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月球车风险知多少

2019-10-08 20:50:05来源:励志吧0次阅读

新闻背景

22日,“玉兔”号月球车第三次进入月夜休眠。在进入第二个月夜休眠前,“玉兔”号出现了机构控制异常情况,后来虽然被唤醒,但问题仍然存在。

事实上,在人类的探月征途上,由于距离遥远、环境复杂,一直有各种各样的“状况”发生。

探月史上曾多次出“状况”

据统计,1958年至今,世界上共进行了130次月球探测活动,其中成功或基本成功67次,失败63次,成功率约51%,尤其是探月早期失败更多。在冷战时期,前苏联共开展了64次月球探测,发射了4个系列64个月球探测器,成功21次,成功率仅为32.8%。美国探月也不是一帆风顺,共开展了54次月球探测,包括10次载人探索,发射了7个系列54个探测器,成功35次,成功率65%。

月球车是进行月球表面探测的重要工具之一。按照探测方式分,月球车一般分为两类:一类是无人驾驶的月球探测车,它由轮式底盘和仪器舱组成,载有多种科学探测设备,用太阳能电池和蓄电池联合供电,是靠地面遥控指令或自主控制在月面进行巡视探测,前苏联在20世纪70年代发射的月球车1号、2号属于这类月球车。另一类是有人驾驶的载人月球车,它主要作为航天员在月面活动的交通工具,用于扩大航天员的活动范围和减少航天员的体力消耗,并随时存放航天员收集的岩石和土壤标本,乘阿波罗15号、16号、17号载人飞船登月的美国航天员,曾使用这种类似电瓶车的月球车在月面活动。

至今,国外一共成功发射和运行过5辆月球车,即用于在月面进行无人巡视探测的前苏联月球车1号、2号(分别由月球17号、21号月球着陆器带到月面)和用于在月面运送航天员进行科学探测的美国3辆有人驾驶的载人月球车(分别由阿波罗15号、16号、17号载人登月飞船带到月面)。

就拿无人月球车来说,前苏联的探索也经历了不少挫折和失败。比如1971年9月2日发射的月球18号,着陆后所携的月球车因地面不平发生翻滚。而成功发射、运行的月球车1号、2号也命运不同,其中月球车1号在月面工作了10个月,而月球车2号由于中途出现故障只工作了4个月。月球车2号在地面操控下驶入一个撞击坑考察岩石时,由于轮子在疏松凹陷的月壤中空转,在倒车时坑壁的月壤撞落到月球车太阳能电池板和散热器表面,导致供电骤减,车内过热,数日后月球车与地面彻底失去联系。

20世纪90年代至今仍出现过探月故障。1990年1月,日本发射“飞天”号月球轨道器,“飞天”号接近月球后与地面失去联系,未获得探测成果。2008年10月,印度的“月船”1号绕月探测器,其设计寿命为2年,但因故障只在轨工作312天就与地面失去联系。

月面环境甚至比火星更复杂

之所以有大量月球探测器出现故障,其主要原因主要有:一是月球离地球较远,这就给发射、测控、入轨、着陆、返回等带来很多困难;二是月面环境十分恶劣,甚至比火星环境更复杂,特别是在月球表面,它主要表现为大温差、长月夜、强辐射、高真空、弱重力、无磁场、坑很多、月尘多、月壤细且松软等,这其中的任何一项都会对月球车产生影响,有的甚至足以致命。

例如,从月表的路况上看,太阳紫外线辐射的影响,月壤细粒会周期性地升起,月球重力是地球的1/6,月球车行走时更容易带起大量月壤细粒,形成月尘。月尘可能进入甚至覆盖月球车所载仪器设备,一旦附着很难清除。月尘可能引起月球车很多故障,包括机械结构卡死、密封机构失效、光学系统灵敏度下降等。月球车受到了微粒非常细小的月球尘埃影响,月球尘埃会使轴承、齿轮和密封的其他机械结构产生磨损。月球表面尘埃带电,会给太阳能电池、光学器件等带来不利影响。月面覆盖着厚度不等的月壤层,并存在大小不等的月坑和岩石,其物理力学特性和月表地形都与月球车移动性能直接相关。

因为缺乏大气,月球车将完全暴露在多种宇宙射线下,强烈的电磁辐射可能破坏电子遥控系统,这对接收系统的最大接收功率提出了相当高的要求。月球每天都会直接面对超新星与太阳风暴等大量宇宙射线,而当宇宙射线击中月球表面时,会引发微型的核反应,其结果就是月球表面也产生大批危险的次级辐射。

另外,月球表面崎岖不平,石块、陨石坑遍布,而土壤非常松软,这都会降低月球车的行进效率。而低重力导致的摩擦系数降低,使得在月球上行走远比地球上容易打滑,这对月球车的控制系统提出了更高的要求。在这种情况下,月球车既不能打滑下陷,还要能爬坡越障,需具备“眼观六路、耳听八方”“独立思考、自主判断”的本领。

月球的一天约相当于地球的28天,而且14天是阳光普照的白天,14天是寒冷的黑夜。在月球上,受光部位的极限温度可达150℃,未受光部位的温度则为-130℃至-60℃,而到了夜间,温度会降到-180℃,有些地区甚至低至-200℃。所以长达十多个地球日的漫长月夜、超过300℃的昼夜温差,都可能成为月球车的“健康杀手”。因为很多设备的工作温度都有严格限制,在这么低的温度下,所有的电子仪器都会被冻坏的,即使天亮后太阳出来了也不能恢复工作。要保持这些仪器设备不被冻坏的最低温度是-50℃。另外,在月夜期间不能用太阳能电池发电来保温。月球车的温度太高也不行,要控制在50℃以内。

月面巡视过程中的自主导航与遥控操作也很难。巡视探测任务要求月球车能够进行视觉定位,即对周围环境进行感知,自主完成近距离障碍识别和局部路径规划、多轮运动协调控制和避障或越障,实现远距离行驶,安全到达指定位置,并保障自身的稳定工作。

延伸阅读

地面试验验证

难度很大

在月球车的研制过程中,科研人员要对月球环境进行大量模拟、实验、测试,以便采取多种措施应对,包括近百种应急预案。但用月球车进行巡视探测的一大难点就是发射前在地面试验验证难,而且人类对月球复杂环境了解有限,所以在实际探测中还会遇到很大风险、很大挑战。

月球探测是一项非常复杂并具高风险的工程,在探月过程中出现异常在所难免。任何一项复杂的科研工作都是波浪式前进的,太空探索更是如此,因为人类对月球和其它地外星球知之甚少,而且距离遥远,探测它们必须冒很大风险,经历各种考验,排除各种困难,才能有所收获,然而这也正是太空探索的魅力所在。

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