專家講述“玉兔號”月球車的星際傳奇

整整10年時間，一大批科研人員完成了這輛能夠耐受月表真空、強輻射和高溫差等極端環境的月球車。中國探月工程總設計師吳偉仁說，“玉兔號”實現了全部“中國制造”，國產率達到100%。

“玉兔號”月球車重約140千克，呈長方形盒狀，長1.5米，寬1米，高1.1米，周身金光閃閃，有6個輪子，由移動、導航控制、電源、熱控、結構與機構、綜合電子、測控數傳、有效載荷8個分系統組成，業內人士形象地稱之為“八仙過海，各顯神通”。月球車副主任設計師魏然用4句話形容它：肩插“太陽翼”，腳踩“風火輪”，身披“黃金甲”，腹中“秘器”多。

“玉兔號”以太陽能為能源，具備20度爬坡、20厘米越障能力，并配備有全景相機、紅外成像光譜儀、測月雷達、粒子激發X射線譜儀等科學探測儀器。

中外月球車有何不同？

中國空間技術研究院研究員龐之浩介紹說，迄今為止，世界上發射并成功運行的月球車有5輛，其中2輛是無人探測月球車，是蘇聯在上世紀70年代發射的“月球車”1號和2號；3輛是有人駕駛的月球車，分別由美國“阿波羅”15號、16號、17號登月時攜帶。

中國的“玉兔號”月球車是無人駕駛月球車，與蘇聯的月球車相比是“小個子”，“小而精，能完成任務就行了，也節約成本。”龐之浩說。

龐之浩指出，無人月球車難度更大，因為上面有很多儀器，要保證在無人的狀態下行駛，儀器能正常工作；有人駕駛的月球車主要作為一個交通工具，擴大航天員在月球上的活動范圍，上面基本沒有什么儀器，由航天員駕駛起來也相對容易一些。

11月4日，“玉兔號”月球車原理樣機亮相上海中國國際工業博覽會。

北京大學地球與空間科學學院教授、中國空間科學學會空間探測專業委員會副主任焦維新表示，距離上次月球車登月已過去近40年，電子設備、探測儀器都非當年可比，無論是材料、驅動系統的選擇還是探測儀器，過去都不可能有。因此，中國的月球車比之前的先進是肯定的，盡管某些方面不是當今世界上最先進的，但肯定不會是上世紀70年代的重復。

“玉兔號”將執行哪些任務？

12月2日凌晨，中國在西昌衛星發射中心成功將肩負首次登月任務的探測器“嫦娥三號”送入軌道。由著陸器和“玉兔號”月球車組成的“嫦娥三號”，預計于12月中旬在月球虹灣區軟著陸。吳偉仁說，在月球實現軟著陸是“嫦娥三號”探月任務中最難的一環。

“著陸器通過反推發動機緩沖，在月面上徐徐降落，艙門打開，彈出斜梯。月球車緩緩舒展蜷縮的身體，調整好姿態，走出艙門，滑下斜梯，開始漫步月球……”中國科學院院士、探月工程高級顧問歐陽自遠這樣描述“玉兔號”月球車登臨月球的場景。

之后，“玉兔號”月球車將駛離著陸器，在月面進行3個月的科學勘測，著陸器則在著陸地點進行原地探測。“玉兔號”底部安裝了一臺測月雷達，可發射雷達波，探測二三十米厚的月球土壤結構，還可以對月球下面100米深的地方進行探測。“這是世界上其他國家從來沒有做過的事情。”歐陽自遠說。

“靜若處子，動若脫兔。”有限的時間，意味著“玉兔號”月球車的工作必須是高效的——依靠各種先進設備，對月表進行三維光學成像、紅外光譜分析，開展月壤厚度和結構科學探測，對月表物質主要元素進行現場分析，等等。

著陸器的設計壽命是一年，月球車的則只有3個月。它們將在完成任務后永遠留在月球。“當然，我們希望它能夠實現這個壽命，也希望超過這個壽命，就像‘嫦娥二號’一樣。”吳偉仁說，“嫦娥二號”的設計工作時間是半年，但是到現在還在工作，已經3年多了。“設計壽命過后，就看它們的生存能力了。”

“玉兔號”著陸地點為何選在虹灣區？

這次“嫦娥三號”預定的月球著陸區“虹灣”，并不是真的海灣，而是像彩虹一樣的巨型隕石坑壁。月球上有很多地方以“海”和“洋”命名。古人望月，以為看到的是海，其實不是。虹灣區位于月球北緯43度左右、西經31度左右，南北長約100千米、東西長約300千米。“比北京海淀區小一點，月球車探測的只是虹灣區的一部分，據專家介紹是5平方公里”，龐之浩說。

“嚴格來說，月球沒有水，沒有空氣，也談不上美”，焦維新說，在繪圖時一般習慣把平坦的地方繪上藍色，高一點的地方繪上黃色，再高一點的繪上紅色，月球虹灣區整體低洼平坦，用常規方法繪出來就是一個美麗的海灣，“有點像我們的渤海灣”。

龐之浩介紹，之所以選擇在虹灣區落月，是出于多種綜合因素的考慮：一是這里比較平坦，落月比較安全；二是美蘇的探測主要集中在月球赤道附近，虹灣仍是月球研究的空白，探測該區域非常有科學價值；三是能實現正面直接測控通訊；四是太陽光照較好，能保證探測器的太陽能電池板正常工作。

“玉兔號”如何克服月球上超過攝氏300度的溫差挑戰？

“古人把月亮稱為廣寒宮，一點都不假。月面夜間最低溫度可以降至攝氏零下180度，電子設備根本無法工作。”中國探月工程副總指揮、探月與航天工程中心主任李本正說，“更要命的是，月球上的一晚上相當于地球上的14天，可謂‘長夜漫漫真難熬’！”

更糟糕的是，由于月球上的一天約相當于地球上的28天，其中約14天會被太陽連續暴曬，月球車面臨散熱難題；接下來的約14天又是連續月夜，在攝氏零下100多度的環境里，大部分電子設備無法工作，只能“冬眠”，還需要專門設備保持月球車的內部溫度，防止設備被凍壞。要讓探測器同時適應這兩種極端溫度，難度非常大。而且一旦夜晝交替，探測器還要從“冬眠”狀態中被“喚醒”，如何保證系統正常啟動也是道難題。

“玉兔號”月球車身披“黃金甲”，目的不是為了好看，而是為了反射月球白晝的強光，降低晝夜溫差，同時阻擋宇宙中各種高能粒子的輻射，從而支持和保護月球車上的紅外成像光譜儀、激光點陣器等10多套科學探測儀器。

按照科研人員的精心設計，“玉兔號”與人類的作息制度一樣，也是日出而作、日落而息，白天還要午休，只不過它每天的工作時間相當于地球上的14天，然后又會一覺睡14天。

漫漫長夜之后，“玉兔號”怎么才能立刻點火工作呢？它需要一床御寒的“被子”和一個叫它起床工作的“鬧鐘”。承擔這兩項功能的是它的供電系統——太陽翼。據“嫦娥三號”探測器副總設計師賈陽介紹，晚上，“玉兔號”的桅桿會收起來，太陽翼也會扣上，“這個過程中相當于把巡視器（月球車）散熱的途徑隔絕掉了。然后，當陽光逐漸從東邊起來，到達5度的高度時，巡視器就被喚醒了，進入到第二天白天的正常工作。”

“不僅氣溫低時要睡覺，氣溫高時也要小憩。”測控系統主任設計師張波介紹，“白天時，‘玉兔號’月球車的太陽能電池帆板還要調整角度，避免被陽光照射得太熱。最熱的月午，月球車還要進行‘午休’。”這種作息極大地增強了“玉兔號”適應月表惡劣環境的能力。

對一些特別嬌嫩的設備，月球車內還專門準備了“暖寶”——核電池。核電池提供電能的時間非常長，一個硬幣大小的核電池，就可使用5000年。這項技術如能成功，將使我國成為繼美俄之后，世界上第三個將核動力應用于太空探測的國家。

“玉兔號”如何在月球表面如履平地？

盡管整體來講虹灣地區比較平坦，但月球表面千萬年來經歷隕石撞擊，遍布大大小小的隕石坑和石塊。為了避免在月球上“摔跤”或“崴腳”，“玉兔號”月球車有6個特制的輪子，而且移動很慢——每小時最多走200米。

“這個輪子學名叫做篩網輪，能夠盡可能減輕重量。另外，這個車輪在設計上必須要有很大的接觸面積，摩擦系數也要很大，這樣它在月面才不會陷進去，也不容易打滑。”“嫦娥三號”探測器系統專家曾令斌說。龐之浩介紹，由于輪子是網狀的，所以一邊行駛一邊可以把沙子漏掉。

除了表面用篩網，輪子每隔一段就會有一個鋸齒形的結構，叫做棘爪，就像是兔爪上的指甲。月球上本沒有路，這些尖利的小爪子能夠幫助“玉兔號”穩穩地抓住月面，跨過溝溝坎坎。

遇到地面不平的情況時，“玉兔號”會通過搖臂調整重心。如果遇到較大的坡，它就會繞過去。全程參與“玉兔號”研制的主任設計師肖杰說，“玉兔號”有4只“眼睛”，分別是全景相機和導航相機。通過相機“觀察”周圍環境，對月面障礙進行感知和識別，然后對巡視的路徑進行規劃。遇到超過20度的斜坡、高于20厘米的石塊或直徑大于2米的撞擊坑，月球車能夠自主判斷并安全避讓。

“玉兔號”是從40多個月球車中“脫穎而出”的

據探測器系統副總指揮兼副總設計師張玉花透露，“2007年國家任務定型的時候，月球車滿地跑，中國有40幾個月球車競爭比較。”40幾個月球車滿地跑，最后是怎么確定下來的呢？張玉花說，這個型號的巡視器和著陸器由一家單位研發，當時認為更合適，接口更好。如今，“玉兔號”月球車八個分系統中，有四個半是上海航天人研制的。

據中國月球探測車的先驅者、哈爾濱工業大學81歲教授劉暾介紹，作為中國首輛月球車，其關鍵技術有2項是由哈工大科研人員研制的，包括溫度調控系統技術和車輪構型、材質設計技術。“玉兔號”月球車實現了全部“中國制造”，國產率達100%。其中月球車溫度調控系統是哈工大的一項領先世界的先進技術。為適應極端環境，“玉兔號”月球車熱控分系統利用導熱流體回路、隔熱組件、散熱面設計、電加熱器、同位素熱源，可耐受攝氏零下180度至零上150度的極限溫度。工作時的艙內溫度可以控制在攝氏零下20度至零上50度之間。

劉暾介紹，月球車在月面“行走”時風險重重，車輪掀起的月壤細粒會大量揚起，形成月塵，一旦附著將很難清除。月塵可能引起月球車很多故障，包括機械結構卡死、密封機構失效、光學系統靈敏度下降等。月球車的車輪形狀和材質成為一個很重要的解決月塵的關鍵點。為了確認哪種車輪的構型更適應月球環境，哪種材質更適合月球表面的環境，科研人員進行了幾千次的實驗。

外媒對“玉兔”行走月球甚是期待

法國《阿爾薩斯最新消息》報說，中國成功發射入軌的“嫦娥三號”探測器正攜帶“玉兔”奔向月球。此次任務標志著中國雄心勃勃的太空計劃邁出了關鍵一步。中國正努力實現其首次月面軟著陸，以期成為繼美國和蘇聯之后第三個成功接受這一挑戰的國家。法國新聞廣播電臺指出：“中國‘玉兔’月球車起飛了，它將在未來幾個月探測一個我們從未涉足的區域——月海虹灣。中國在實現征服太空的抱負方面正跨越一個重要階段。”

日本最大的太空開發網站“sorae．jp”稱，嫦娥三號是中國發射的第三個月球探測器，它承擔著中國首次月面著陸任務，并準備施放無人月球車，向月面行走發起挑戰。如能實現月面軟著陸，這將是1976年蘇聯“月球24號”探測器在月面著陸以來，時隔37年的又一壯舉。

巴西門戶網站UOL暢想道：到本世紀20年代，人們將會看到中國航天員在月球漫步，甚至會在月球長期停留。

挪威通訊社說，近些年來，中國和印度相對更加注重發展航天。中國探月和印度發射火星探測器，在當今太空探索方面樹立了重要里程碑。過去，只有美國和俄羅斯可以做這樣的事。

（參考資料：央視、新華網、中新網、人民網、環球時報、京華時報）