載人月球車：應用新技術，踏平坎坷路

文/張凱

▲ 我國清華大學牽頭團隊設計的“望舒之輦”載人月球車概念圖

當前，我國載人月球車設計進入新階段。與此同時，國內外不斷曝光一些新穎別致的載人月球車方案。事實上，載人月球車需要在月球環境中應對一系列嚴峻挑戰。借助新技術發展成果，它有可能采用一些別出心裁的設計方案，完成日益復雜多樣的任務。

月面環境挑戰眾多

月球車是能夠在月球表面行駛并完成探測、考察、收集和分析樣品等復雜任務的專用車輛，學名叫“月面巡視器”。特別是載人月球車，能夠大大拓展航天員在月球上的活動范圍，減少體力消耗，還便于存放航天員采集的月球樣本，哪怕貌似簡陋，仍要克服諸多挑戰。

首先，必須適應獨特的重力環境。眾所周知，月球表面重力只有地球的1/6，更大更重的載人月球車會遭遇更大幅度的“減重”，進而面臨削弱抓地力的風險。如果車輛采用常見的橡膠輪胎，那么輪胎很可能出現壓力下降、形狀異常等情況，無法正常工作，顯著影響行駛效率和安全性。

其次，路況復雜不容忽視。月球表面覆蓋著厚厚的月壤，主要是由天體所產生的碎片經過長期磨碎、混合而成的。月球上沒有大氣層和水循環，所以沒有風雨侵蝕、平整月球表面，導致月面崎嶇不平，地形變化比地球表面更加無規律，加上月壤非常細小、鋒利、黏稠，很可能刺穿、劃傷、堵塞車輪等驅動機構。載人月球車必須克服重重路障，確保前進、后退、轉彎、爬坡“樣樣在行”，選用的材料、結構和測試過程必須經得起劇烈“折騰”，還要考慮駕駛符合人機工效學原理。

第三，強輻射環境難以回避。地月空間、月球表面輻射的類型、能量、強度都與地球附近大不一樣。比如，月球沒有保護層來阻擋太陽輻射，嫦娥四號探測器曾發現，月背著陸區的粒子輻射劑量是地表的300 倍。所以，載人月球車的機械部件以及對輻射異常敏感的高集成度微電子元器件都必須采取嚴格的抗輻射、耐腐蝕和耐老化措施。與無人月球車相比，航天員是載人月球車的防輻射“薄弱環節”和照顧重點。

第四，劇烈溫差有待克服。缺乏空氣和水，加上月壤熱導率極低，導致月球表面溫度變化劇烈，同一地點的晝夜溫差超過300 攝氏度并不罕見。橡膠等材料很容易老化、變硬、開裂、脫落，以至于基本上不會被載人月球車選用。在“阿波羅”任務中，載人月球車是“簡易敞篷車架”，航天員為避免遭受極端溫度和輻射傷害，大部分“登月時間”其實是躲在艙內的。新一代載人月球車選用材料必須具有很好的耐熱性和耐寒性，不會因溫度變化而失去彈性和強度，還要自備“空調”，隨時持續調節溫度，使航天員登月時間更加“名副其實”。

此外，載人月球車必須適應航天發射的特殊力學環境和空間環境的考驗。例如，在火箭升空和月面著陸過程中，載人月球車都要克服沖擊、振動、過載和噪聲考驗。

“衣食住行”需求嚴苛

在可預見的時期內，載人月球車將是航天員在月面開展科考和駐留活動的唯一交通工具。圍繞著人的需求出發，載人月球車要滿足航天員在月球上的“衣”“食”“住”“行”。

▲ 美國“阿波羅16 號”乘組駕駛載人月球車

▲ 美國“阿波羅16 號”乘組使用載人月球車訓練

“衣”——月球車需要“鎧甲”。航天員登陸月球后，連同載人月球車一起完全暴露在強烈宇宙射線下，保障航天員的健康不能完全指望航天服，而電子遙控系統很難保證萬無一失，又對通信系統的多項指標提出了相當高的要求。另外，月面相對平整區域的月壤厚度可達5～6 米，載人月球車行駛時更易帶起大量細微顆粒，覆蓋儀器設備，影響工作效率與數據分析準確性，甚至威脅人員安全。因此，“鎧甲”既要防護強度好，又要“無微不至”。

“食”——月球車離不開穩定、充沛的能量。當前，無人月球車多采用太陽能電池結合同位素熱源的能源供給方案。載人月球車能耗更大，對供能持續性、穩定性的要求也更高。

每個月夜相當于地球上的14 天，這成為國外一些載人月球車和月面居住艙設計方案的供能持續時間指標。那么在近半個月的時間里，載人月球車無法指望太陽能供電，必須創新“開源節流”的技術設計模式。

▲ 日本大型密閉式載人月球車想象圖

“住”——航天員如果頻繁進入太空艙內，躲避輻射和極端溫度，勢必影響工作效率，還會加速消耗載人月球車的能源。所以，載人月球車發展為“月球房車”，很可能是大勢所趨。

這不僅對載人月球車的“鎧甲”和能源提出了更高的要求，還使其溫控系統面臨挑戰：必須靈敏地測量溫度變化，迅速轉移熱量，保持內部溫度均衡。顯然，載人月球車不同部位的材料選擇必須精心籌劃。

“行”——載人月球車在月面行駛，不僅要靠特殊車輪克服惡劣地形。一方面，地球團隊指令傳輸會有時延，載人月球車需要及時處理路況信息，更強調自主性，既要求駕駛員注意路況，又少不了人工智能支持。另一方面，想在月面認路，載人月球車的探測設備功不可沒，如果再得到空中遙感支持，必將事半功倍。

新技術助力馳騁

載人月球車想要在月面安全地開展活動，最基本的準備是“穿好衣”。針對輻射威脅，除了采用傳統的電磁防護材料外，有科研人員提出了新思路：在恰當時機巧妙部署一系列磁鐵，在載人月球車周圍產生穩定磁場，相當于為它“穿上隱形電磁防護鎧甲”。這樣不僅有望屏蔽和抵消電磁輻射的不良影響，還可以吸附月塵微粒，解決載人月球車的“難言之隱”。

寒冷月夜，太陽能電池暫停使用，怎么辦？不少載人月球車方案選用同位素熱源。這種“核電池”利用同位素衰變原理釋放能量，有的型號重量僅有160 克，體積僅有18 立方毫米，如果換用提供同樣功率的化學電池，則重量幾乎與成人體重一樣。顯然，同位素熱源促使供能裝置小型化、輕量化，幫助載人月球車儲備足夠的“口糧”。

當然，如果對體積、重量的要求不那么嚴苛，又進一步解決了月球資源原位利用難題，燃料電池或許也有機會為載人月球車所用。

▲ 美國宇航局長期測試“月球房車”

此外，高效熱管、相變儲能、可變發射率熱控器件等先進熱控技術也有望助力載人月球車保暖：白天，足夠的熱量被收集、儲存在相變材料中；夜晚，通過相變將熱量釋放出來，經過高效流體熱管環路，創造舒適環境。

采用“鋼琴線”保持彈力的網眼式輪胎逐漸成為外星球漫游車的選擇，載人月球車也不例外。針對月球的復雜地貌，獨立驅動的多輪搖臂式行走系統頗有優勢，每個車輪都可以自行調整高度，就像人體各個關節一樣互助協作，使月球車必要時成為“爬行高手”。再考慮到月面重力和月壤的特殊性，載人月球車也許可以嘗試火箭動力跳躍和類似雪橇的滑行前進，前提是充分掌握月面地形信息。

想要了解月面地形，載人月球車需要配備自主導航和智能駕駛系統，實施自主避障和路徑規劃，或者向駕駛員提供專家輔助模式。比如，360度旋轉導航相機可以提前觀察地貌，系統自動編輯地圖，規劃行進路線。當前方遇到大于30 度的斜坡、高于25 厘米的石頭、直徑2 米以上的月面撞擊坑時，載人月球車可以及時收到預警，緊急繞行，減少人工干預，幫助航天員集中精力，更加科學高效地完成任務。

▲ 同位素熱源曾支持蘇聯無人月球車在月面上馳騁數十千米

2023 年10 月25 日，中國載人航天工程辦公室公布了載人月球車研制方案初選結果，新穎炫酷的元素并不少見。例如，人機智能混合增強駕駛技術、車體傾角可調設計、蠕動行駛功能等幫助航天員更加輕松、安全地駕車，座椅位置設計有助于航天員健康省力、開闊視野，巧妙的折疊展開結構同時緩解了供電、溫控、空間等困難……

總之，載人月球車方案充分展示了科研人員的實力和創造力，必將幫助航天員進一步揭開月球的奧秘。

▲ 我國清華大學牽頭團隊設計的載人月球車方案具備較強的地形適應能力

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外星球漫游車妙招化解挑戰

文/閆嘉偉

相比月球，火星這類行星的氣候環境更加惡劣復雜，地形地貌破碎難行，而且與地球相距更遠，導致通信更加困難。這些因素都迫使火星車等外星球漫游車的行走裝置需克服比月球車更嚴峻的挑戰，因此其方案設計、加工制造時逐漸采用了一系列新妙招，有助于更好地適應惡劣環境。

一方面，更新穎、更先進的車輪設計能夠幫外星球漫游車克服復雜地形。比如，針對外星球崎嶇、破碎的地貌，科研人員正在設計具有更大接觸面積和更強攀爬能力的特殊材質行走輪，有望幫助漫游車獲得更出色的通過性。

另一方面，外星球上缺乏人工硬化路面和成熟的導航定位系統，因此漫游車需要具備強大的自主導航能力。未來，科研人員會預先向目標星球發射特殊的導航衛星，著陸器和漫游車也有可能攜帶無人機，建設外星球立體探測網絡，改善外部信號環境。

隨著人工智能發展，外星球漫游車有望應用計算機視覺、機器學習、高帶寬傳輸、高算力核心處理器等先進技術，從而在未知環境中擁有更出色的自主決策能力，更加安全高效地行駛。

此外，如果外星球漫游車采用先進的能源裝置及管理策略，那么延長續航里程和任務時間就大有希望。傳統的外星球漫游車依賴太陽能供電，受惡劣天氣干擾較大。好奇號漫游車率先在火星車上應用了核動力裝置，能源供應時間和可靠性超出預期。未來，小型核動力裝置、能量回收/存儲及先進能源管理技術進一步發展和應用后，外星漫游車將行駛更久、探索更遠，在面臨險情時具備更加充足的冗余度，助力脫困。

▲ 好奇號火星車長期執行任務，車輪已破損嚴重

未來，外星漫游車必將更靈巧、更智能，任務能力更加全面，行駛通過性更加出色。比如，基于可變形機器人的概念，未來外星球漫游車可能在結構和材料方面多下功夫，以便更好地適應復雜地形。當面臨洞穴隧道、懸崖峭壁等傳統上不易探查的地形時，外星球漫游車可根據需要適度改變形狀尺寸，越過障礙物，探索狹小空間。

同時，結合生物學和仿生學研究進展，外星球漫游車可能會借鑒自然生物的絕技，具備更高效靈活的運動能力和適應能力。未來外星球漫游車有可能不再使用傳統的車輪作為行走裝置，而是類似蠕動前進，闖過松軟淤陷地表，或者進行雙足、多足行走，通過地貌破碎環境，力爭征服充滿險阻的未知環境。

此外，隨著外星球探索和資源開發的規劃越來越多，加深國際合作，制定相關標準，應該是大勢所趨。各國可能會共同研發新型探測器和外星球漫游車，促使一些關鍵技術和組件標準化，以便提高外星球漫游車的性能和互操作性。

屆時，不同國家的探測器、漫游車可以在一定的外星球區域內協同作業，傳輸和共享信息，在一定的合作框架內實現任務成果互利共享。這些舉措將幫助外星球漫游車提升行駛能力，完善維護保障，收獲更多成果。