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概述

  月球车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。在实验室里,这个重要角色的学名是“月球探测远程控制机器人”,公众已经习惯叫它“月球车”。世界上第一颗人造卫星发射成功后,人们便开始了飞向地外天体的准备。然而,在对月球表面探测过程中,采取什么的运输工具才有可能在月面上进行实地考察呢?于是,产生了月球车。为了使月球车在月面上能够顺利行驶,美国、前苏联曾发射了一系列的卫星探测,并对月面环境进行了反复的科学实验,为在探测器上携带月球车的成功打下了可靠的基础。科学家对经由月球车月面的实地考察所带回的宝贵资料进行了分析研究,大大深化了人类对月球的认识。

月球车的种类

无人驾驶月球车

  无人驾驶月球车──由轮式底盘和仪器舱组成,用太阳能电池蓄电池联合供电。这类月球车的行驶是靠地面遥控指令。1970年11月17日,苏联发射的“月球”17号探测器把世界上第一台无人驾驶的月球车──“月球车”1号送上月球。此车约重1.8吨,在月面上行驶了10.5公里,考察了8万平方米的月面。此后苏联送上月球的“月球车”2号行驶了37公里,并向地球发回了88幅月面全景图。

有人驾驶月球车

  有人驾驶月球车──这是由宇航员驾驶在月面上行走的车。主要用于扩大宇航员的活动范围和的体力消耗,可随时存放宇航员采集采集的岩石和土壤标本。这类月球车的每个
月球车
轮子各由一台发动机驱动,靠蓄电池提供动力,轮胎在─100度低温下仍可保持弹性,宇航员操纵手柄驾驶月球车,可向前、向后、转弯和爬坡。1971年9月30日,美国 “阿波罗”15号飞船登上月球,两名宇航员驾驶月球车行驶了27.9公里;“阿波罗”16号、17号携带的月球车,分别在月面上行驶了27公里和35公里,并利用月球车上的彩色摄像机和传输设备,向地球实时地发回宇航员在月面上活动的情景及离开月球返回环月轨道时登月舱上升级发动机喷气的景象。

攻克月球车制造难点

难点1 重力

  月球重力是地球的1/6,那便意味着,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。因此,月球表面的土壤非常松软,月球车的行进效率会降低。

难点2 路况

  月球表面崎岖不平的路面,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。

难点3 温度

  在月球的一个自转周期内,温度相差可以达到310℃。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。

难点4 人工智能

  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,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。进而编辑方向,勾画出到达目标点的路径,并导航控制月球车走到目的地。

难点5 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
月球车
于地球上的27天略多。因此,月球昼夜间隔大约相当于地球上的14天。也就是说,登上月球以后的月球车,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,进入休眠状态。14天后,又能自动醒来。

  2012年,“嫦娥工程”将实现“落地”,月球车、着陆器也将发挥重要角色。“月球车,从软着陆器上跑下来,然后要在月球上走,这里面有好多问题。”中国科学院院士、中国探月工程首席科学家欧阳自远反复强调其中的技术难关。与此同时,为了解决月球地面、温度、辐射等一系列问题,中国各个科研单位的研究人员正绞尽脑汁制造中国版的月球车。

月球车的历史

  1970年11月17日苏联“月球”17号探测器(见“月球”号探测器)把世界上第一个无人驾驶的“月球车”1号送上月球,它行驶了10.5公里,考察了8万平方米的月面。后来的“月球车”2号行驶了37公里,向地球发回88幅月面全景图。

  1971年7月31日,“阿波罗15”号宇航员戴维斯-R-斯科特和詹姆斯-B-欧文
月球车
进行了人类首次月球车行驶,他们驾驶着4轮月球车,在崎岖不平的月球表面上,越过陨石坑和砾石行驶了数公里。斯科特和欧文成为在月球上漫步的第7位和第8位人,而且是第一个在月球上驾车行驶的。

  他们于30日在月球的“雨海”登陆,并于美国东部时间31日上午9时25分离开“隼”号登月舱。几分钟之后,他们从宇宙飞船上卸下月行车,开始了他们的勘探旅行。游车的前舵轮操作不 灵,但是按设计只有后轮驱动,后驱动轮运转良好。

  当宇航员们在埃尔鲍陨石坑的边沿停下时,位于休斯顿的任务控制台打开了游车的电视摄影机,向地球传送非常清晰的彩色图像。电视观众可以看到宇航员挑选和采集月石标本。有一次, 他们兴奋地喊道,“这里有些漂亮的供地质研究用的岩石。”

  他们驾车行驶了两小时,走了8公里,之后又回到登月舱。 按计划,斯科特和欧文将在后两天驾驶月行车做更多的旅行。他们将同在指挥船中的另一名“阿波罗15”号宇航员阿尔弗雷德- M-沃顿会合,一起返回。

月球车的基本功能

  从某种意义上说,月球车属于机器人技术。月球车无论是轮式的还是腿式的,都应具有前进、后退、转弯、爬坡、取物、采样和翻转(跌倒后能翻身)等基本功能,甚至具有初级人工智能(例如,识别、爬越或绕过障碍物等)。这些都与现代机器人所具有的功能相似。

  但是,月球车仅有这些功能是不够的。它是一种在太空特殊环境下执行探测任务的机器人——太空机器人,既有机器人的属性,更具有航天器的特点,不同于地面使用的工业机器人、医学机器人和家用机器人。

  “质量轻,体积小,耗功低”从来就是航天器设计的金科玉律,在最
月球车------结构图
近的航天优势产品的评价指标中被称为“常规三项”;追求“轻、小、低”是航天器研发的永恒主题。航程越远,要求越高,对月球探测器的质量、体积和功耗要求就更轻、更小和更低。根据中国运载火箭可望达到的能力,1台月球车需要由比它重300倍的运载火箭发射,这是发射同样质量地球卫星的运载火箭质量的4~6倍。

  月球车是一个可移动的平台,它要携带若干有效载荷,如探测仪器或挖掘采样器等。这些设备和装置必须小型化、轻型化。月球车通常作为月球轨道器的有效载荷,轨道器又作为运载火箭的有效载荷安装在火箭顶端直径狭小的整流罩里。月球车应制成可折叠式,以尽可能缩小发射体积。月球车的电源来之不易,用太阳电池发电,其面积和质量与功耗大小成正比;若用一次性电池,质量与使用时间成正比,为了减轻质量,也必须降低功耗。因此,月球车的设计必须充分采用微电子器件、微型机械和轻型材料,在开发应用微机电系统(mems)上应有所突破。

  在正式接受任务时,月球探测工程总体会提出月球车的质量、尺寸和功耗的指标要求。月球车应按规定技术指标研制。据首席科学家说,就目前了解到的情况看,已经做出来的月球车样机的质量比设想中的指标超出好多倍,甚至高出一个数量级。

  月球车必须适应航天特殊环境,包括力学环境和空间环境。力学环境指月球车在发射上升过程中运载火箭产生的冲击、振动、过载和噪声;在月面降落过程中制动火箭产生的冲击、过载和可能用气囊缓冲着陆产生的多次弹跳、翻滚。月球车必须经得起这些“摔、打、滚、爬”等折腾。

月球车的技术要点

  作为航天器的月球车,它同样是由有效载荷、结构、机构、电源、制导、定位与控制、热控制、数据管理和测控等分系统组成,其研制管理是一项系统工程;月球车同样是属于不可
月球车------示意图
维修的“上天”产品,对质量和可靠性要求非常高。因此,在进入工程研制后,应参照航天系统多年来通过各种卫星研制管理实践所积累的一整套行之有效的系统工程与质量管理制度和方法,加强质量控制。

抗辐射

  首先应了解地月和月面空间辐射的类型、能量和强度。对月球车上使用的电子部件,特别是对辐射尤为敏感的高集成度微电子器件,应采取相应的抗辐射加固措施。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27天略多。因此,月球昼夜间隔大约相当于地球上的14天。也就是说,登上月球以后的月球车,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,进入休眠状态。14天后,又能自动醒来。

防冷焊

  月球车上的机构及其他活动部件,例如月球车从发射时的折叠状态展开成型,车轮及其驱动、转向机构,天线的展开及指向机构、采掘机械臂等,在高真空条件下收藏、压紧100多小时后,应保证不会“焊住”或卡死,能顺利展开和活动。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,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。进而编辑方向,勾画出到达目标点的路径,并导航控制月球车走到目的地。

对极端温度的防护

  月球表面白昼时温度高达150℃,黑夜时低至-180℃,温差超过300℃,尤其是
中国研制的月球车在进行沙漠实验
月面上的昼、夜分别长达约350h。这种严酷条件是过去环地运行航天器所未曾遇到过的,如何保证月球车在长时间极端温度条件下正常工作,是月球车也是月球探测工程需要解决的关键技术。在月球的一个自转周期内,温度相差可以达到310℃。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。

适应低重力

  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机械运动,特别是依靠机构自身重力完成的动作,在低重力的月球表面是否仍能正常动作,也还是待解之谜。月球重力是地球的1/6,那便意味着,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。因此,月球表面的土壤非常松软,月球车的行进效率会降低。

路况

  月球表面崎岖不平的路面,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。

  总之,在月球车硬件产品研制出来后,必须对实物产品进行性能试验和环境模拟试验,要在模拟月面尽可能真实的环境条件(高真空、高低温、太阳光照、宇宙辐射、低重力和月球表面地形地貌等)下,进行程序操作和运动特性等试验,不能单纯相信计算机仿真的结果,必要时需创造条件进行飞行演示试验。试验条件越逼真越好.

月球车的未来科学技术

  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。月球上没有空气,月球车不能使用汽油发动机,只能采用由蓄电池或者燃料电池供电驱动发动机的方式,即以电动车为主,以太阳能车和火箭车为辅。然而,月面上的重力只有地球上的1/6,所以不会显得很笨重。

  月球车上的车轮式样与地球上一样,采用履带式和轮胎式两种。考虑到月球上的特殊球境,也可采用以火箭喷射为动力的跳跃方式和像雪橇那样的滑行方式。由于月面上白天和
月球车
黑夜的温差很大,最高温度可达130℃,最低温度可至-170℃,这就对轮胎的材料要求很高,以前制造的“月球漫游者”所采用的就是以钢琴线保持弹力的网眼式轮胎。月球车的车体也有密封式和非密封式两种。

  正在开发的月球车中,最轻便的被称为“月球摩托车”。它有3个轮子,轮胎为网眼式,由燃料电池驱动。只可乘坐1人。由于它是暴露式的,所以驾驶人员需要身穿宇宙服。在月球上,这种车可以作为各设施之间的往返和检修太阳能电站时的交通工具来使用。

  月球上的单座车,在地球上的重量约是720公斤。它没有轮胎,靠火箭喷射,在月面上作跳跃式前进。这种单座车适用于两地间的快速移动,或者往返于月球和地球的轨道空间站之间。

  双座多用途高性能小型月球车,它能连续行驶80公里,有4个网眼式轮胎,以烯料电池为电源,采用更换钢瓶的方式来补充燃料。

  设计中的中型月球车全长6米,地球上重量为3080公斤。以蓄电池为电源,一次充电可行驶325公里。该车采用密封式,可乘坐4人,并能载物715公斤。它前后有4条履带,既有4轮车的高速性能和良好的操纵性能,又兼备履带式车的韧性,履带是由铝网覆盖耐高温的硅胶制成的。

  客货两用月球车能乘坐6人,并载物500公斤,能连续行驶180公里,它也采用密封式,有2条履带。它除了用于探测外,还可以在各设施之间运送那些没有穿宇宙服的人员和小动物。

  月球拖挂车则由集装箱台车和牵引车两部分构成,用于运送物资。它以太阳能电池为动力,也可以同时使用燃料电池,这样便可以日夜兼程地在月面工作。

  月球轨道巴士又称“滑轮着陆舱”,它一旦离开月球轨道,就以抵角度进入月面,在全长100公里的跑道上以时速500公里像雪橇一样滑行着陆,约2分钟后便可停止了。

  还有一种中型月球探险车,装有高性能的聚光灯、高灵敏度的通信测位天线、监视摄像机和探测雷达,在月球上漆黑的夜间也可行驶。这种车为轮胎式,还能作为临时月球站来使用。

  以上种种月球车,都还在开发研制当中。但是人类一旦踏上月球,在上面建立基地、开采资源,以至在月球上开展旅游业,建设月球城,这些未来的月球车一定会在人们面前出现,还可能有更新颖奇特的车出现。到那时,人类乘上月球车,实现了漫游月球的理想。

敏捷性与稳定性的关系

  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。

  敏捷性要求高速度,可靠的制动,灵活的转向。但是稳定性的下降,使得车辆不能开得太快,也不能转弯太急,否则车辆很容易翻。

月球车的各国型号

中国

  美国宇航局推出的21世纪新型月球车

  哈尔滨工业大学曾制造过一款“六轮摇臂转向架式”月球车,上海交通大学也制作过一款外形炫目的“小蛛行人”月球车,还有中国空间设计研究院牵头设计的月球车。

“中华牌”月球车

  按照中国航天计划时间表,2013年,“嫦娥三号”会将“中华牌”月球车送上月球,使其完成月球软着陆过程,并实施无人登月探测,主要探测月球表面及内部情况。

美国

  09年7月美国宇航局设计的这种新月球车,是“星座计划(ConstellationProgram)”在2020年重返月球的组成部分,该车的名字是“电力月球车(LER)”。它使用的是战车底盘,宇航员可把它当作月球卡车使用。

  电力月球车里面舒服的座椅可以转变成睡床,它里面还有浴室和淋浴设施。新月球车将拥有充电锂电池

中国的月球车

  2005年3月15日,“嫦娥工程”月球应用科学首席科学家欧阳自远对媒体披露,航天部门已经出台了“嫦娥工程”用月球车的技术参数和需要完成的科研任务,全国公开竞争,择优选用。此前,见诸报端的至少有7家高校和科研单位在从事月球车的研制,它们是哈尔滨工业
月球车
大学、北京航空航天大学、清华大学、中国科学技术大学、航天科技集团第五研究院第502研究所、上海交通大学和国防科技大学,“每家都有绝活”。航天部门掌握的数据还要远远超出这个规模,他们手头上有不低于40辆国产月球车模型的资料。

  2000年12月“嫦娥一号”卫星出厂待命。

  2007年10月24日,“嫦娥一号”将由西昌卫星发射基地直入广寒宫。中国探月工程已进入实施阶段。2012年,中国的第一个软着陆器将登陆月面。

  探月工程开启了中国深空探测事业的大门。由此开始,一系列的深空探测器将逐渐进入人们的视野。“月球车”则是其中的首发队员。

  按照中国航天计划时间表,2013年,“嫦娥三号”会将“中华牌”月球车送上月球,使其完成月球软着陆过程,并实施无人登月探测,主要任务是探测月球表面和内部情况。

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