庞之浩：月球车风险知多少(图)

　　▲月球车1号离开着陆器进行巡视探测示意图

　　▲“玉兔” 号月球车

　　尤金·塞尔南驾驶着阿波罗17号的月球车

　　庞之浩

　　新闻背景

　　22日，“玉兔” 号月球车第三次进入月夜休眠。在进入第二个月夜休眠前，“玉兔” 号出现了机构控制异常情况，后来虽然被唤醒，但问题仍然存在。

　　事实上，在人类的探月征途上，由于距离遥远、环境复杂，一直有各种各样的“状况”发生。

　　探月史上曾多次出“状况”

　　据统计，1958年至今，世界上共进行了130次月球探测活动，其中成功或基本成功67次，失败63次，成功率约51%，尤其是探月早期失败更多。在冷战时期，前苏联共开展了64次月球探测，发射了4个系列64个月球探测器，成功21次，成功率仅为32.8%。美国探月也不是一帆风顺，共开展了54次月球探测，包括10次载人探索，发射了7个系列54个探测器，成功35次，成功率65%。

　　月球车是进行月球表面探测的重要工具之一。按照探测方式分，月球车一般分为两类：一类是无人驾驶的月球探测车，它由轮式底盘和仪器舱组成，载有多种科学探测设备，用太阳能电池和蓄电池联合供电，是靠地面遥控指令或自主控制在月面进行巡视探测，前苏联在20世纪70年代发射的月球车1号、2号属于这类月球车。另一类是有人驾驶的载人月球车，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，乘阿波罗15号、16号、17号载人飞船登月的美国航天员，曾使用这种类似电瓶车的月球车在月面活动。

　　至今，国外一共成功发射和运行过5辆月球车，即用于在月面进行无人巡视探测的前苏联月球车1号、2号（分别由月球17号、21号月球着陆器带到月面）和用于在月面运送航天员进行科学探测的美国3辆有人驾驶的载人月球车（分别由阿波罗15号、16号、17号载人登月飞船带到月面）。

　　就拿无人月球车来说，前苏联的探索也经历了不少挫折和失败。比如1971年9月2日发射的月球18号，着陆后所携的月球车因地面不平发生翻滚。而成功发射、运行的月球车1号、2号也命运不同，其中月球车1号在月面工作了10个月，而月球车2号由于中途出现故障只工作了4个月。月球车2号在地面操控下驶入一个撞击坑考察岩石时，由于轮子在疏松凹陷的月壤中空转，在倒车时坑壁的月壤撞落到月球车太阳能电池板和散热器表面，导致供电骤减，车内过热，数日后月球车与地面彻底失去联系。

　　20世纪90年代至今仍出现过探月故障。1990年1月，日本发射“飞天”号月球轨道器，“飞天”号接近月球后与地面失去联系，未获得探测成果。2008年10月，印度的“月船”1号绕月探测器，其设计寿命为2年，但因故障只在轨工作312天就与地面失去联系。

　　月面环境甚至比火星更复杂

　　之所以有大量月球探测器出现故障，其主要原因主要有：一是月球离地球较远，这就给发射、测控、入轨、着陆、返回等带来很多困难；二是月面环境十分恶劣，甚至比火星环境更复杂，特别是在月球表面，它主要表现为大温差、长月夜、强辐射、高真空、弱重力、无磁场、坑很多、月尘多、月壤细且松软等，这其中的任何一项都会对月球车产生影响，有的甚至足以致命。

　　例如，从月表的路况上看，太阳紫外线辐射的影响，月壤细粒会周期性地升起，月球重力是地球的1/6，月球车行走时更容易带起大量月壤细粒，形成月尘。月尘可能进入甚至覆盖月球车所载仪器设备，一旦附着很难清除。月尘可能引起月球车很多故障，包括机械结构卡死、密封机构失效、光学系统灵敏度下降等。月球车受到了微粒非常细小的月球尘埃影响，月球尘埃会使轴承、齿轮和密封的其他机械结构产生磨损。月球表面尘埃带电，会给太阳能电池、光学器件等带来不利影响。月面覆盖着厚度不等的月壤层，并存在大小不等的月坑和岩石，其物理力学特性和月表地形都与月球车移动性能直接相关。

　　因为缺乏大气，月球车将完全暴露在多种宇宙射线下，强烈的电磁辐射可能破坏电子遥控系统，这对接收系统的最大接收功率提出了相当高的要求。月球每天都会直接面对超新星与太阳风暴等大量宇宙射线，而当宇宙射线击中月球表面时，会引发微型的核反应，其结果就是月球表面也产生大批危险的次级辐射。

　　另外，月球表面崎岖不平，石块、陨石坑遍布，而土壤非常松软，这都会降低月球车的行进效率。而低重力导致的摩擦系数降低，使得在月球上行走远比地球上容易打滑，这对月球车的控制系统提出了更高的要求。在这种情况下，月球车既不能打滑下陷，还要能爬坡越障，需具备“眼观六路、耳听八方”“独立思考、自主判断”的本领。

　　月球的一天约相当于地球的28天，而且14天是阳光普照的白天，14天是寒冷的黑夜。在月球上，受光部位的极限温度可达150℃，未受光部位的温度则为-130℃至-60℃，而到了夜间，温度会降到-180℃，有些地区甚至低至-200℃。所以长达十多个地球日的漫长月夜、超过300℃的昼夜温差，都可能成为月球车的“健康杀手”。因为很多设备的工作温度都有严格限制，在这么低的温度下，所有的电子仪器都会被冻坏的，即使天亮后太阳出来了也不能恢复工作。要保持这些仪器设备不被冻坏的最低温度是-50℃。另外，在月夜期间不能用太阳能电池发电来保温。月球车的温度太高也不行，要控制在50℃以内。

　　月面巡视过程中的自主导航与遥控操作也很难。巡视探测任务要求月球车能够进行视觉定位，即对周围环境进行感知，自主完成近距离障碍识别和局部路径规划、多轮运动协调控制和避障或越障，实现远距离行驶，安全到达指定位置，并保障自身的稳定工作。

　　延伸阅读

　　地面试验验证

　　难度很大

　　在月球车的研制过程中，科研人员要对月球环境进行大量模拟、实验、测试，以便采取多种措施应对，包括近百种应急预案。但用月球车进行巡视探测的一大难点就是发射前在地面试验验证难，而且人类对月球复杂环境了解有限，所以在实际探测中还会遇到很大风险、很大挑战。

　　月球探测是一项非常复杂并具高风险的工程，在探月过程中出现异常在所难免。任何一项复杂的科研工作都是波浪式前进的，太空探索更是如此，因为人类对月球和其它地外星球知之甚少，而且距离遥远，探测它们必须冒很大风险，经历各种考验，排除各种困难，才能有所收获，然而这也正是太空探索的魅力所在。

　　（作者为《国际太空》杂志执行主编、北京空间科技信息研究所研究员）

http://scitech.people.com.cn/n/2014/0226/c1007-24465109.html

　　▲月球车1号离开着陆器进行巡视探测示意图

　　▲“玉兔” 号月球车

　　尤金·塞尔南驾驶着阿波罗17号的月球车

　　庞之浩

　　新闻背景

　　22日，“玉兔” 号月球车第三次进入月夜休眠。在进入第二个月夜休眠前，“玉兔” 号出现了机构控制异常情况，后来虽然被唤醒，但问题仍然存在。

　　事实上，在人类的探月征途上，由于距离遥远、环境复杂，一直有各种各样的“状况”发生。

　　探月史上曾多次出“状况”

　　据统计，1958年至今，世界上共进行了130次月球探测活动，其中成功或基本成功67次，失败63次，成功率约51%，尤其是探月早期失败更多。在冷战时期，前苏联共开展了64次月球探测，发射了4个系列64个月球探测器，成功21次，成功率仅为32.8%。美国探月也不是一帆风顺，共开展了54次月球探测，包括10次载人探索，发射了7个系列54个探测器，成功35次，成功率65%。

　　月球车是进行月球表面探测的重要工具之一。按照探测方式分，月球车一般分为两类：一类是无人驾驶的月球探测车，它由轮式底盘和仪器舱组成，载有多种科学探测设备，用太阳能电池和蓄电池联合供电，是靠地面遥控指令或自主控制在月面进行巡视探测，前苏联在20世纪70年代发射的月球车1号、2号属于这类月球车。另一类是有人驾驶的载人月球车，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，乘阿波罗15号、16号、17号载人飞船登月的美国航天员，曾使用这种类似电瓶车的月球车在月面活动。

　　至今，国外一共成功发射和运行过5辆月球车，即用于在月面进行无人巡视探测的前苏联月球车1号、2号（分别由月球17号、21号月球着陆器带到月面）和用于在月面运送航天员进行科学探测的美国3辆有人驾驶的载人月球车（分别由阿波罗15号、16号、17号载人登月飞船带到月面）。

　　就拿无人月球车来说，前苏联的探索也经历了不少挫折和失败。比如1971年9月2日发射的月球18号，着陆后所携的月球车因地面不平发生翻滚。而成功发射、运行的月球车1号、2号也命运不同，其中月球车1号在月面工作了10个月，而月球车2号由于中途出现故障只工作了4个月。月球车2号在地面操控下驶入一个撞击坑考察岩石时，由于轮子在疏松凹陷的月壤中空转，在倒车时坑壁的月壤撞落到月球车太阳能电池板和散热器表面，导致供电骤减，车内过热，数日后月球车与地面彻底失去联系。

　　20世纪90年代至今仍出现过探月故障。1990年1月，日本发射“飞天”号月球轨道器，“飞天”号接近月球后与地面失去联系，未获得探测成果。2008年10月，印度的“月船”1号绕月探测器，其设计寿命为2年，但因故障只在轨工作312天就与地面失去联系。

　　月面环境甚至比火星更复杂

　　之所以有大量月球探测器出现故障，其主要原因主要有：一是月球离地球较远，这就给发射、测控、入轨、着陆、返回等带来很多困难；二是月面环境十分恶劣，甚至比火星环境更复杂，特别是在月球表面，它主要表现为大温差、长月夜、强辐射、高真空、弱重力、无磁场、坑很多、月尘多、月壤细且松软等，这其中的任何一项都会对月球车产生影响，有的甚至足以致命。

　　例如，从月表的路况上看，太阳紫外线辐射的影响，月壤细粒会周期性地升起，月球重力是地球的1/6，月球车行走时更容易带起大量月壤细粒，形成月尘。月尘可能进入甚至覆盖月球车所载仪器设备，一旦附着很难清除。月尘可能引起月球车很多故障，包括机械结构卡死、密封机构失效、光学系统灵敏度下降等。月球车受到了微粒非常细小的月球尘埃影响，月球尘埃会使轴承、齿轮和密封的其他机械结构产生磨损。月球表面尘埃带电，会给太阳能电池、光学器件等带来不利影响。月面覆盖着厚度不等的月壤层，并存在大小不等的月坑和岩石，其物理力学特性和月表地形都与月球车移动性能直接相关。

　　因为缺乏大气，月球车将完全暴露在多种宇宙射线下，强烈的电磁辐射可能破坏电子遥控系统，这对接收系统的最大接收功率提出了相当高的要求。月球每天都会直接面对超新星与太阳风暴等大量宇宙射线，而当宇宙射线击中月球表面时，会引发微型的核反应，其结果就是月球表面也产生大批危险的次级辐射。

　　另外，月球表面崎岖不平，石块、陨石坑遍布，而土壤非常松软，这都会降低月球车的行进效率。而低重力导致的摩擦系数降低，使得在月球上行走远比地球上容易打滑，这对月球车的控制系统提出了更高的要求。在这种情况下，月球车既不能打滑下陷，还要能爬坡越障，需具备“眼观六路、耳听八方”“独立思考、自主判断”的本领。

　　月球的一天约相当于地球的28天，而且14天是阳光普照的白天，14天是寒冷的黑夜。在月球上，受光部位的极限温度可达150℃，未受光部位的温度则为-130℃至-60℃，而到了夜间，温度会降到-180℃，有些地区甚至低至-200℃。所以长达十多个地球日的漫长月夜、超过300℃的昼夜温差，都可能成为月球车的“健康杀手”。因为很多设备的工作温度都有严格限制，在这么低的温度下，所有的电子仪器都会被冻坏的，即使天亮后太阳出来了也不能恢复工作。要保持这些仪器设备不被冻坏的最低温度是-50℃。另外，在月夜期间不能用太阳能电池发电来保温。月球车的温度太高也不行，要控制在50℃以内。

　　月面巡视过程中的自主导航与遥控操作也很难。巡视探测任务要求月球车能够进行视觉定位，即对周围环境进行感知，自主完成近距离障碍识别和局部路径规划、多轮运动协调控制和避障或越障，实现远距离行驶，安全到达指定位置，并保障自身的稳定工作。

　　延伸阅读

　　地面试验验证

　　难度很大

　　在月球车的研制过程中，科研人员要对月球环境进行大量模拟、实验、测试，以便采取多种措施应对，包括近百种应急预案。但用月球车进行巡视探测的一大难点就是发射前在地面试验验证难，而且人类对月球复杂环境了解有限，所以在实际探测中还会遇到很大风险、很大挑战。

　　月球探测是一项非常复杂并具高风险的工程，在探月过程中出现异常在所难免。任何一项复杂的科研工作都是波浪式前进的，太空探索更是如此，因为人类对月球和其它地外星球知之甚少，而且距离遥远，探测它们必须冒很大风险，经历各种考验，排除各种困难，才能有所收获，然而这也正是太空探索的魅力所在。

　　（作者为《国际太空》杂志执行主编、北京空间科技信息研究所研究员）

http://scitech.people.com.cn/n/2014/0226/c1007-24465109.html