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玉兔號月球車

玉兔號月球車,是中國首輛月球探測車,和嫦娥三號著陸器共同組成嫦娥三號探測器。玉兔號月球車設計質量140千克,能源為太陽能,能夠耐受月球表面真空、強輻射、攝氏零下180度到零上150度極限溫度等極端環境。月球車具備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。

2013年12月2日1時30分,中國在西昌衛星發射中心長征三號乙運載火箭成功將嫦娥三號探測器送入軌道。2013年12月15日4時35分,嫦娥三號著陸器與巡視器分離,玉兔號月球車順利駛抵月球表面。2013年12月15日23時45分完成玉兔號圍繞嫦娥三號著陸器旋轉拍照,并傳回照片。2014年1月25日凌晨,嫦娥三號月球車進入第二次月夜休眠。但在休眠前,受復雜月面環境的影響,月球車的機構控制出現異常。2014年2月10日,第一次玉兔號喚醒失敗。2014年2月12日夜,玉兔號月球車已全面蘇醒,狀態趨于好轉,但是如果出現問題的“機構”仍然有待進一步恢復。

名稱玉兔號月球車研制國家中華人民共和國
發射時間2013年12月2日1時30分著陸時間2013年12月14日21時11分
踏上月面2013年12月15日4時35分發射場西昌衛星發射中心
運載工具長征三號乙增強型運載火箭

嫦娥三號簡介

嫦娥三號是中國航天領域迄今最復雜、難度最大的任務之一。這是中國航天器首次地外天體軟著陸,此次探月將為中國航天員登月打下基礎。嫦娥三號任務作為探月工程二期主任務,是‘繞、落、回’三步走中的關鍵一步,對整個探月工程乃至航天事業的發展具有重要意義。中國分別于2007年、2010年成功發射嫦娥一號探月衛星嫦娥二號探月衛星

探測器構成由著陸器和巡視器組成,肩負著中國航天器首次地外天體軟著陸的重任。著陸器將“懷抱”玉兔號巡視器落月,然后玉兔號月球車駛離著陸器在月面進行為期約3個月的科學探測。著陸器則在著陸地點進行就位探測。

嫦娥三號任務是中國航天器首次地外天體軟著陸,使用了多項新研產品和技術,創新性強,技術復雜,難度極高,風險巨大,責任重大,使命光榮。工程全線要發揚大力協同的優良傳統,堅定信心,團結奮戰,攻堅克難,嚴慎細實,高標準、高質量、高效率完成后續工作,確保任務圓滿成功,再創中國航天事業新的里程碑,為實現航天夢、中國夢做出新的更大貢獻。

“玉兔”號名字的由來

2013年11月26日上午9時,國防科技工業局舉行新聞發布會,宣布“嫦娥三號”月球車名稱為“玉兔號”。

命名征集

從2013年9月25日征名活動啟動開始至2013年10月25日,新華網、騰訊網共收到名稱方案19.31萬件,2013年10月26日,來自社會各界的14位評審委員分別從文化內涵、航天事業、民族特征、創意等角度進行評審,經過多輪投票,最終選出玉兔號、探索號、攬月號、錢學森號、追夢號、尋夢號、追月號、夢想號、使命號、前進號10個名稱進入為期一周的網友投票。

投票階段網友踴躍依然,原定6天時間的投票在網友要求下延長4天。在10天的網上投票過程中,共計收到有效投票3445249張。其中,玉兔號得票649956張,排名第一;錢學森號得票609631張,排名第二;攬月號得票526606張,排名第三;尋夢號得票473096張,排名第四;前進號得票464984張,排名第五;探索號得票227764張,排名第六;追夢號得票183898張,排名第七;夢想號得票117927張,排名第八;追月號得票103377張,排名第九;使命號得票88010張,排名第十。

名字的含義

“月球車的名稱,充分體現了全國人民乃至全球華人的意愿,富有時代性、民族性、群眾性。”李本正說:“對征集收到的名稱,組織了由科技專家和文化專家組成的評委會,依次進行入圍初評、網上投票和終審評審,選出了10個入圍名稱。收到有效投票344.52萬余張,其中‘玉兔’號64.99萬余張,得票第一,并通過終審評審。”

李本正說,在中華民族神話傳說中,嫦娥懷抱玉兔奔月。玉兔善良、純潔、敏捷的形象與月球車的構造、使命既形似又神似,反映了我國和平利用太空的立場。

“大眾的廣泛參與和評論飽含著民族文化的深厚內涵和對中國航天的豐富情感。”李本正說:“也有不少網友為月球車命名錢學森號,體現了公眾對我國航天事業奠基者的深切緬懷。”

結構設計

玉兔號月球車,呈長方形盒狀,長1.5米,寬1米,高1.1米,周身金光閃閃,耀眼奪目。黃金甲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,支持和保護月球車的腹中“秘器”——紅外成像光譜儀、激光點陣器等10多套科學探測儀器。

肩部有兩片可以打開的太陽能電池帆板,她的腿部是六個輪狀的移動裝置,“玉兔號”對“車輪”要求極高。研制中,科研人員曾拿出四輪、六輪、八輪以及履帶式等幾十種方案。最終,確定為“六輪獨立驅動,四輪獨立轉向”的方案。“玉兔號”上裝有一個地月對話通訊天線;頭頂的導航相機與前后方的避障相機;負責鉆孔、研磨和采樣的機械臂。

中國探月工程總設計師吳偉仁介紹:“玉兔號”實現了全部“中國制造”,國產率達99.9%。

玉兔號月球車結構圖

圖:玉兔號月球車結構圖(圖片來自騰訊網)

“玉兔號”月球車8個分系統——“玉兔號”月球車由移動、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,被形象稱之為“八仙過海,各顯神通”。

移動分系統:采用輪式、搖臂懸架方案,具備前進、后退、原地轉向、行進間轉向、20度爬坡、20厘米越障能力;

導航控制分系統:攜帶有相機及大量傳感器,在得知周圍環境、自身姿態、位置等信息后,可通過地面或車內裝置,確定速度、規劃路徑、緊急避障、控制運動、監測安全;

電源分系統:由兩個太陽電池陣、一組鋰離子電池組、休眠喚醒模塊、電源控制器組成,利用太陽能為車上儀器和設備提供電源;

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,可使月球車工作時艙內溫度控制在+55℃~-20℃之間;

結構與機構分系統:由結構和太陽翼機械部分、桅桿、機械臂構成,主要為各種儀器、設備、有效載荷提供工作平臺;

綜合電子分系統:將中心計算機、驅動模塊、處理模塊等集中一體化,采用實時操作系統,實現遙測遙控、數據管理、導航控制、移動與機構的驅動控制等功能;

測控數傳分系統:保證月球車與地球38.4萬公里的通信以及與著陸器之間的通信;

有效載荷分系統:月球車配備的科學探測儀器,包括全景相機、紅外成像光譜儀、測月雷達、粒子激發X射線譜儀等。

月面移動

玉兔號月球車具備20度爬坡、20厘米越障能力,可耐受330攝氏度溫差。月球重力約為地球的六分之一,表面土壤非常松軟,凹凸不平,有石塊、有隕石坑,還有陡峭的高坡。在這種環境中,月球車既不能打滑,更不能翻車。為了克服這些困難,“玉兔號”上有全景相機和導航相機,總計是四臺。

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,能夠自主判斷安全避讓。月球車在月面“行走”風險重重,月壤細粒會大量揚起,形成月塵,一旦附著很難清除。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。

在月表形貌綜合模擬試驗控制室,為模擬月球環境,科研人員特地從長白山運回與月球表面物質成分相近的火山灰,并通過鋼絲吊掛月球車,模擬微重力環境。經過測試,“玉兔號在月面巡視時采取自主導航和地面遙控的組合模式,不僅可以自主前進、轉彎、后退,還可以原地打轉、橫向側擺,確保在危機四伏的月面上暢行無阻。”

休眠模式

由于月球晝夜溫差非常大,白晝時溫度高達150攝氏度,黑夜時低至零下180攝氏度。為適應極端環境,玉兔號月球車利用導熱流體回路、隔熱組件、散熱面設計、電加熱器、同位素熱源,可耐受300攝氏度的溫差。月球繞地球轉一圈需要28天多,月球自轉也是28天。這意味著,月球上的一晝夜相當于地球上的28天。月面夜間最低溫度可以降至零下180攝氏度,電子設備根本無法工作。月球上的一晚上相當于地球上的14天。為此,科研人員為“玉兔號”設計了休眠模式——14天工作,14天“睡覺”。

該“睡覺”時自動進入休眠狀態養精蓄銳,該“起床”時又能自動喚醒重新投入工作。這種“日出而作,日入而息”的規律作息,極大地增強了“玉兔號”適應月表惡劣環境的生存能力。

經歷極低溫度后,“月夜喚醒”是一個難題。科研人員為月球車設計了可伸縮的太陽能電池帆板,白天工作時展開,夜晚則收起來,將儀器設備包在里面。這種“包裹式睡眠”,有助于保護各種儀器不被凍壞,確保月球車有剩余電力“自主醒來”,重新展開太陽能電池帆板迎接陽光。

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”。玉兔號月球車設計壽命3個月,這意味著她要經歷3個月球白天和3個月球黑夜。所有的工作,要在月球時間的“上午”和“下午”完成。

月面著陸

踏上月球

2013年12月15日4時35分,嫦娥三號著陸器與巡視器分離,“玉兔號”巡視器順利駛抵月球表面。

2013年12月14日21時11分,嫦娥三號成功著陸在月球西經19.5度、北緯44.1度的虹灣以東區域,隨即按計劃開展了著陸器與巡視器分離各項準備工作。

2013年12月14日23時45分,地面科技人員對兩器分離的實施條件,包括著陸點環境參數、設備狀態、太陽入射角度等,進行了最終檢查確認。隨后,向嫦娥三號發送指令,兩器分離開始。

2013年12月14日,北京航天飛行控制中心飛控大廳屏幕上,嫦娥三號著陸器安然挺立在月面,太陽翼呈展開狀態。“玉兔號”巡視器立于著陸器頂部,展開太陽翼,伸出桅桿。

“巡視器移動至轉移機構條件確認。”3時10分,巡視器開始向轉移機構緩慢移動。

“巡視器移動到位。”4時06分,轉移機構正常解鎖,托舉著巡視器輕輕展開、降落,接觸月面,并在著陸器與月面之間搭起了一架斜梯。

玉兔號月球車成功踏上月面

圖:玉兔號月球車成功踏上月面

隨后,“玉兔號”沿著斜梯款步而下。4時35分,“玉兔號”踏上月球,在月面印出一道深深的痕跡。著陸器監視相機完整地記錄下這一過程,并及時將成像數據傳回地面。

著陸地點

月球上有很多地方以“海”“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公里、東西長約300公里。月球車探測的只是虹灣區的一部分,大約5平方公里。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,二是尚未有人類探測過,科學價值更高,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。

著陸過程

著陸器通過反推發動機緩沖,在月面上徐徐降落,艙門緩緩打開,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……此前,“玉兔號”月球車由著陸器背負,通過光學、微波等敏感器測量,在月球上空懸停、平移、避障,選擇最佳著陸點安全降落月球表面。在這個過程中,著陸器將采取路徑優、燃料省、誤差小的模式實現安全著陸。

“玉兔號”月球車可以依靠自主導航,選路線、上下坡、避障礙,走走停停,邊走邊“看”,并把探測到的數據自動傳回地球,幫助人類直接準確地了解38萬公里外的月亮。“玉兔號”月球車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壤結構,還可以對月球下面100米深的地方進行探測。

有限的時間,迫使“玉兔號”月球車高效工作——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。

科學進展

月壤探測

2014年1月14日21時45分,在北京航天飛行控制中心精確控制下,“玉兔”號月球車舒展“玉兔之手”——機械臂,對腳下月壤成功實施首次月面科學探測。這次探測任務的成功,標志著中國突破了月面高精度機械臂遙操作控制技術,實現了38萬公里之外的機械臂毫米級精確控制。”

由于受“玉兔”號月球車活動維度限制和避障因素影響,“玉兔之手”完成對一個預定目標點的探測,一般要經過十七、八個操作步驟,幾乎每一步操作都要經過極其精密的計算。2013年12月23日凌晨,北京航天飛行控制中心曾控制機械臂進行投放測試,目的是為此次月壤元素成分探測以及其他科學探測工作做先期技術驗證。

2014年1月19日,嫦娥三號探測取得階段性成果 “玉兔”號探到月表下140米。在北京航天飛行控制中心遙操作廳,機械臂控制軟件設計師榮志飛說:“此次探測的精度要求高,操作控制難度大,就如同控制38萬公里之外的‘手’穿針引線,稍有偏差就會前功盡棄。”

巡視探測

嫦娥三號著陸器上的月基天文望遠鏡,在近紫外波段對各種天體變源的亮度變化進行連續監測,觀測到23顆星象。“玉兔號”月球車上的全景相機在多點對著陸器進行成像,并對巡視器周圍月面進行360度環拍,獲取了多幅圖像數據。測月雷達獲得兩個通道探測數據,分別探到了月表下140米內和10米內的淺層結構。這些科學探測數據為建立巡視探測區地形地貌、地質構造,物質成分和淺層結構于一體的綜合地質剖面,以及區域地球化學與構造動力學研究打下了基礎。

科學發現

玉兔號月球探測車在C1隕石坑周邊進行了114米的地質實測,取得了豐富而珍貴的月球地質資料。眾多科學家根據這些資料工作的成果,發表在了世界頂級科學期刊《科學》(Science)上。由“玉兔”車攜帶的測月雷達探測到的數據顯示,嫦娥三號著陸區表面下至少分為9層結構,這表明在那里曾有多個地質學過程發生,對于探索月球的巖漿演化歷史和后期改造作用具有非常重要的意義。這也是中國嫦娥探月工程實施以來,首次在國際頂級學術期刊上發表科學成果。

發生故障

控制異常

2014年1月25日在進入第二個月夜休眠前,中國第一輛月球車“玉兔”號受復雜月面環境的影響,月球車的機構控制出現異常。此前嫦娥三號著陸器在2014年1月24號凌晨進入了夢鄉,但是在自主喚醒后的第二個月晝期間,嫦娥三號探測器上的科學載荷已經陸續地開始科學探測任務。著陸器上的月基光學望遠鏡也開展了觀天探測,極紫外相機對地球等離子體層也進行了觀測。這兩項都為世界上首次月面發展的探測活動。 此外,兩器之間還開展了UHF等通訊實驗,月球車在此期間還進行了巡視,在多個探測點都開展了相關的探測工作,測月雷達、全景相機、粒子激發X射線譜儀、紅外成像光譜議都取得了大量的科學探測數據。

但是在第二次月夜休眠之前,因為月面環境比較復雜,有零下180度的溫度等等的這些各種因素的影響,月球車的機構控制出現了異常,有關方面正在組織專家進行排查。據了解,月球車上包含氫、氦、鋰等至少40多種化學元素,在今天實驗階段又涉及到另外的幾種元素。自2013年12月14號嫦娥三號實現月面軟著陸以來,其實著陸器和月球車已經完成了兩個月晝夜期間的工作,也期待著它能盡快恢復正常。

網友祈福

持續關注中國玉兔號月球車動態的@NASA中文(并非NASA官方中文微博)在微博上評論,玉兔本來就屬于月球”,并附蠟燭圖案示意悼念。 2014年2月10日被認為是“玉兔”所在月球虹灣區結束月夜日子,上月25日宣布“啊……我壞掉了”的月球車被數億網友期待在這天能夠重新被“喚醒”。

全面蘇醒

“嫦娥三號”結束第二次月夜的日子,玉兔號并未走出睡眠狀態,探月工程新聞發言人裴照宇2014年2月12號9點半稱玉兔已全面蘇醒,但仍存在故障無法移動。

2014年2月23日凌晨,嫦娥三號著陸器再次進入月夜休眠。此前,“玉兔”號月球車于2014年2月22日午后進入“夢鄉”。

探月工程副總設計師、中國航天科技集團科技委副主任于登云表示,以前沒故障時,“玉兔”可以在月球自由行走,狀況就是動彈不了。以前美國發射的火星探測器也出現過動不了的情況。工作人員并沒有放棄對故障的分析和排查。以后有可能“玉兔”在某種情況下能恢復正常。因此,“‘玉兔’會不停被喚醒,不停休眠,不停工作,等到完全喪失功能為止。”

帶病喚醒

2014年7月嫦娥三號探測器系統副總指揮、副總設計師,上海航天技術研究院張玉花研究員表示,“玉兔”已成功喚醒,但故障仍未排除。

張玉花介紹,“玉兔”號2014年1月開始出現機構控制異常,第二月晝期間“玉兔”號在行進中被石塊磕碰“受傷”,隨后“帶傷”進入在月球上的第二個夜晚。2月中旬,第三月晝來臨,科研人員想盡各種措施,呼喚“小兔子”醒來。就在人們覺得希望渺茫的時候,“玉兔”成功喚醒,張玉花稱,“它比我們預料的更棒更頑強”。

超期服役

2014年9月4日,中國探月工程總設計師吳偉仁澳門表示,6日“玉兔號”月球車將進入第十個月晝工作期,其4臺科學載荷——全景相機、測月雷達、紅外成像光譜儀、粒子激發X射線譜儀運行正常。

“而著陸器目前的身體狀態也非常好。”吳偉仁說。由中國國家航天局和澳門特區政府聯合主辦的《九天攬月——中國探月工程展》,4日舉行新聞發布會,吳偉仁應邀介紹中國探月工程發展,并向與會媒體透露了當前嫦娥三號任務的最新情況。“月球車出現故障,說明我們對月球環境仍然缺乏了解,比如對月塵的認識非常不足。”吳偉仁說,月塵比我們地球上沙漠里的沙子要細小得多,精密的月球車只要有一點點月塵進入,就有可能造成短路,從而讓其移動系統發生故障。除了移動系統外,月球車搭載的四大科學儀器運行正常。“‘玉兔號’的設計壽命是3個月,目前已經工作到第十個月了,算是超期服役。不可否認,它的功能也會隨著時間的延長而逐漸衰竭。”

歷史上的月球車

月球車,學名“月面巡視探測器”,是一種能夠在月球表面行駛并完成月球探測、考察、收集和分析樣品等復雜任務的專用車輛。

世界第一臺無人駕駛月球車

1970年11月17日,世界上第一臺無人駕駛的月球車由前蘇聯發射的月球17號攜帶月球車1號送上月球。在月面“雨海”地區著陸后,它行駛了10.5公里,進行了10個半月的科學探測,考察了8萬平方米的月面,直至攜帶的能源耗盡,于1971年10月4日停止工作。

世界第一臺有人駕駛月球車

1971年7月31日,美國“阿波羅15號”登上月球“雨海”地區的第二天,宇航員斯科特和歐文進行了航天史上首次有人駕駛的月球車行駛。兩名宇航員駕駛4輪月球車,在崎嶇不平的月球表面行駛了27.9公里,收集了77公斤月巖樣品,之后返回登月艙。

中國第一臺無人駕駛月球車

2013年12月,中國第一個月球著陸器嫦娥三號發射成功,2013年12月15日,嫦娥三號的著陸器與巡視器分離,“玉兔號”巡視器順利駛抵月球表面。

未來的月球車

隨著科學技術不斷發展,人類重返月球的熱潮興起,新一代月球車也將出現。從今天人類的交通工具,可以想象未來月球車的模樣――單人乘坐的月球摩托,雙座多用途的月球車,客貨兩用的月球車,月球的拖掛車,月面軌道巴士,等等。乘坐不同的月球車,人類將實現漫游月球的夢想。

玉兔號更多照片

嫦娥三號著陸器與玉兔月球車月面互拍照

玉兔號月球車多角度照片

玉兔號月球車
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最新更新:2015-08-07 11:14
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