載人月球車：新技術挑戰複雜“路況”_風聞

來源：中國航天報

近日，我國載人月球車設計進入新階段。同時，國內外不斷曝光一些新穎別緻的載人月球車方案。那麼載人月球車需要應對月球環境的哪些挑戰？未來藉助新技術，它有可能怎樣設計，以便完成複雜多樣的任務？

月面環境挑戰眾多

月球車是能夠在月球表面行駛並完成探測、考察、收集和分析樣品等複雜任務的專用車輛，學名叫做“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範圍，減少體力消耗，還便於存放航天員採集的月球樣本，哪怕貌似簡陋，仍要克服諸多挑戰。

美國“阿波羅16號”乘組駕駛載人月球車訓練

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。如果車輛採用常見的橡膠輪胎，那麼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，路況複雜不容忽視。月球表面覆蓋着厚厚的月壤，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、後退、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，強輻射環境難以迴避。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，月揹着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採取嚴格的抗輻射、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，劇烈温差有待克服。缺乏空氣和水，加上月壤熱導率極低，導致月球表面温度變化劇烈，同一地點的晝夜温差超過300攝氏度並不罕見。橡膠等材料很容易老化、變硬、開裂、脱落，以至於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温度和輻射傷害，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，不會因温度變化而失去彈性和強度，還要自備“空調”，隨時持續調節温度，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，在火箭升空和月面着陸過程中，載人月球車都要克服衝擊、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。圍繞着人的需求出發，載人月球車要滿足航天員在月球上的“衣”“食”“住”“行”。

日本大型密閉式載人月球車想象圖

“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。

每個月夜相當於地球上的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。那麼在近半個月的時間裏，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。

“住”——航天員如果頻繁進入太空艙內，躲避輻射和極端温度，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，還使其温控系統面臨挑戰：必須靈敏地測量温度變化，迅速轉移熱量，保持內部温度均衡。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，除了採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，相當於為它“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”。

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

寒冷月夜，太陽能電池暫停使用，怎麼辦？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、重量的要求不那麼嚴苛，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。

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。

採用“鋼琴線”保持彈力的網眼式輪胎逐漸成為外星球漫遊車的選擇，載人月球車也不例外。針對月球的複雜地貌，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。當前方遇到大於30度的斜坡、高於25釐米的石頭、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。

最近，中國載人航天工程辦公室公佈了載人月球車研製方案初選結果，新穎炫酷的元素並不少見。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鬆、安全地駕車，座椅位置設計有助於航天員健康省力、開闊視野，巧妙的摺疊展開結構同時緩解了供電、温控、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。