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算上玉兔二号,月亮上现在有多少辆车?

公众号 kakalong 4年前 (2019-01-08) 1690次浏览 0个评论 扫描二维码
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[转自微信公众号:“星空早知道”,原文链接https://mp.weixin.qq.com/s/o14wSuNGv9yh9MxZN3AKGg ]欢迎关注微信公众号:“星空早知道”
先说重点:2019 年 1 月 3 日,中国“嫦娥四号”探测器成功实现人类首次月球背面软着陆并释放月球车“玉兔二号”。这是月亮上的第 7 辆车。
算上玉兔二号,月亮上现在有多少辆车?
左图:2019 年 1 月 3 日,“玉兔二号”驶上月面的照片;右图:2013 年 12 月 15 日,“玉兔号”驶上月面的照片;这是中国的两辆月球车来源:中国国家航天局/中科院国家天文台
年这头开的热闹!北京时间 1 月 1 日 13:33,美国“新视野号”探测器成功进行了迄今人类探测器最遥远的一次飞掠探测行动,对一颗名为“天涯海角”(Ultima Thule)的柯伊伯带小天体进行了近距离观测,今天已经可以看到相当清晰的照片,令人震撼!而仅仅两天之后,北京时间 1 月 3 日 10:26,中国第二颗月球着陆器“嫦娥四号”成功实现人类首次月球背面降落,并在 11:40 通过中继卫星回传人类历史上第一幅月球背面的地表图像,引发朋友圈刷屏狂潮。两天,两次将被载入史册的伟大壮举,这样的情况不多的。
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      美国宇航局局长吉姆·布里登斯坦(Jim Bridenstine)昨天刚刚给自己国家的”新视野号“探测器团队表达祝贺,今天,他又忙着给中国”嫦娥四号“团队发来贺信,祝贺他们达成人类首次着陆月球背面的壮举 来源:twitter
到了 3 号晚间,22:22 分,消息传来,两器分离成功!“玉兔二号”月球车已经缓缓驶下滑道,首次将月球车的车轱辘印压在了月球背面的广袤土地上。从着陆到释放漫游车,这一次“嫦娥四号”用了差不多 12 个小时,而相比之下,2013 年登陆月球的“嫦娥三号”从着陆到释放“玉兔号”(现在应该叫“玉兔一号”),中间间隔仅有 7 小时 24 分钟。可见此次实施人类首次月球背面着陆探测的难度有多大,地面控制人员必须慎之又慎。接下来一两天里,我们应该期待的是传统大戏:两器互拍,很快我们将能够透过小“玉兔”的眼睛,亲眼看到“嫦娥四号”着陆在月球背面的真实模样了!
01
月亮上的车子
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2019 年 1 月 3 日 10:26,嫦娥四号成功着陆月球背面;11:40,人类历史上第一张月球背面地表实拍图像成功回传地球,注意细腻的月面土壤 来源:中国国家航天局
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尚未离开”嫦娥四号”平台的“玉兔二号”漫游车,这是监视相机拍摄的车轮子 来源:中国国家航天局
此时此刻,很多读者会想一个问题:除了我们国家的两辆“玉兔号”月球车,还有其他国家把月球车送上过月球吗?答案是肯定的。加上“玉兔 2 号”,此时此刻,月球上共有 7 辆车,“玉兔二号”是世界上第 7 辆月球车。在这 7 辆车当中,3 辆属于美国,2 辆属于苏联,2 辆属于我们中国,如果不出意外的话,今年上半年还会有另外一辆小车子被送上月球,它来自印度,如果成功,那它就是第 8 辆月球车。在已经抵达月球的 7 辆车里,可以分为两大类:由地面控制中心遥控指挥的无人漫游车,以及由宇航员驾驶的载人漫游车。中国和苏联的月球车都属于前者;而作为唯一实现载人登月的超级大国,美国的月球车实际上就是宇航员在月球上的“代步车”——美国人“轮子上的国家”的传统在月球上表现的真是淋漓尽致。今天,老严就跟大家专门谈一谈:月球上的那些车。
02
美国 LRV 漫游车
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阿波罗 15 号期间,驾驶 LRV 漫游车在月面行驶的宇航员 来源:NASA
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LRV 漫游车 3D 模型 来源:www.turbosquid.com
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LRV 漫游车基本信息表制作:老严
设想一下,你获得一次免费去一个你一直很想去的地方旅行的机会,但是规定你只可以在下车的地方靠步行走几圈,不许走远,你会不会感到非常不爽?你大概会说:是的,非常不爽。那么,如果说现在可以给你提供一辆免费的越野车开开,你可以开出去几公里,到处兜兜转转,你高不高兴?当然高兴。而对于在地球上开惯了车的美国人来说,尤其高兴。好,现在如果我们把目的地改成月球,从一开始只能在着陆器旁边靠步行考察的宇航员们,现在突然知道可以带着车上月球,想象一下他们的兴奋之情吧。对了,这就是当年美国宇航局的想法,也是“月球考察漫游车”(LRV)诞生的由来。美国宇航员们带去月球的三辆 LRV,也是人类历史上唯一在其他星球上有人驾驶的车。

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上世纪 60 年代,时任美国宇航局马歇尔中心主任的前纳粹德国火箭专家冯·布劳恩试驾早期设计的大型月球车 来源:NASA
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LRV 原型车研制期间,承包商邀请宇航员参与实际体验和改进设计 来源:NASA
从 1969 年到 1972 年间,人类一共成功进行了 6 次载人登月,共有 12 名宇航员踏足月球。在这全部的 6 次登月行动中,前三次(阿波罗 11,12,14 号)是没有携带月球车的,而后三次(阿波罗 15,16,17 号)则携带了月球车,也正因如此,后三次阿波罗计划期间宇航员的活动范围得到极大扩展。1969 年是一个载入史册的年份,这一年,美国研制的“土星 5 号”超级火箭将第一个地球人送上了月球表面。但很多人不知道的是,就在这同一年,美国宇航局还启动了另外一个项目:为登月宇航员们研制在月球上使用的漫游车,这就是我们上文中提到的“月球考察漫游车”。
LRV 漫游车是怎么研制出来的?
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波音公司研制过程中的 LRV 漫游车原型车 来源:Boeing/NASA
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60 年代早期另一家工业巨头格鲁门公司正在测试的月球车方案 来源:Grumman/NASA
“月球考察漫游车”(LRV)有时候会被戏称为“月球沙滩车”或者“月球小虫子”,这是一种可以搭载两名宇航员的电动四轮驱动车,整车长度大约 3 米,宽 2.3 米,高大约 1.1 米,虽然相比起土星 5 号这个庞然巨物,LRV 简直不值一提,但作为宇航员们在月球上的座驾,它麻雀虽小五脏俱全:装备了专门的弹性轮胎,专门的通讯和导航设备,工具箱和相机等等。可以想象,即便是在今天,要设计一种可以在月球上搭载宇航员正常行驶的车辆也绝非易事,更何况是在半个世纪之前。月球表面环境与地球大相径庭:没有大气,强烈辐射,温度变化幅度达到 400 度以上,重力仅相当于地球 1/6,还有崎岖不平,被厚厚月壤覆盖的地表。与其说 LRV 是一种车,更准确的说法恐怕是:这是一种装了轮子的航天器——不但要具备车子的功能,它首先得具备航天器的功能——在地球之外的极端环境下正常工作!
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LRV 漫游车轮胎设计特写照片,注意明亮的钛合金金属镶片 来源:NASA
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月球上飙车的高手,阿波罗 17 号指令长尤金·塞尔南 来源:NASA
这还没完,NASA 给出的制造 LRV 的研制时间极为紧迫:只有 17 个月。从 1969 年底给订单,到 1971 年 4 月初,完成全部研制、测试流程,完全符合技术要求的 LRV 车必须交付肯尼迪航天中心塞进登月舱准备发射,以赶上“阿波罗 15 号”工程的整体进度。面对这样的要求,作为主要承包商,波音公司和通用汽车公司做到了。事实上他们在 1971 年 3 月 10 日就实现了交付,比 NASA 的要求还早了半个月!为了应对月球上多石块,崎岖不平的特点,LRV 的四个轮子全部采用独立悬挂系统,各自拥有自己的独立电机,独立运转,可以轻松越过 30 厘米高度的碎石障碍,或穿越 70 厘米宽度的凹坑;为了应对月面上极端的温度条件,还对各种设备采取了专门的隔热/散热措施;并针对穿着笨重宇航服的宇航员的操作便利性,对仪表盘和操作系统做了大量人性化设计;
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(点击可放大)LRV 漫游车设备简图 来源:NASA
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LRV 漫游车 3D 模型,左侧是车头方向,右侧是车尾方向 来源:www.turbosquid.com
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当时的美国宇航局局长詹姆斯·韦伯——对,就是用他的命名命名史上最先进空间望远镜的那个韦伯——拿到了世界上第一张 001 号月球驾照——美国人的幽默感很不错! 来源:NASA
但最大的担忧还是月球表面厚厚的尘土环境。轮子会不会陷进去?轮胎抓地会不会不够?开车会不会太颠簸?行驶时尘土会不会大量飞溅导致宇航员们“面目全非”?最终,波音和通用汽车的工程师们找到了合适的解决方案:采用铝合金轮毂,外侧包裹 0.84mm 直径镀锌钢丝编织的“弹性外层”,并贴上钛合金材质镶片以增加在低重力环境下的抓地能力,而在一些月球尘土较厚的区域,这些镶片的采用也可以透过增大接触面的形式防止轮胎陷入月面松软的尘土当中。另外,为了防止尘埃飞溅,每个轮子都安装了挡尘板,使用效果还不错!另外在荒凉无垠的月面上,登月舱对于宇航员的心理作用不可小觑,他们最怕就是走远了忘记回“家”的路。因此 LRV 漫游车还安装有专门的导航系统,可以相当精确的引导宇航员们寻找目标,并在结束后返回基地。实际使用证明了这些设计的有效性,宇航员们对这种小车还是非常满意的。

视频:注意 LRV 行驶时翻起的尘土,月球上到处都是厚厚的月壤和尘土 来源:NASA
究竟是怎么把这么大的车子带去月球的?
对啊,那么大一个车子是怎么带去月球上的呢?这个问题我想一定是很多读者朋友们所关心的。答案是:它是被放在宇航员们登陆月球时乘坐的登月舱里,一起降落到月球上的。不过,很容易想象,登月舱内部空间狭小,要塞进去一辆车谈何容易?另外,放进去了,到了月球上宇航员们又该怎么拿下来使用呢?的确,航天任务对于搭载物品的质量和体积一向非常苛刻,要说原因其实非常简单:越重,发射起来越贵。由于登月舱的余量很有限,月球车被设计成可折叠型,塞在登月舱下降段后部的一个储物空间里;当登月舱安全降落月面之后,工程师们也早已设计好了让宇航员们可以很轻松将车子取出并展开使用的方法和流程,即便是在第一次使用月球车的阿波罗 15 号期间期间,两位宇航员完成整个车辆卸载和展开工作也只花了 26 分钟!

动画演示:LRV 漫游车的折叠方法 来源:NASA

动画演示:宇航员在月面上释放并展开 LRV 漫游车的方法 来源:NASA
既然如此,那么宇航员们在月球上实际使用 LRV 的情况又如何呢?1971 年 7 月底,阿波罗 15 号的宇航员们在月面停留的 67 个小时内,宇航员大卫·斯科特(Dave Scott) 和 吉姆·埃尔文(Jim Irwin)驾驶第一辆 LRV 进行了三次远征,探索了哈德利月溪(Hadley Rille)和亚平宁山脉(Apennine Mountains)的广大区域,三次总行程 27 公里,平均车速达到了每小时 9 公里,远远超过预期,车子的耗电量也远低于预期。事实上,当宇航员们最终完成任务时,这辆 LRV 的电池还可以行使 80 公里以上!可惜了!当宇航员们乘坐登月舱上升段从月球表面发射时,安装在 LRV 月球车上的遥控电视摄像机拍摄下他们升空的画面。而到了 1972 年 4 月份阿波罗 16 号期间,两位宇航员驾车行驶的总里程也超过了 26 公里,在驶下一座山坡时,甚至记录到了每小时 17 公里的“速度记录”;当然,这个记录在阿波罗 17 号期间被打破,阿波罗 17 号的任务指令长尤金·塞尔南(Eugene Cernan)往往被后人记住是最后一个离开月球的人类,但实际上他还有一个头衔就是“月球飙车第一人”,他在月球上开出了每小时 18 公里的“无敌高速”。
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折叠状态的 LRV 漫游车 来源:NASA
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阿波罗 15 号任务期间使用的第一辆 LRV 漫游车 来源:NASA
相比美国的高调,苏联就要低调的多。在宣传和媒体运作方面,美国航天部门绝对值得全世界各国学习。宣传就是话语权,就是感召力,它不但启发年轻人,孕育下一代的科学家和工程师,同时也是一个国家软实力的体现。作为曾经几乎与美国并驾齐驱的航天超级大国,人们对苏联航天的知晓率远远低于美国,直接导致苏联在这方面的吸引力和影响力与自身的实力不相匹配。这一点,值得今天的中国相关部门深思。言归正传,很容易看出,相比美国高大上的载人 LRV,苏联的无人月球车与我们的“玉兔”月球车更为相似,也因此更加具有可比性。
03
苏联的“月面步行者”
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苏联拉沃什金联合体博物馆内陈列的“月面步行者”月球车模型 来源:http://www.planetology.ru
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可以非常清楚的看到天线,轮子数量,以及翻开的内侧盖板上贴敷的太阳能电池片 来源:http://www.planetology.ru
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“月面步行者”漫游车基本信息表 制作:老严
苏联的月球车项目称作“月面步行者”(Луноход,“Lunokhod”),这是苏联在 1969 年~1977 年间发展的一种遥控无人月球漫游车系列,跟随苏联探测月球的“月球”(Luna)计划搭载实施。最早在 1969 年 2 月 19 日首次尝试发射,由于火箭故障发射失败;直到 1970 年,苏联“月球-17 号”成功着陆月面,其携带有一辆漫游车,即“月面步行者-1 号”(Lunokhod-1),这是世界第一辆月球车。之后,在 1973 年 1 月,“月球 21 号”着陆器又携带“月面步行者-2 号”(Lunokhod-2)成功实现月面降落。原计划在 1977 年发射的 3 号任务被取消,没有发射。苏联当年发展自己的月球车计划最开始其实是为了计划中的载人登月项目做铺垫的。在输掉和美国人的登月竞赛后,苏联的载人登月计划被取消,于是“月面步行者”计划转而被作为一项开展月面遥控无人漫游车巡视探测的科学任务来执行了。
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“月面步行者”漫游车从斜道上驶下月面示意图 来源:wiki
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“月面步行者 1 号”在月面上的行驶路线叠加 来源:A.M. Abdrakhimov et al (2011)
1970 年 11 月 17 日国际标准时间 03:47,北京时间 11:47,苏联“月球 17 号”在月球雨海成功实现软着陆,当日国际标准时间 06:28(北京时间 14:28),世界上第一辆月球车“月面步行者-1 号”从双舷梯滑道驶下,开上了月球表面。“月面步行者”漫游车使用太阳能为自己的内置电池充电,在月球上的白天工作,夜晚则进入休眠状态,使用内置的同位素衰变产热装置提供热量,保护内部设备。这种设计思路与我们的“玉兔号”几乎如出一辙——当然,不得不说,相比笨重的俄国造,中国设计的小“玉兔”可要轻巧灵敏多了。作为无人漫游车,苏联的月球车质量超过 840 公斤,甚至比美国载人的 LRV(210 公斤)重了整整 4 倍!而根据公开资料,中国的两辆“玉兔号”小车,重量都在 140 公斤左右,绝对当之无愧的身材最佳!
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2013 年,身材小巧,在月面上行驶的“玉兔号”月球车,其质量仅有大约 140 公斤 来源:中国国家航天局/中科院国家天文台
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遗憾的是,2014 年 1 月 25 日,第二次月夜休眠之前,受复杂月面环境的影响,月球车的机构控制出现异常,玉兔号再也不能动弹,但它一直顽强存活了 972 天,远远超出预定设计的 3 个月 来源:中国国家航天局/中科院国家天文台
“月面步行者 1 号”在月面工作了 322 天,行驶 10.5 公里,传回超过 2 万张电视图像和 206 张高清全景照片。同时还进行了 25 次土壤分析和其他大量分析工作;“月面步行者 2 号”工作了大约 4 个月,行驶超过 42 公里,穿越一些斜坡和峡谷。事实上,一直到 2014 年被美国的火星车超越之前,它都保持着地球之外行驶距离最远的车辆的世界纪录。“月面步行者 3 号”已经制造完成,原本计划由 1977 年发射的“月球 25 号”携带飞向月球。然而由于资金匮乏和其他方面的变化,任务被取消,至今,3 号仍然静静的停放在研制方拉沃什金联合体的博物馆内,沉默不言。1973 年之后,整整 40 年,再无月球车踏足月面,直到 2013 年,中国“嫦娥三号”着陆器搭载的“玉兔号”月球车才最终打破月面这长久的沉寂。而随着“嫦娥四号”和“玉兔 2 号”的成功抵达,月球车的传奇故事,还在继续….更多关于“嫦娥四号”任务的详细信息,请阅读老严之前的文章:首次着陆月球背面:关于“嫦娥四号”,你想知道的,都在这里关于 1 月 1 日美国“新视野号”探测器飞掠“天涯海角”小天体的详细信息,请阅读这里:

飞越那最遥远的星球:“新视野号”成功抵达“天涯海角”

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