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算上玉兔二號,月亮上現在有多少輛車?


科技日報先說重點:年月日,中國「嫦娥四號」探測器成功實現人類首次月球背面軟著陸並釋放月球車「玉兔二號」。這是月亮上的第輛車。左圖:年月日,「...

- 2019年1月07日21時30分
- 科學文摘 / 科技日報

科技日報先說重點:2019年1月3日,中國「嫦娥四號」探測器成功實現人類首次月球背面軟著陸並釋放月球車「玉兔二號」。這是月亮上的第7輛車。

左圖:2019年1月3日,「玉兔二號」駛上月面的照片;右圖:2013年12月15日,「玉兔號」駛上月面的照片;這是中國的兩輛月球車。

今年這頭開的熱鬧!

北京時間1月1日13:33,美國「新視野號」探測器成功進行了迄今人類探測器最遙遠的一次飛掠探測行動,對一顆名為「天涯海角」(Ultima Thule)的柯伊伯帶小天體進行了近距離觀測,今天已經可以看到相當清晰的照片,令人震撼!


而僅僅兩天之後,北京時間1月3日10:26,中國第二顆月球著陸器「嫦娥四號」成功實現人類首次月球背面降落,並在11:40通過中繼衛星回傳人類歷史上第一幅月球背面的地表圖像,引發朋友圈刷屏狂潮。

兩天,兩次將被載入史冊的偉大壯舉,這樣的情況不多的。

美國宇航局局長吉姆·布里登斯坦(Jim Bridenstine)昨天剛剛給自己國家的」新視野號「探測器團隊表達祝賀,今天,他又忙著給中國」嫦娥四號「團隊發來賀信,祝賀他們達成人類首次著陸月球背面的壯舉

到了3號晚間,22:22分,消息傳來,兩器分離成功!「玉兔二號」月球車已經緩緩駛下滑道,首次將月球車的車軲轆印壓在了月球背面的廣袤土地上。

從著陸到釋放漫遊車,這一次「嫦娥四號」用了差不多12個小時,而相比之下,2013年登陸月球的「嫦娥三號」從著陸到釋放「玉兔號」(現在應該叫「玉兔一號」),中間間隔僅有7小時24分鐘。可見此次實施人類首次月球背面著陸探測的難度有多大,地面控制人員必須慎之又慎。

接下來一兩天裡,我們應該期待的是傳統大戲:兩器互拍,很快我們將能夠透過小「玉兔」的眼睛,親眼看到「嫦娥四號」著陸在月球背面的真實模樣了!


01

月亮上的車子

2019年1月3日10:26,嫦娥四號成功著陸月球背面;11:40,人類歷史上第一張月球背面地表實拍圖像成功回傳地球,注意細膩的月面土壤

尚未離開」嫦娥四號」平台的「玉兔二號」漫遊車,這是監視相機拍攝的車輪子

此時此刻,很多讀者會想一個問題:除了我們國家的兩輛「玉兔號」月球車,還有其他國家把月球車送上過月球嗎?

答案是肯定的。加上「玉兔2號」,此時此刻,月球上共有7輛車,「玉兔二號」是世界上第7輛月球車。在這7輛車當中,3輛屬於美國,2輛屬於蘇聯,2輛屬於我們中國,如果不出意外的話,今年上半年還會有另外一輛小車子被送上月球,它來自印度,如果成功,那它就是第8輛月球車。

在已經抵達月球的7輛車裡,可以分為兩大類:由地面控制中心遙控指揮的無人漫遊車,以及由太空人駕駛的載人漫遊車。中國和蘇聯的月球車都屬於前者;而作為唯一實現載人登月的超級大國,美國的月球車實際上就是太空人在月球上的「代步車」——美國人「輪子上的國家」的傳統在月球上表現的真是淋漓盡致。

今天,老嚴就跟大家專門談一談:月球上的那些車。

02

美國LRV漫遊車

阿波羅15號期間,駕駛LRV漫遊車在月面行駛的太空人

LRV漫遊車3D 模型

LRV漫遊車基本信息表

製作:老嚴

設想一下,你獲得一次免費去一個你一直很想去的地方旅行的機會,但是規定你只可以在下車的地方靠步行走幾圈,不許走遠,你會不會感到非常不爽?

你大概會說:是的,非常不爽。

那麼,如果說現在可以給你提供一輛免費的越野車開開,你可以開出去幾公里,到處兜兜轉轉,你高不高興?

當然高興。而對於在地球上開慣了車的美國人來說,尤其高興。

好,現在如果我們把目的地改成月球,從一開始只能在著陸器旁邊靠步行考察的太空人們,現在突然知道可以帶著車上月球,想像一下他們的興奮之情吧。

對了,這就是當年美國宇航局的想法,也是「月球考察漫遊車」(LRV)誕生的由來。

美國太空人們帶去月球的三輛LRV,也是人類歷史上唯一在其他星球上有人駕駛的車。

上世紀60年代,時任美國宇航局馬歇爾中心主任的前納粹德國火箭專家馮·布勞恩試駕早期設計的大型月球車

LRV原型車研製期間,承包商邀請太空人參與實際體驗和改進設計

從1969年到1972年間,人類一共成功進行了6次載人登月,共有12名太空人踏足月球。在這全部的6次登月行動中,前三次(阿波羅11,12,14號)是沒有攜帶月球車的,而後三次(阿波羅15,16,17號)則攜帶了月球車,也正因如此,後三次阿波羅計劃期間太空人的活動範圍得到極大擴展。

1969年是一個載入史冊的年份,這一年,美國研製的「土星5號」超級火箭將第一個地球人送上了月球表面。但很多人不知道的是,就在這同一年,美國宇航局還啟動了另外一個項目:為登月太空人們研製在月球上使用的漫遊車,這就是我們上文中提到的「月球考察漫遊車」。

LRV漫遊車是怎麼研製出來的?

波音公司研製過程中的LRV漫遊車原型車

60年代早期另一家工業巨頭格魯門公司正在測試的月球車方案

「月球考察漫遊車」(LRV)有時候會被戲稱為「月球沙灘車」或者「月球小蟲子」,這是一種可以搭載兩名太空人的電動四輪驅動車,整車長度大約3米,寬2.3米,高大約1.1米,雖然相比起土星5號這個龐然巨物,LRV簡直不值一提,但作為太空人們在月球上的座駕,它麻雀雖小五臟俱全:裝備了專門的彈性輪胎,專門的通訊和導航設備,工具箱和相機等等。

可以想像,即便是在今天,要設計一種可以在月球上搭載太空人正常行駛的車輛也絕非易事,更何況是在半個世紀之前。月球表面環境與地球大相逕庭:沒有大氣,強烈輻射,溫度變化幅度達到400度以上,重力僅相當於地球1/6,還有崎嶇不平,被厚厚月壤覆蓋的地表。與其說LRV是一種車,更準確的說法恐怕是:這是一種裝了輪子的太空飛行器——不但要具備車子的功能,它首先得具備太空飛行器的功能——在地球之外的極端環境下正常工作!

LRV漫遊車輪胎設計特寫照片,注意明亮的鈦合金金屬鑲片

月球上飆車的高手,阿波羅17號指令長尤金·塞爾南

這還沒完,NASA給出的製造LRV的研製時間極為緊迫:只有17個月。從1969年底給訂單,到1971年4月初,完成全部研製、測試流程,完全符合技術要求的LRV車必須交付甘迺迪航天中心塞進登月艙準備發射,以趕上「阿波羅15號」工程的整體進度。面對這樣的要求,作為主要承包商,波音公司和通用汽車公司做到了。事實上他們在1971年3月10日就實現了交付,比NASA的要求還早了半個月!

為了應對月球上多石塊,崎嶇不平的特點,LRV的四個輪子全部採用獨立懸掛系統,各自擁有自己的獨立電機,獨立運轉,可以輕鬆越過30厘米高度的碎石障礙,或穿越70厘米寬度的凹坑;

為了應對月面上極端的溫度條件,還對各種設備採取了專門的隔熱/散熱措施;並針對穿著笨重太空衣的太空人的操作便利性,對儀錶盤和作業系統做了大量人性化設計;

(點擊可放大)LRV漫遊車設備簡圖

LRV漫遊車3D 模型,左側是車頭方向,右側是車尾方向

當時的美國宇航局局長詹姆斯·韋伯——對,就是用他的命名命名史上最先進空間望遠鏡的那個韋伯——拿到了世界上第一張001號月球駕照——美國人的幽默感很不錯!

但最大的擔憂還是月球表面厚厚的塵土環境。輪子會不會陷進去?輪胎抓地會不會不夠?開車會不會太顛簸?行駛時塵土會不會大量飛濺導致太空人們「面目全非」?

最終,波音和通用汽車的工程師們找到了合適的解決方案:採用鋁合金輪轂,外側包裹0.84mm直徑鍍鋅鋼絲編織的「彈性外層」,並貼上鈦合金材質鑲片以增加在低重力環境下的抓地能力,而在一些月球塵土較厚的區域,這些鑲片的採用也可以透過增大接觸面的形式防止輪胎陷入月面鬆軟的塵土當中。另外,為了防止塵埃飛濺,每個輪子都安裝了擋塵板,使用效果還不錯!

另外在荒涼無垠的月面上,登月艙對於太空人的心理作用不可小覷,他們最怕就是走遠了忘記回「家」的路。因此LRV漫遊車還安裝有專門的導航系統,可以相當精確的引導太空人們尋找目標,並在結束後返回基地。實際使用證明了這些設計的有效性,太空人們對這種小車還是非常滿意的。

視頻:注意LRV行駛時翻起的塵土,月球上到處都是厚厚的月壤和塵土

究竟是怎麼把這麼大的車子帶去月球的?

對啊,那麼大一個車子是怎麼帶去月球上的呢?

這個問題我想一定是很多讀者朋友們所關心的。答案是:它是被放在太空人們登陸月球時乘坐的登月艙里,一起降落到月球上的。不過,很容易想像,登月艙內部空間狹小,要塞進去一輛車談何容易?另外,放進去了,到了月球上太空人們又該怎麼拿下來使用呢?

的確,航天任務對於搭載物品的質量和體積一向非常苛刻,要說原因其實非常簡單:越重,發射起來越貴。由於登月艙的餘量很有限,月球車被設計成可摺疊型,塞在登月艙下降段後部的一個儲物空間裡;

當登月艙安全降落月面之後,工程師們也早已設計好了讓太空人們可以很輕鬆將車子取出並展開使用的方法和流程,即便是在第一次使用月球車的阿波羅15號期間期間,兩位太空人完成整個車輛卸載和展開工作也只花了26分鐘!

動畫演示:LRV漫遊車的摺疊方法

動畫演示:太空人在月面上釋放並展開LRV漫遊車的方法

既然如此,那麼太空人們在月球上實際使用LRV的情況又如何呢?

1971年7月底,阿波羅15號的太空人們在月面停留的67個小時內,太空人大衛·斯科特(Dave Scott) 和 吉姆·埃爾文(Jim Irwin)駕駛第一輛LRV進行了三次遠征,探索了哈德利月溪(Hadley Rille)和亞平寧山脈(Apennine Mountains)的廣大區域,三次總行程27公里,平均車速達到了每小時9公里,遠遠超過預期,車子的耗電量也遠低於預期。


事實上,當太空人們最終完成任務時,這輛LRV的電池還可以行使80公里以上!可惜了!當太空人們乘坐登月艙上升段從月球表面發射時,安裝在LRV月球車上的遙控電視攝像機拍攝下他們升空的畫面。

而到了1972年4月份阿波羅16號期間,兩位太空人駕車行駛的總里程也超過了26公里,在駛下一座山坡時,甚至記錄到了每小時17公里的「速度記錄」;當然,這個記錄在阿波羅17號期間被打破,阿波羅17號的任務指令長尤金·塞爾南(Eugene Cernan)往往被後人記住是最後一個離開月球的人類,但實際上他還有一個頭銜就是「月球飆車第一人」,他在月球上開出了每小時18公里的「無敵高速」。

摺疊狀態的LRV漫遊車

阿波羅15號任務期間使用的第一輛LRV漫遊車

相比美國的高調,蘇聯就要低調的多。在宣傳和媒體運作方面,美國航天部門絕對值得全世界各國學習。宣傳就是話語權,就是感召力,它不但啟發年輕人,孕育下一代的科學家和工程師,同時也是一個國家軟實力的體現。

作為曾經幾乎與美國並駕齊驅的航天超級大國,人們對蘇聯航天的知曉率遠遠低於美國,直接導致蘇聯在這方面的吸引力和影響力與自身的實力不相匹配。這一點,值得今天的中國相關部門深思。

言歸正傳,很容易看出,相比美國高大上的載人LRV,蘇聯的無人月球車與我們的「玉兔」月球車更為相似,也因此更加具有可比性。

03

蘇聯的「月面步行者」

蘇聯拉沃什金聯合體博物館內陳列的「月面步行者」月球車模型

可以非常清楚的看到天線,輪子數量,以及翻開的內側蓋板上貼敷的太陽能電池片

「月面步行者」漫遊車基本信息表

製作:老嚴

蘇聯的月球車項目稱作「月面步行者」(Луноход,「Lunokhod」),這是蘇聯在1969年~1977年間發展的一種遙控無人月球漫遊車系列,跟隨蘇聯探測月球的「月球」(Luna)計劃搭載實施。最早在1969年2月19日首次嘗試發射,由於火箭故障發射失敗;直到1970年,蘇聯「月球-17號」成功著陸月面,其攜帶有一輛漫遊車,即「月面步行者-1號」(Lunokhod-1),這是世界第一輛月球車。

之後,在1973年1月,「月球21號」著陸器又攜帶「月面步行者-2號」(Lunokhod-2)成功實現月面降落。原計劃在1977年發射的3號任務被取消,沒有發射。

蘇聯當年發展自己的月球車計劃最開始其實是為了計劃中的載人登月項目做鋪墊的。在輸掉和美國人的登月競賽後,蘇聯的載人登月計劃被取消,於是「月面步行者」計劃轉而被作為一項開展月面遙控無人漫遊車巡視探測的科學任務來執行了。

「月面步行者」漫遊車從斜道上駛下月面示意圖

「月面步行者1號」在月面上的行駛路線疊加

來源:A.M. Abdrakhimov et al (2011)

1970年11月17日國際標準時間03:47,北京時間11:47,蘇聯「月球17號」在月球雨海成功實現軟著陸,當日國際標準時間06:28(北京時間14:28),世界上第一輛月球車「月面步行者-1號」從雙舷梯滑道駛下,開上了月球表面。

「月面步行者」漫遊車使用太陽能為自己的內置電池充電,在月球上的白天工作,夜晚則進入休眠狀態,使用內置的同位素衰變產熱裝置提供熱量,保護內部設備。這種設計思路與我們的「玉兔號」幾乎如出一轍——當然,不得不說,相比笨重的俄國造,中國設計的小「玉兔」可要輕巧靈敏多了。作為無人漫遊車,蘇聯的月球車質量超過840公斤,甚至比美國載人的LRV(210公斤)重了整整4倍!而根據公開資料,中國的兩輛「玉兔號」小車,重量都在140公斤左右,絕對當之無愧的身材最佳!

2013年,身材小巧,在月面上行駛的「玉兔號」月球車,其質量僅有大約140公斤

遺憾的是,2014年1月25日,第二次月夜休眠之前,受複雜月面環境的影響,月球車的機構控制出現異常,玉兔號再也不能動彈,但它一直頑強存活了972天,遠遠超出預定設計的3個月

「月面步行者1號」在月面工作了322天,行駛10.5公里,傳回超過2萬張電視圖像和206張高清全景照片。同時還進行了25次土壤分析和其他大量分析工作;

「月面步行者2號」工作了大約4個月,行駛超過42公里,穿越一些斜坡和峽谷。事實上,一直到2014年被美國的火星車超越之前,它都保持著地球之外行駛距離最遠的車輛的世界紀錄。

「月面步行者3號」已經製造完成,原本計劃由1977年發射的「月球25號」攜帶飛向月球。然而由於資金匱乏和其他方面的變化,任務被取消,至今,3號仍然靜靜的停放在研製方拉沃什金聯合體的博物館內,沉默不言。

1973年之後,整整40年,再無月球車踏足月面,直到2013年,中國「嫦娥三號」著陸器搭載的「玉兔號」月球車才最終打破月面這長久的沉寂。而隨著「嫦娥四號」和「玉兔2號」的成功抵達,月球車的傳奇故事,還在繼續….


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