月球背面的中國足跡
——紀念玉兔二號工作一周年

2020-02-18 11:16:58賈陽劉振春中國空間技術研究院

國際太空 2020年1期

賈陽劉振春（中國空間技術研究院）

中國的月球探測工程被命名為嫦娥工程，是我國航天工程中的旗艦型項目，已經執行了五次任務，其中兩次任務，探測器系統中包括月球車，這兩輛月球車分別被命名為玉兔一號、玉兔二號。月球車能夠拓展科學儀器的探測范圍，開展有針對性的探測活動，比如測量不同地點月壤的厚度，分析特定巖石中礦物的成分，獲得巡視區域的地形地貌信息，深化人類對月球的認知程度。

2013年年底，玉兔一號開始在月球正面虹灣地區開展巡視探測。2019年年初，玉兔二號月球車駛抵月球背面，成為人類到達月球背面的第一輛月球車。值此玉兔二號月背工作一周年之際，用這篇紀念文章回顧月球車十五年的研制歷程。

1 精心設計

15年前，剛開始接觸這項工作，誰都不知道月球車應該長什么樣子時，我們組織設計師提出了各種創意，就是在宣紙上畫出各種想象中的方案，不求功能完整，比如月球車通訊需要天線，需要太陽能電池提供能源，還需要機械臂輔助工作。設計圖紙上畫出五花八門、形態各異、長著“翅膀”的小車：有4個輪子的、6個輪子的、8個輪子的；有方形太陽翼、三角形太陽翼、梯形太陽翼；有的穩重，有的輕巧，有的酷炫如變形金剛……

我們論證過各種移動形式，履帶可以通過松軟的沙地，但是出現卡滯后，沒有辦法派人去修理。還有一種腿式，就像人類這樣行走，但是在極端條件下，全系統斷電，再起來會比較困難。最后選擇了輪式，為了說明輪式的優點，內部討論時我們夸贊車輪是人類最偉大的發明，自然界中生物有許多值得人類學習、仿生的技能，但是沒有哪種生物直接長得像個車輪。

接下來的設計工作，就不是在宣紙上了。設計師利用計算機三維造型軟件，集成不同方案的優點，形成了各種創新構形方案。

設計過程中，也走過彎路。比如，曾經設計過像法拉利跑車那樣的流線形，后來發現我們的車跑不快，關鍵是月球上面也沒有風。還考慮過變形輪，平地時可以走得快一些，遇到障礙再把車輪收小，也是擔心車輪被石塊卡住，沒有被采納。

綜合這些方案，我們在2006年的時候研制出來一輛原理樣機，所謂原理樣機就是說已經具備了月球車的所有功能，但是還不能上天，因為它的元器件是普通的電子元器件，還經受不了空間環境的考驗。通過在原理樣機上開展的大量試驗，我們掌握了月球車的設計需要解決的技術問題，就有信心承擔月球車的型號研制任務了。

進入型號研制階段之后，我們根據需求的變化，對月球車的構形細節進行了進一步的調整。如果你仔細對比不同階段月球車的設計圖，你會發現它經歷了一系列的演化過程：車體上方增加圍欄；車輪間連接的方式發生變化；太陽翼從兩個都可收攏變為一個可收攏另一個一次性展開；天線與桅桿合二為一等。這些變化，有的是因為要把月球車工作時產生的熱量散掉，有的是為了保證車前進越過的障礙后退時都能通過，以確保安全，還有的是為了減重。

畫在宣紙上的月球車原始創意方案

利用軟件設計的月球車創意構形方案

變徑四輪車

月球車原理樣機

設計師為月球車在月面工作時設計了8種構形。發射的時候處于收攏的狀態；走到月球表面之前要展開太陽翼和桅桿；在月球表面移動的時候，把后面的天線展開，就像京劇演員的翎子；探測的時候，要把機械臂投放出去；為了與地球通訊，需要倒下桅桿；充電的時候，需要太陽翼正對太陽；到了月夜的時候，要把太陽翼收攏，相當于給車蓋上了被子；最后一種構形，如果月球的中午時分車上的設備太熱，可以利用太陽翼遮陽，最后因為沒有出現高溫的情況，所以實際上沒有用到。

月球車系統組成

月球車構形

2 充分驗證

月球車研制完成后，還不能直接送上天，這里面有兩個原因。一個是月球表面的環境十分惡劣，著陸點中午的溫度是90°C，夜晚低于－190°C，月夜的低溫環境下，蘋果像石頭一樣堅硬。另一個原因就是不可修復，如果在月面發現問題，能夠采取的手段有限。因此必須在地面進行充分的試驗進行驗證。

除了各種航天器都要做的通用試驗，月球車還要進行一些特殊試驗，被稱為專項試驗，下面著重介紹的就是月球車外場專項試驗。

外場試驗的主要目的是檢驗月球車在未知環境中進行長距離巡視探測的能力，確認工作程序的正確性，測試地面遙操作工作流程。由于這次試驗是我國首次在沙漠無人區進行月球車的綜合性能測試，難度很大。在試驗過程中既涉及到航天產品的性能保證、長距離運輸，又涉及到地面控制系統在野外地區能否穩定工作，還有試驗后勤保障工作的方方面面。

試驗場選在了敦煌西北的庫姆塔格沙漠腹地，通過31天的艱苦工作，任務規劃、月夜停靠、短距離移動、全周期任務演練等所有的試驗工況都順利完成了，月面通訊試驗也取得了滿意的結果，記錄了大量測試數據，大家的努力換來了豐碩的成果。

外場試驗

試驗隊為了增加試驗場的文化氣息，在生活區立了一塊漂亮的石頭，上面寫著“望舒”兩個字。給場區起名“望舒村”，是因為“望舒”是為月亮駕車的女神，典出《楚辭·離騷》“前望舒使先驅兮，后飛廉使奔屬”，而我們自詡是現代為月亮造車、駕車的人。

村口見不到一棵草，大家從遠處運來了一棵胡楊，用胡楊的“三個一千年”寓意不屈不撓、上下求索的深空精神。胡楊上面掛著6個木牌，標出了試驗場到祖國6個城市的距離，因為150名試驗隊員來自于這6個城市。一個木牌向上，寫著“月球，380000km”，那是大家心中的目標。

3 為月球車起名

嫦娥三號探測器發射前，有關部門為月球車面向全球征名。身為從事月球車研制的設計師，我們關心著它的一切，包括給它起個響亮的名字。我們在月球車的原理樣機階段曾經根據其6個輪子，以及桅桿、機械臂等特征，起了一個輕巧靈動的名字，叫“哪吒”,這次也有網友提出了相同的建議。我們仔細地統計了這些建議，大致分為以下幾類。

第一類，古代神話人物。由于嫦娥這個名稱取自于古代神話，因此大家很自然地認為應該給月球車也取個神話人物的名稱。這些神話人物中，既有嫦娥的丈夫后羿，也有陪伴嫦娥的吳剛；既有廣為人知的軒轅、盤古、女媧，也有不為大家熟知的常羲（月神護衛）、羲和（為太陽駕車的女神）。還有的網友建議的名稱來自民間故事，包括悟空、八戒、牛郎等，推薦天蓬的網友顯然沒有忘記那段故事。在這類名稱中，我們認為最貼切的是哪吒、精衛。

第二類，吉祥詞語。有很多網友希望給月球車起個吉祥、響亮的名稱，也代表了對國富民強的期盼。這類名稱很多，包括探索、和諧、玲瓏等。但是這其中有一些名稱已經被其他航天器使用過，比如希望號是我國研制的一顆青少年科普星，和平號是國外著名的空間站的名字，顯然都不能再采用了。這類名稱中，我們最喜歡的名稱是玲瓏（李白有名句“玲瓏望秋月”）。

第三類，含“龍”、“月”、“天”等字的詞。龍是中華民族的圖騰，很多網友建議在名稱之中用上“龍”字，比如龍翔等，其中我們偏愛蒼龍，在古代，蒼龍象征著東方，意味深長。含“天”字的名稱中，天巡比較貼切。

還有，地名類中有兩個有特點，一個是長安，一個是新疆，用到了雙關。動植物類中言其輕小如螢火蟲、蜜蜂、玄武、朱雀，當然最被廣泛認可的還是玉兔。還有一個有特點的名字叫imoon，像是個年輕人的作品，但是我們擔心被認為是蘋果公司的產品。

最后說一下團隊當時的推薦：哪吒、望舒、賽里斯（Seres）、玉兔。其中只有賽里斯這個名稱是我們獨家推薦，因為這是中國的古稱。

經過多輪評選，無論是網友，還是領導、專家，都很喜歡玉兔這個名字，后來大家就都叫它玉兔了。

等到發射第二輛月球車的時候，也曾經進行征名，但是我們早就認為非玉兔二號莫屬了。

4 任務實施

嫦娥三號探測器于2013年12月2日發射，14日成功著陸在月球表面，15日凌晨，玉兔一號月球車駛抵月球表面，沉寂了近40年的月面再次迎來了地球人的問候，實現了我國首次在地球以外天體巡視探測的目標。

2019年年初，玉兔二號來到月球背面，這是人類首次在月球背面這片亙古荒原留下人類活動的道道車轍。國際天文學聯合會隨后將嫦娥四號著陸點命名為“天河基地”，將著陸點周圍呈三角形排列的小環形坑分別命名為“織女”、“河鼓”和“天津”，將著陸點所在馮·卡門坑內的中央峰命名為“泰山”。

嫦娥四號著陸器地形地貌相機對玉兔二號成像

落月之后，我們最關注的就是天際線。由于潮汐鎖定，月球的一個白天相當于地面15天，一個夜晚也是大約15天，由于電池比較小，月球車晚上需要斷電休眠，玉兔一號時采用的是地面控制休眠方式，到了規定的時間，地面發指令，月球車進入休眠狀態。

但是這種方式不能適應月球背面的復雜環境，我們擔心地面需要發月球車休眠指令的時候，由于地形遮擋，月球車收不到。經過仔細分析，設計師提出利用環境變化提供的信息讓月球車自主休眠的方案。夕陽西下，月球車感知到太陽翼發電電流越來越小，自己決定睡覺的時間，不需要地面發指令。但是這個方案有一個先決條件，就是東方太陽升起的方向，山的高度角不能超過20°。因此，落月之后我們沒有來得及慶祝，就迅速安排相機成像，進行環拍。當計算出東方山的高度只有3°左右時，我們松了一口氣。

喚醒的原理類似，也是月球車自主感知電流的變化，知道不能再睡懶覺了，就起床干活。

5 成果豐富

龍巖

玉兔二號月球車上安裝了全景相機、紅外成像光譜儀、測月雷達等探測設備，但并未像玉兔一號一樣搭載了粒子激發X射線譜儀，而是將該設備換成一臺中國和瑞典合作的中性原子探測儀，其主要功能是幫助科學家探知太陽風如何作用于月球。

地形地貌

月球車的全景相機安裝在桅桿上，所謂全景，并不是說相機的視場很大，實際上為了獲得分辨率高的圖像，在月球車攜帶的各種相機中，全景相機的視場是最小的，大家看到的視場很大的全景相機圖片是經過地面拼接處理后獲得的。落月后，月球車繞著陸器走了半圈，從不同的角度拍攝了著陸器，照片中能夠清晰地看到著陸腿陷入月球土壤中的深度，這些彩色照片就是全景相機拍攝的。

全景相機最主要的任務是對月表進行光學成像，用于對巡視區地形地貌、撞擊坑、地質構造的綜合研究。利用這些數據，對著陸區的巖石、撞擊坑的分布進行了統計分析，發現與美國阿波羅號飛船著陸區的分布情況有較大的差別。

嫦娥三號探測器著陸在一個直徑約為450m的年輕的撞擊坑邊緣，形貌分析和解譯表明，這個撞擊坑形成于哥白尼紀，絕對年齡大約為3000～8000萬年。劇烈的撞擊在月表留下了很多大的石塊，月球車拍攝到一塊長約4m，高約1.5m 的巨大巖石，被命名為“龍巖”，其表面顯示粗粒結構，與地球上的輝長巖較為相似，而顯著不同于以往阿波羅采集到的月海玄武巖樣品。

玉兔二號執行任務時，這臺設備繼續發揮重要作用，很多我們熟悉的照片都是它拍攝的，很多科學家感興趣的探測目標也是在全景相機的圖片中被遴選出來的。

物質成分

紅外成像光譜儀用于巡視區月表紅外光譜分析和成像探測，利用其數據可以精細了解著陸區的物質化學成分。兩輛月球車都攜帶了紅外光譜儀。

玉兔二號巡視探測過程中對石塊和熔融狀物質進行了詳細探測，給我們帶來了月球背面的新信息。研究團隊利用光譜探測數據，證明了月球背面南極-艾特肯盆地存在斜長石、低鈣輝石以及橄欖石，為分析著陸區礦物成分是以月幔物質為主，還是被后續撞擊熔融再分異提供了重要的信息。

地質結構

月球車上裝載了測月雷達，這是國外沒有做過的。從玉兔一號數據的處理結果中可知，測月雷達有效信號深度達到百米以上，在大約40m深處有雷達反射異常，分析認為是地層的分界線。雷達探測到著陸區年輕的玄武巖層的厚度達到195m，這說明直至距今25億年前，雨海盆地仍有大規模的火山噴發。

嫦娥三號著陸區的年齡明顯小于其他月海區域，但實測的月壤厚度明顯大于其他間接方法估算的2～4m，說明整個月球的月壤厚度可能被低估了。利用探測區及周圍大量地形、地貌、撞擊坑、地質構造和成分信息，科學家還完成了著陸探測區的地質填圖。我國科學家首次研究報道了雨海北部地區的地質特征及其淺表層的地質結構，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。