为什么玉兔月球车速度慢,美国月球车与之相比会跑得更快?

同样是月球车,有轮子能在月球上移动,但我们的月球车“玉兔号”与美国月球车“漫游者”却是完全不同的两样东西。

别着急,且听我一一道来:

“玉兔”月球车是我们自主研制的可在月球表面自主行走的移动探测设备,是6轮全驱动月球车,长1.5米宽1米高1.1米,自重140公斤,可以承受月球极端高低温、强宇宙辐射等恶劣环境,可爬20度的斜坡、翻过20厘米的障碍。这些数据看起来并没什么大不了的,更何况“玉兔号”的速度极慢,只有200米/小时,连小宝宝的童车都能轻松超过它。

(“玉兔号”月球车)

为什么“玉兔”跑这么慢,是它根本就跑不快吗?不是。月球车之所以跑得不快,是因为它身上装着十多件精密科学仪器,它的任务并不是在月球上撒欢,而是要像科学家那样对月球表面进行各种科学探测,并将探测所得到的数据通过无线通信链路发到“嫦娥”月球着陆器,再由嫦娥回传给地球上的测控站。

我们的第一辆月球车“玉兔号”上搭载了共4台全景相机和导航相机,它可以自主判断障碍并避开障碍,还可以自主规划行进路线。它还搭载了红外成像光谱仪、激光点阵仪、粒子激发X射线谱仪、测月雷达等十多台不同功能的科学设备。月球车不仅可以通过测月雷达对下方100米厚度的月球土壤结构进行探测,还可以通过机械臂对月球土壤进行毫米级的取样、粉碎并现场分析其化学性质。

(“玉兔二号”月球车)

月球车“玉兔二号”尽管身材大小跟“玉兔号”一样,爬坡过坎的能力也并不突出,但它可以借助搭载的测月雷达、红外成像光谱仪、中性原子探测仪、低频射电天文观测设备等许多科学仪器设备对月球环境、地质和空间数据进行科学分析。

所以咱们的“玉兔”月球车与其说是一辆车,倒不如说它是一位多面手的宇航员和科学家,在环境险恶、寂静荒凉的月球上一边走一边搞科学研究,同时把研究成果分享给地球上更多的科学家团队。

说月球车,就不得不提大名鼎鼎的美国“漫游者”月球车。

我们都知道上世纪70年代初美国阿波罗计划中“阿波罗15号”、“阿波罗16号”和“阿波罗17号”分别携带了三辆月球车上月球,它们都叫“漫游者”月球车。

(“漫游者”月球车)

与肩负科学探测任务的“玉兔”月球车不同,“漫游者”号实际就像是一台电瓶车,它的作用就是作为宇航员在月球上的交通和通信工具,同时用来运送一些设备、月壤和矿石。所以“漫游者”更大更快、功能单一、结构简单、操作方便。

(月球车手册之功能分解)

“漫游者”号,展开后长3米、宽2米、高1.14米;它是可折叠的,折叠后的尺寸大约是1.5X1.5X1.1米。阿波罗工程的技术人员会在地面将月球车折叠起来,垂直固定在“阿波罗”飞船登月舱下降段的侧面,等到飞船降落月球,宇航员出舱后再把它放下来展开并安装好。这是一个比较复杂的过程,需要两名宇航员密切配合。

(地面工作人员正在往阿波罗飞船侧面安装折叠后的月球车)

(月球车部署示意图:宇航员先要解除固定装置)

(两名宇航员合力拉开月球车固定装置,放下月球车)

(下降的同时展开月球车)

(打开座椅,安装必要的设备,在经过一系列调试过程后,就可以启动月球车了)

“漫游者”月球车是由电池驱动的纯电动车,与之前苏联发射使用太阳能帆板的“月球车一号”不同,美国“漫游者”月球车携带了两块合计242安时电量的氢氧燃料电池,这种电池是将氢气、氧气和电解质的化学能直接转换成电能和水的发电装置,它的能效转换比高达80%,是一种非常高效的发电装置。原则上它的电能受限于携带的氢氧气体多少。

(氢氧燃料电池产生电能原理)

鉴于氢氧燃料电池拥有如此高的电能转换效率,所以包括阿波罗飞船、月球车,甚至其后的美国航天飞机都采用它提供电能。但由于它造价高昂,相当长一段时间里都没有走入民用。

(宇航员正在用吸尘刷扫除电池上方的月尘)

由于月球车燃料电池的工作温度在摄氏0~50度左右,所以它们被装在车前方一个有热交换装置的防尘盒子里,盒子表面带有小方格子的镜面不是太阳能板,而是反射阳光的散热器,平时这个散热器上面还有个盖子(就是画面中立起来的金色盖板),它主要起到防尘的效果,很显然阿波罗15号的月球车并不能做到完全防尘,需要宇航员时常拿刷子进行清扫以防电池过热。

(月球车手册之电池模块)

“漫游者”月球车有四个车轮,每个车轮上都装有一个独立的马达,前后轮都可以转向,它是一台不折不扣的四驱车。其实它的速度并不快,设计最高速度20公里/小时,它的电池可以驱动月球车跑50公里左右。实际上因为月球表面崎岖不平又有很多石头,所以开的并不快。阿波罗计划的三次月球车任务中,阿波罗15号月球车跑了27.9公里、16号车跑了27公里、17号车跑了35公里。

(月球车行进连拍照片)

有许多朋友对美国月球车硕大的车轮和它上面的挡泥板感兴趣,觉得他们怎么能把地面用的橡胶轮胎搬到月球上去,难道就不怕晒爆?

事实上,“漫游者”月球车的四个车轮是弹性钢丝编制的,在它的接地面安装了交错的金属片以减小压强,所以不注意看还以为是普通汽车的橡胶轮胎。

(月球车手册之钢丝轮胎的截面图和局部示意图)

之所以这样设计,主要是考虑到宇航员乘坐的舒适性,它可以在让灰尘漏下去的同时尽可能地增大与月面的接触面、加大抓地力,最大程度地减轻重量,另一方面还可以杜绝橡胶轮胎的种种弊端。

尽管月球车速度最快只有20公里/小时,但鉴于车轮的设计,它在月球上它还是会扬起很高的月尘,这些灰尘无论是落在设备上还是宇航员的宇航服上都会造成不良影响,所以设计者给月球车装上了四个橘红色的挡泥板,严格意义上说应该叫挡灰板。

“玉兔号”因为速度极慢,所以用不着挡灰板。

(月球车正在被安装到飞船上,从照片我们可以清楚地看到钢丝车轮和挡灰板)

“漫游者”月球车的机械结构比较复杂,但控制系统却相对简单,宇航员经过训练后可以熟练地操控它前进后退和转向。与别的车辆不同的是,宇航员需要时刻留意电池和马达温度的变化,根据需要采取降温措施。

(月球车控制面板,上面有指南针、速度表、温度指示和一些控制开关。下方有一个白色T形控制手柄,最下方橘红色的是腕托)

(月球车手册之方向与速度指示模块示意图)

最后做个总结:

“玉兔”号月球车与50年前美国“漫游者”存在巨大的速度差异,有以下几方面的原因:

一、“玉兔”号是科研设备载具,“漫游者”是代步工具。

二、“玉兔”号需要时间边走边探测边研究,“漫游者”以帮助宇航员最快最轻松到达目标为己任。

三、“玉兔”号是无人驾驶、自主移动,“漫游者”是由宇航员驾驶,人的反应速度要快多了。

四、“玉兔”号是个极其复杂精密的设备,“漫游者”结构简单、耐造。

五、“玉兔”号身板小轮子小,见到石头绕着走,“漫游者”跟福特轿车一般大,碾过石子不在话下,了不起翻车了扶起来便是。

两种月球车是人类科技不同阶段的产物,它们的使命作用也不相同,尺有所短寸有所长,不适合简单粗暴地放在一起比速度。

如果你有什么疑问,欢迎在评论区留言,我会尽力为你解答。

谢谢!

2021-10-20

2021-10-20