中國月球車測月雷達(dá)將首次實(shí)測月壤月巖

“玉兔號”“攬?jiān)绿枴薄白穳籼枴薄皬?fù)興號”“龍騰號”……目前，為我國首臺月球車起名的活動正在火熱進(jìn)行，已有超百萬網(wǎng)友參與其中。

嫦娥三號任務(wù)計(jì)劃于今年12月實(shí)施，實(shí)現(xiàn)我國航天器第一次在地外天體軟著陸和巡視探測。備受外界矚目的我國自主研制月球車，將首次實(shí)現(xiàn)與月球的零距離接觸。

據(jù)了解，月球表面巡視的3個月中，月球車將依靠各種先進(jìn)設(shè)備對月表進(jìn)行三維光學(xué)成像、紅外光譜分析，開展月壤厚度和結(jié)構(gòu)的科學(xué)探測，對月表物質(zhì)主要元素進(jìn)行現(xiàn)場分析。它傳回來的數(shù)據(jù)，將幫助人們更直接、更準(zhǔn)確地了解神秘的月亮。

核心關(guān)注

我國月球車140公斤壽命3個月

“月球軟著陸器通過反推火箭緩沖，在月面上徐徐降落，艙門打開，自動彈出斜梯。月球車緩舒展開蜷縮的身體，調(diào)整好姿態(tài)，走出艙門，滑下斜梯，開始漫步月球……”

被譽(yù)為“嫦娥之父”的中國科學(xué)院院士、中國月球探測工程首席科學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)，曾這樣描述中國月球車將來登臨月球的場景。

將隨嫦娥三號探月的我國自主研制的首臺月球車為三軸六輪結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)質(zhì)量140公斤，壽命為3個月，可在月球上3公里范圍內(nèi)連續(xù)行走10公里。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人所丁希侖教授在接受科技日報(bào)記者采訪時表示，在月球上它將實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)航和選擇路線，自動拐彎、爬坡、避障等功能，然后自己或經(jīng)著陸器把數(shù)據(jù)傳輸回地球。

測月雷達(dá)將首次實(shí)測月壤月巖

頭頂定向天線，腳踩“風(fēng)火輪”，兩側(cè)伸出太陽能帆板，身后“背著”導(dǎo)航及全景相機(jī)，“肚子”里還裝著紅外成像光譜儀、避障相機(jī)、機(jī)械臂、激光點(diǎn)陣器……

雖被稱為月球車，但實(shí)際上它是一個“小型化、低功耗、高集成”的探月機(jī)器人。丁希侖告訴科技日報(bào)記者，我國月球車底部安裝有一臺測月雷達(dá)，將在國際上首次實(shí)測1到30米深的月壤厚度以及1到3000米深度的月殼巖石結(jié)構(gòu)。 此外它還有一條機(jī)械臂，能在月壤、月巖中勘探取樣，供現(xiàn)場檢測。

月球表面松軟，崎嶇不平，障礙物多，月球車在月面巡視時采取自主導(dǎo)航和地面遙控的組合模式。

探月工程副總指揮、探月與航天工程中心主任李本正介紹，月球車的導(dǎo)航相機(jī)等設(shè)備能夠?qū)υ旅姝h(huán)境和障礙進(jìn)行感知和識別，然后對巡視的路徑進(jìn)行規(guī)劃。

“包裹式睡眠”應(yīng)對14天長夜考驗(yàn)

月球晝夜間隔大約相當(dāng)于地球上的14天，晝夜溫差大，白天溫度高達(dá)130—150攝氏度，夜間可下降到零下160—零下180攝氏度。“長夜難熬”是月球車必須面對的考驗(yàn)。

為解決這一問題，技術(shù)人員為月球車設(shè)計(jì)了可以伸縮的太陽能帆板，白天發(fā)電時展開，夜晚則收起來，“正好將儀器設(shè)備包在里面”。這種“包裹式睡眠”，有助于保證儀器不會失溫，保障各種儀器不被凍壞，并且有剩余電力在月球上的第二天早晨“自主醒來”，展開太陽能帆板迎接新一天的陽光。此外，白天時，帆板還可以調(diào)整角度，避免被陽光照射得太熱。

對話專家

40年，月球車的“前世今生”

科技日報(bào)：月球車經(jīng)歷了40年的發(fā)展，有哪些技術(shù)上的飛躍？

丁希侖(北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所教授)：“月球17號”探測器所搭載的“月球車1號”于1970年11月17日在月面雨海地區(qū)著陸，這是人類第一次在地球上對發(fā)送到另外一個星球上的機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。這臺月球車上的裝備包括一架錐形天線、一個高精度定向的螺旋天線、四臺電視攝像機(jī)，以及一些用來測量月壤密度和物理、化學(xué)特征的設(shè)備。限于當(dāng)時的技術(shù)條件，車上所搭載的有效載荷偏少，在月面移動以遠(yuǎn)程遙控操作為主，不能自主避障行走。

40年過去了，由于材料、能源和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，無人月球車在輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱控、導(dǎo)航控制等方面取得了很大的進(jìn)步，月面存活工作時間越來越長，自主導(dǎo)航和避障能力越來越強(qiáng)，所搭載的有效載荷也越來越多，越來越精密。

月球車還需突破能源材料等瓶頸

科技日報(bào)：目前最核心的技術(shù)是什么？還需要攻克的難題有哪些？

丁希侖：單純對月球車本身而言，目前最核心的技術(shù)之一是能源與熱控，保障其在高低溫差大和真空等苛刻的月面環(huán)境下存活工作時間足夠長，核心技術(shù)之二是高性能的移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其在月球表面月壤非常松軟且崎嶇不平等惡劣情況下具有很好的爬坡、越障和抗傾覆能力。

月球表面溫度在零下170攝氏度到零上130攝氏度之間， 還需要攻克的難題主要是：如何研究開發(fā)新型材料，使月球車的結(jié)構(gòu)在月面溫差較大的惡劣環(huán)境下長期保持堅(jiān)固耐用；如何研究開發(fā)超強(qiáng)持久的小型高效能源裝置，滿足月球車在月面過夜、大范圍巡視和有效載荷工作等能耗需求。

未來機(jī)器人或?qū)ⅰ敖M團(tuán)”完成星球探測

科技日報(bào)：目前您的研究中，與月球車相關(guān)的工作能否介紹一下？

丁希侖：從2002年開始我?guī)ьI(lǐng)北航空間機(jī)器人研究團(tuán)隊(duì)開展輪腿復(fù)合式星球探測機(jī)器人的研究，2004年北京航空航天大學(xué)與意大利米蘭理工大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)了一種融合腿式優(yōu)越地形適應(yīng)能力和輪式高速高效優(yōu)點(diǎn)的新型腿輪式六足變結(jié)構(gòu)星球探測機(jī)器人。具有輪腿復(fù)合的行走機(jī)構(gòu)和半球形的模塊化本體結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種行走模式。機(jī)器人樣機(jī)在2006年第8屆國際月球探測與利用大會上展示，廣受國內(nèi)外專家贊譽(yù)。

目前，我們對星球探測機(jī)器人樣機(jī)又進(jìn)行了多次改進(jìn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)在的新型機(jī)器人樣機(jī)功能更為強(qiáng)大，除了具有靈活多變的步態(tài)外，還具有翻倒自恢復(fù)能力和腿臂融合操作的能力。

同時，我們也在研究多機(jī)器人團(tuán)隊(duì)協(xié)作——這一新型的星球探測模式。通過群體行為的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，能夠高效探測未知環(huán)境，完成單個機(jī)器人無法完成的復(fù)雜任務(wù)。另外，系統(tǒng)具有容錯性，機(jī)器人之間可以相互協(xié)助和維修，即使其中的某個機(jī)器人發(fā)生故障，也不會影響整個探測任務(wù)的完成，提高了探測作業(yè)的安全性和可靠性。

火星鏈接

不得不說的“好奇”號

作為迄今為止人類送往火星的最為專業(yè)和先進(jìn)的儀器，“好奇”號一直活躍在關(guān)于火星探測的報(bào)道中。

丁希侖介紹，“好奇”號是第一輛采用核動力驅(qū)動的火星車，它攜帶有導(dǎo)航相機(jī)、化學(xué)攝像機(jī)、火星樣本分析儀、阿爾法粒子X射線分光儀、機(jī)械手臂等10多種儀器設(shè)備，主要任務(wù)是采集火星土壤樣本和巖芯，然后對它們可能可以支持現(xiàn)在或過去微生物存在的有機(jī)化合物和環(huán)境條件進(jìn)行分析。

除了“好奇”號，成功登陸火星的探測器還有美國“索杰納”火星車(1997年7月4日登陸火星)、共同發(fā)現(xiàn)火星上曾經(jīng)有水的“勇氣”號火星車(2004年1月4日登陸火星)和“機(jī)遇”號火星車(2004年1月25日登陸火星)。

目前“機(jī)遇”號仍在火星上繼續(xù)工作，所以“好奇”號并不孤獨(dú)。

丁希侖介紹，“好奇”號正在火星表面開展一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究火星的地質(zhì)、氣候特征，探索巖石、大氣和土壤中的有機(jī)無機(jī)分子，更好地了解火星上是否存在水，有助于科學(xué)家確定火星上是否存在生命，以及火星過去和現(xiàn)在的宜居性問題，為載人登陸火星做準(zhǔn)備。(記者 王婷婷)