)座位有可調(diào)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(guò)位于兩個(gè)座位之間的T形手動(dòng)控制器來(lái)控制漫游車。手柄前部有一個(gè)控制與顯示模塊，顯示當(dāng)前的速度、方向、電源和溫度情況。

▲日本正在研制的月女神2號(hào)將使用月球車

其最高時(shí)速可達(dá)16公里，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(duì)山脈、峽谷和火山口進(jìn)行了考察，并把激動(dòng)人心的彩色圖像傳回地面。

“阿波羅15號(hào)”的月球車總共行駛了27.76公里，總時(shí)間為3小時(shí)2分鐘，最長(zhǎng)單次行駛距離為12.47公里，離開(kāi)登月艙的最長(zhǎng)距離為5公里，收集了約77千克月球樣品。

“阿波羅16號(hào)”的月球車總共行駛了26.55公里，總時(shí)間為3小時(shí)26分鐘，最長(zhǎng)單次行駛距離為11.59公里，離開(kāi)登月艙的最長(zhǎng)距離為4.5公里，收集了約96千克月球樣品。

“阿波羅17號(hào)”的月球車總共行駛了35.89公里，總時(shí)間為4小時(shí)26分鐘，最長(zhǎng)單次行駛距離為20.12公里，離開(kāi)登月艙的最長(zhǎng)距離為7.6公里，收集了111千克月球樣品。在阿波羅17號(hào)任務(wù)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(zhǎng)。

▲ 印度月船2號(hào)的著陸器和巡視器

航天員使用月球車時(shí)會(huì)受到顆粒非常細(xì)小的月球塵埃影響。月球塵埃會(huì)使軸承、齒輪和密封的其他機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生磨損。另外,在月球車行駛時(shí)，從車輪下噴濺出來(lái)的塵埃數(shù)量巨大高度超過(guò)2米，對(duì)航天員執(zhí)行巡視任務(wù)產(chǎn)生了一定影響。

中國(guó)月球車

▲ 蘇聯(lián)月球車1號(hào)輪子特寫(xiě)

▲ 美國(guó)測(cè)試一款擁有全新電池系統(tǒng)的小型月球車，原計(jì)劃于2020年在重返月球中投入使用

2013年12月2日、2018年12月8日，我國(guó)先后用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了嫦娥三號(hào)、四號(hào)月球探測(cè)器?！版隙鹑?hào)”在月球正面的虹灣區(qū)軟著陸，“嫦娥四號(hào)”在月球背面的艾特肯盆地軟著陸。

嫦娥三號(hào)、四號(hào)月球探測(cè)器分別攜帶的玉兔號(hào)和玉兔二號(hào)月球車，在外形、重量等方面基本一樣，但因?yàn)橹懎h(huán)境和科學(xué)目標(biāo)不太一樣，所以在功能和有效載荷方面有些改變。

“玉兔號(hào)”和“玉兔二號(hào)”都用于在月面巡視考察、收集和分析樣品。它們均長(zhǎng)1.5米，寬1米，高1.1米，設(shè)計(jì)壽命為3個(gè)月，采用6輪主副搖臂懸架的移動(dòng)構(gòu)形，可6輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，4輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向，具有爬20°坡、越20厘米高障礙的自主越障和避障，移動(dòng)速度最快為200米/小時(shí)。

由于“玉兔二號(hào)”是在月球背面地形崎嶇不平區(qū)域進(jìn)行巡視探測(cè)，所以針對(duì)月球背面復(fù)雜的地形條件、中繼通信新的需求、極大的溫差和科學(xué)目標(biāo)的實(shí)際需要等因素，在“玉兔號(hào)”的基礎(chǔ)上對(duì)玉兔二號(hào)月球車進(jìn)行了適應(yīng)性更改和有效載荷配置調(diào)整，對(duì)運(yùn)動(dòng)安全、能源供給、科學(xué)探測(cè)和測(cè)控通信等方面均做了特殊的設(shè)計(jì)。例如，盡量減少電纜裸露在外的面積，以減少電纜的故障風(fēng)險(xiǎn)；在軟件上也進(jìn)行了系統(tǒng)升級(jí)，從而更好地應(yīng)對(duì)各種突發(fā)狀況；還使其在自主休眠，自主地應(yīng)對(duì)光照的遮擋，自主避障能力等方面都有明顯提高。

與“玉兔號(hào)”相比，“玉兔二號(hào)”更輕盈、更自主、更健壯、更可靠。例如；玉兔號(hào)月球車攜帶了全景相機(jī)、測(cè)月雷達(dá)、紅外成像光譜儀、粒子激發(fā)X射線譜儀等科學(xué)探測(cè)儀器進(jìn)行巡視探測(cè)。“玉兔二號(hào)”上仍裝有全景相機(jī)、測(cè)月雷達(dá)、紅外成像光譜儀，但增加了瑞典的中性原子探測(cè)儀，去掉了“玉兔號(hào)”的粒子激發(fā)X射線譜儀。因此，玉兔二號(hào)月球車也就不需要機(jī)器臂了，從而輕了2千克?！坝裢锰?hào)”重137千克，“玉兔二號(hào)”重135千克，是世界探月史上最輕的月球車。

“玉兔號(hào)”在月夜期間處于休眠狀態(tài)，月晝來(lái)臨時(shí)自主喚醒，但喚醒后需要地面進(jìn)行相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)置才能進(jìn)入安全的工作狀態(tài)?！坝裢枚?hào)”可根據(jù)光照條件，自主地進(jìn)入休眠狀態(tài)，喚醒后也可以自主設(shè)置進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

“玉兔號(hào)”在虹灣區(qū)上行走了114米后突然不能動(dòng)了，出現(xiàn)了機(jī)構(gòu)控制異常。針對(duì)這一問(wèn)題，“玉兔二號(hào)”改進(jìn)了各種走線的布局，采取了故障隔離設(shè)計(jì)，因此更健壯，應(yīng)付困難的能力更強(qiáng)。

▲ 在未來(lái)的月球基地中，航天員乘坐帶有增壓艙的月球車在月球上活動(dòng)

與同類的蘇聯(lián)無(wú)人月球探測(cè)車相比，中國(guó)無(wú)人月球探測(cè)車的特點(diǎn)明顯，小而精。比如，蘇聯(lián)月球車1號(hào)、2號(hào)質(zhì)量分別為756千克、840千克，而玉兔號(hào)和玉兔二號(hào)月球車質(zhì)量分別為137千克、135千克；每輛蘇聯(lián)月球車有8個(gè)輪子，而每輛中國(guó)月球車有6個(gè)輪子；蘇聯(lián)月球車與中國(guó)月球車裝的科學(xué)探測(cè)儀器、運(yùn)行地點(diǎn)也不同，后者更先進(jìn)。其中“玉兔號(hào)”上裝的測(cè)月雷達(dá)是在世界月球探測(cè)器上首次使用，“玉兔二號(hào)”則是世界首個(gè)運(yùn)行在月球背面的月球車。

未來(lái)的前景

月球車可采用腿式、輪式、跳躍式、翻滾式和履帶式等，其中輪式具有運(yùn)動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，效率最高，所以全球已發(fā)射的7個(gè)月球巡視探測(cè)器都為輪式。日本即將發(fā)射的“月女神2號(hào)”和印度將發(fā)射的“月船2號(hào)”，都攜帶了輪式月球車。

在這幾類月球車中，輪式的越野性能不太強(qiáng)，適應(yīng)能力最差；而腿式的適應(yīng)能力最強(qiáng)，但其效率最低。隨著月球車逐漸采用6輪搖臂—轉(zhuǎn)向架式懸掛系統(tǒng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)，輪式月球車的越野能力大大增強(qiáng)，能與腿式月球車相媲美。

現(xiàn)在，結(jié)合腿式和輪式月球車各自的優(yōu)點(diǎn)，一些國(guó)家已開(kāi)始研制輪腿式月球車。它融合了腿式的地形適應(yīng)能力和輪式高速高效的優(yōu)點(diǎn)，作業(yè)范圍大，同時(shí)具有優(yōu)越的越障避障能力，對(duì)復(fù)雜月球表面環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，但缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)與控制復(fù)雜。

跳躍式、翻滾式和履帶式探測(cè)器可適應(yīng)更復(fù)雜的地形。2018年9月21日，日本隼鳥(niǎo)2號(hào)就把兩臺(tái)跳躍式著陸探測(cè)器投放到龍宮小行星上。此技術(shù)也可移植到月球車上。

未來(lái)的月球車將朝著在月面工作更長(zhǎng)時(shí)間、行駛更長(zhǎng)距離、適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境等方面發(fā)展，并具有質(zhì)量和尺寸最小化、有效地利用和傳輸能源、機(jī)動(dòng)能力更強(qiáng)、航天員安全更高、應(yīng)用范圍更廣、成本更低等特點(diǎn)。為此，需采用模塊化設(shè)計(jì)和國(guó)際合作，以滿足多種需求。