2010年2月6日星期六

月球车进化论-科学松鼠会

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月球车进化论

Sat, 06 Feb 2010 08:00:24 +0800

月球车进化论

在2009年1月20日,奥巴马总统的就职典礼上,一位机器人宇航员"引导"着一辆月球车款款走过,吸引了人们的目光。月球车在这里出现,不是偶然的。那个举目可见而又遥远的世界,40年前美国首先实现了载人登月,如今又再度成为国际竞争的焦点,而能够让宇航员轻松工作的月球车,体现了各国的科技实力。和其他技术一样,月球车也在不断地进化中……

一、敞篷车的辉煌岁月

"飞向宇宙,浩瀚无垠!"这是迪斯尼乐园的英雄"巴兹光年"的口头禅,这个所向披靡太空英雄不知道征服了多少青少年甚至成年人,燃起他们的太空之梦。不过"巴兹光年"的原型——"阿波罗11号"登月舱驾驶员巴兹·奥尔德林在40年前和指令长尼尔·阿姆斯特朗一起登上月球时,可没有这么风光。由于缺少代步工具,两位"地球来客"只能穿着84公斤的笨重宇航服在月面上蹒跚行走,虽然月面的重力只有地球的六分之一,但这款由21层面料构成的臃肿的衣服还是给他们的行走带来很大不便,而且所携带的生命维持系统最多能够支持4个小时。于是就有了我们在历史影片中看到阿波罗计划的宇航员们在月球上可笑的行走方式:要么小心翼翼地挪动,要么"跳跃式"前进� �笨重的宇航服再加上科学考察设备和采集的月球土壤和岩石样本,这些"重担"给头几批登上月面的宇航员造成了很多困难和危险。

看到这里,聪明的读者一定想到,宇航员们为什么不带辆汽车去月球呢。美国航天计划的"总设计师",后来担任马歇尔航天中心主任的冯·布劳恩也想到了这一点,早在1950年代冯·布劳恩和惠普尔等航天时代开创者在《克林周刊》(Collier's Weekly)上发表了一系列的"科幻"文章,"畅想"了将来在月球、火星探索中所需要的种种技术(这一系列文章成为迪斯尼最早的太空探索电影所依据的脚本),其中就包括月球车(Lunar Rovering Vehicle)。

"阿波罗计划"使用的"月球漫游车"是一款4轮车,自1969年5月开始研制,由波音公司承包(通用汽车公司旗下的Delco公司作为次级承包商参与研制),耗资3800万美元,共制造出来4辆。这款车长3米,宽2米,高1米,大小和今天的大众甲壳虫汽车差不多。空车重量209公斤,加上两名宇航员及设备时重量约为700公斤。。车上的通讯系统包括一架高增益的天线用来传输图片和数据,以及一架低增益的天线用于传输声音和电视信号。给月球车提供电力的是两个36伏的电池。在驾驶座位的中间有一台手柄,理论上说两位宇航员都可以驾驶这辆车,不过习惯上都是由指令长进行驾驶。

月球车每个轮子都有独立的四分之一马力(200瓦)的电动马达和刹车,在月面行驶的速度为每小时10~12公里。独立马达保证即时某个轮子的驱动发生故障,月� 车仍然能够进行转弯。进行冗余设计是美国宇航局的首要原则,这种设计也将月球车的掉头半径缩小到了3米。这款月球车可以爬上25度的陡坡,最远可以开出67公里,不过为了安全起见,宇航员的活动范围不超过10公里,这样万一月球车出了故障,他们还可以在生命维持系统失效前步行回到登月舱。月球车的首次使用是在"阿波罗15号"任务中。

阿波罗15号原本的计划是和前几期登月相同的任务,但在1970年9月2日美国宇航局突然宣布取消了阿波罗18号及其之后的登月计划,将阿波罗15、16、17号从H类任务(即在登陆地点附近进行有限活动)改为J类任务(在月面停留时间更长,并使用月球车等更新的装备进行更多的科学考察)。月球车的使用极大的扩大了宇航员的活动范围,从而得到更好的科学结果。

1971年7月31日,也就是阿波罗15号登上月� 的第二天,载人月球车第一次使用。指令长大卫·斯科特(David Scott)驾驶月球车和登月舱驾驶员詹姆斯·艾尔文(James Irwin)一起前往3公里外的Elbow环形山考察并采集样本,然后再到另一处地点哈得利山考察,然后驱车返回登月舱。第二次前往哈得利山考察时,艾尔文发现了著名的"创世纪之石"(Genesis Rock,或者叫起源石),这块斜长岩是在另一块大石头上发现的,后来的分析证实它应该是在太阳系形成初期就生成了,其年龄至少有40亿年。在离开月球之前,斯科特在月面上做了自由落体时间,将一根羽毛和地质锤同时放开,由于月面上没有空气阻力,二者同时落地,这是四百年前伽利略已经从理论上证实的。不料在斯科特打算弯腰捡起这根羽毛的时候,艾尔文一脚踩过,于是这根"具有重要意义的"羽毛就永久地留在月球上了。

斯科特和艾尔文在月面逗留三天,舱外活动18小时37分,驱车行进27公里,收集了约77公斤月岩。有了月球车,宇航员们就轻松多了,斯科特甚至说:"我真想坐下来玩一会儿石头,这些闪闪发亮的小石头真是可爱极了。"阿波罗15、16、17号所完成的科学考察任务,包括收集的月岩数量,都远远超过前几次。这三台� �球车永远地留在月球上,成为"月球博物馆"的一部分。最近,印度的"月船一号"卫星和美国的LCROSS卫星都发现了阿波罗

计划留下地月球车的活动遗迹,也让所谓的"登月骗局"的谣言彻底破灭。

在上个世纪的美苏太空争霸中,苏联也不示弱,并成功地赶在美国月球车之前将两台无人驾驶月球车成功送上月球,分别称为"月球车1号、2号"(Lunokhod 1、2)。

月球车1号搭载在"月球17号"上于1970年11月17日在月面雨海地区着陆,这是第一次在地球上另一个世界上的机器人进行远程控制。而这辆月球车的外形像个圆桶,上面有一个凸起的盖子,车下面是8个轮子,每个轮子也都是独立控制。车上的装备包括一架锥形天线、一个高精度定向的螺旋天线、四台电视摄像机,以及一些用来测量月壤密度和物理、化学特征的设备。在凸起的盖子下面是太阳能电池。天线负责将月面上的状况传送给莫斯科一个五人小组,由他们远程操控月球车的下一步行动。

这台月球车长2.2米,宽1.6米,重756公斤。月球车1号一共运行了十一个月(只能在月亮上的白天进行工作),一直到1978年10月4日才宣告终止,这一天是苏联发射第一颗人造卫星的日子。它一共行进了10公里,传回两万多幅电视图片和超过200幅全� 照片。车上装载的X射线望远镜观测了太阳的X射线波段,而激光器则用来进行地球距离的测定试验。

1973年1月15日,月球车2号由"月球21号"搭载降落在澄海地区。这台月球车比1号稍重,达到840公斤,长1.7米,宽1.6米,高1.35米。它有两种速度模式,每小时1公里或2公里。为了防止月球车在月球上漫长的夜里被超级低的温度冻坏,车上携带了同位素热源,利用破钋元素的衰变提供能量,保持月球车的温暖。不过在当年6月4日这项任务宣告结束,苏联方面没有公布原因,一般认为可能是由于5、6月间的月球上漫长夜晚的寒冷导致月球车失灵。

二、重返月球竞争中的豪华车时代

美苏太空争霸时代两国更看重宇航员登陆月球的政治意义,能够实现月面采样已经足够了。不过今天的形势已经大不相同,月球上丰富的核� �变原料成为各国追求的目标,于是"探月俱乐部"重新兴起,各主要国家纷纷加入到探月的行列中来,美国更是雄心勃勃地提出不但要在2020年"重返月球",而且要建立月球基地,实现在月球上永久驻扎,并以月球为跳板对更深处的宇宙进行探索,比如派宇航员前去探索火星。

在月球表面开车可不是件容易的事情,即使阿波罗计划中几小时的短途旅行,也需要宇航员在沙漠中的模拟地形上联系几个月才能通过"路考",因为月面情况实在是太特殊了。月球表面重力只有地球的六分之一,且布满一层松软的土壤,这让车辆的行进效率大打折扣。月面的崎岖不平对车辆的轮子、底盘设计形成重重障碍,转弯、爬坡是寻常事,月亮上面,安全第一。月亮上一天等于地球上的一个月,温差变化达到300多度,"白天"阳光炙烤,夜晚严寒能冻坏石头� �这就对车辆的材料提出了高难度的要求。阿波罗计划的月球漫游车采用的就是以钢琴线保持弹力的网眼式轮胎。

月球基地意味着更为繁重的劳动,为此美国宇航局特地设计了"月球载重车"(lunar truck)。这种车辆与阿波罗计划中的漫游车一样,也是敞篷车,宇航员需要身着宇航服才能驾驶。载重车说白了就是用来运送大宗货物,为了满足月球基地建设的要求,美国宇航局还打算在车上附加其他设备,如铲车或者起重机。载重车将有6个轮子,每个轮子有两个轮胎。这种突破传统的"六轮设计"已经在火星车运行中得到了检验,即使其中一个轮子出现故障,另外5个轮子仍然具有优越行动能力。轮子本身可以实现360度独立旋转,这种设计赋予载重车前所未有机动性能,可以向任何一个方向前进。为了适应不同的地形,载重车的底盘可以降低或者升高,设计的举力可以达到2吨,未载货是的速度可以达到25公里/小时。

moon car

月球载重车已经由设在休斯敦的约翰逊航天中心设计出原型,并在模拟月球场地上进行试验。

美国宇航局的另外一款新产品则着眼于驻扎月球的宇航员的舱外活动,即"小型充压漫游车"(Small Pressurized Rover),由于不再是敞篷,密封的舱室使得宇航员在驾驶这种车辆时不需要再穿着宇航服。这种漫游车的长宽高均逾4米,重量可达4吨,载重也相当,最多可以在乘坐4名宇航员的情况下保证3天的连续活动。这意味着一辆充压漫游车其实就是一个小型的工作站,其活动范围可达240公里,并不比载重车差。

漫游车里有一个小型浴室,装有喷雾喷头可以用海绵擦身。每个宇航员都有自己的私人空间,用帘子隔开。不过食物只有泡面等方便食品,因为车里没有厨房。在亚利桑那沙漠中进行模拟检验时,宇航员格哈特甚至认为这种漫游车象航天飞机一样舒服。由于人性化的接口设置,宇航员可以不经过减压或加压装置而直接进入月球基地或进入宇航服,这一点一定会让阿波罗计划的宇航员羡慕不已。

除了载人月球车,美国宇航局也在发展无人驾� 的月球车,也就是可以在月面自动工作的机器人,如ATHLETE。这也是一种六轮机器人,第一代原型直径大于4米,设计者希望它可以在相当广大的地区快速滚动或者行走,最终目标则是设计一套可以与其他专门仪器相结合或加载的多目标系统。ATHLETE的载重能力约450公斤,多个机器人相匹配的结果可以产生更大的运输能力。

印度太空研究组织也发表了一款遥控无人月球漫游车,计划在2013年由"月船二号"携带在月面着陆。这款漫游车采用俄式设计,重58公斤,六轮驱动,将在月面极地附近进行为期约一年的科学考察,其行使速度约为每小时570公里,活动范围可达方圆150公里。

其实,不仅美国、俄罗斯、欧盟、日本、印度等国提出了自己的月球车模型,就连许多民间机构也不甘寂寞,比如谷歌公司就拿出了2000万美元设立"谷歌月球X大赛", ��励民间团体或公司自行设计月球车,能够在月面着陆并拍照后还能行进500米,便可以获得大奖。目前为止已经有约20支队伍参赛,提出了各种富有想象力的设计理念和模型。

http://www.googlelunarxprize.org/

http://www.sciencenet.cn/htmlnews/2009/8/222637.shtm

三、中国月球车的精彩亮相

作为新兴的航天大国,中国自然不会缺席"探月俱乐部",嫦娥一号月球探测卫星成功完成第一阶段任务之后,实现在月球的软着陆已经成为近在眼前的目标。2005年3月中国探月工程二期计划规定的月球车各项技术参数出台,由全国范围内科研院校进行竞争招标。

上海航天局联合国内数十家科研机构研制的六轮摇臂式MR-2型月球车早已经公开亮相。哈工大、北航等院校也纷纷推出自助设计的月球车,据国家航天局透露目前已经收到月球车模型几十种。

MR-2型月球车又称"月面巡视探测器"长、宽、高分别为1.2米、0.8米和1.5米,重200公斤,采用六轮摇臂式行走系统,可以跨越30度斜坡,行进速 ��每小时100米,遇到较大的石块或陨石坑的时候,还会自动选择绕行。不过这款样机尚有一些关键技术正在紧张攻关,如在极端温差下的安全性、漫长"月夜"中的能源供应、防止月面无处不在的尘埃、防止宇宙射线的危害等问题。

2011年底将会由"嫦娥三号"卫星携带月球车登陆月球,月球车将在月面工作3个月,主要任务是对月面土壤进行采样和自动分析。与苏联的无人月球车一样,中国月球车也将采用核同位素衰变作为能源来保证"月夜"中温度降低不会损害月球车的性能。此前的月球车试验已经证实,在微重力下月面大量的尘埃会磨损仪器。目前的计划是利用美国科学家提出的"磁场过滤"的设想,利用磁场吸附空气中的尘埃微粒,防止故障产生。

不过到目前为止尚未确定采用哪一款月球车。竞争正在实验室中激烈展开。

四、未来的月球车

随着人类重返月球并开始建设永久性的基地,开始向月球移民,新一代的月球车也将出现。由于月球上没有空气,普通的车辆无法在月球上使用,只能以电动车为主,或者使用火箭等工具。随着月球基地的建设,"月球社会"的壮大,将会产生各种专门用途的月球车,与今天我们的交通工具相对比,可以想象未来的月球交通工具的样子。

最轻便的月球车应该是"月球摩托",只供一个人乘坐。为了在月面上安全行驶,它应该有3个轮子,由于它是暴露式的,驾驶人员必须身穿宇航服。这种轻便的车辆主要用于月面近距离往返或太阳能电站检修之用。

月球上的火箭单座车,没有轮胎,靠火箭喷射,在月面上作跳跃式前进。由于月面重力很小,这种单座车适用于两地间的快速移动,或者往返于月 ��和地球的轨道空间站之间。

双座多用途高性能小型月球车,它能连续行驶近百公里,适合中短途旅行,有4个网眼式轮胎,以燃料电池为电源,采用更换钢瓶的方式来补充燃料。

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,就以低角度进入月面,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。

月面轨道巴士,由于月面岩石坚硬,可能不适合建在地� ,那么用坚固安全的材料建造的地面轨道交通将成为大众出行的主要方式。月面轨道巴士比地铁更为便捷迅速,不过因为要保证安全,造价也会非常高昂。

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。

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