挑戰(zhàn)復(fù)雜路況，載人月球車如何練就“十八般武藝”？

近日，我國(guó)載人月球車設(shè)計(jì)進(jìn)入新階段。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外不斷曝光一些新穎別致的載人月球車方案。那么載人月球車需要應(yīng)對(duì)月球環(huán)境的哪些挑戰(zhàn)？未來(lái)借助新技術(shù)，它有可能怎樣設(shè)計(jì)，以便完成復(fù)雜多樣的任務(wù)？

月面環(huán)境挑戰(zhàn)眾多

月球車是能夠在月球表面行駛并完成探測(cè)、考察、收集和分析樣品等復(fù)雜任務(wù)的專用車輛，學(xué)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(dòng)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(jiǎn)陋，仍要克服諸多挑戰(zhàn)。

美國(guó)“阿波羅16號(hào)”乘組駕駛載人月球車訓(xùn)練

首先，必須適應(yīng)獨(dú)特的重力環(huán)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(huì)遭遇更大幅度的“減重”，進(jìn)而面臨削弱抓地力的風(fēng)險(xiǎn)。如果車輛采用常見(jiàn)的橡膠輪胎，那么輪胎很可能出現(xiàn)壓力下降、形狀異常等情況，無(wú)法正常工作，顯著影響行駛效率和安全性。

其次，路況復(fù)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(chǎn)生的碎片經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期磨碎、混合而成的。月球上沒(méi)有大氣層和水循環(huán)，所以沒(méi)有風(fēng)雨侵蝕、平整月球表面，導(dǎo)致月面崎嶇不平，地形變化比地球表面更加無(wú)規(guī)律，加上月壤非常細(xì)小、鋒利、黏稠，很可能刺穿、劃傷、堵塞車輪等驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。載人月球車必須克服重重路障，確保前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、爬坡“樣樣在行”，選用的材料、結(jié)構(gòu)和測(cè)試過(guò)程必須經(jīng)得起劇烈“折騰”，還要考慮駕駛符合人機(jī)工效學(xué)原理。

第三，強(qiáng)輻射環(huán)境難以回避。地月空間、月球表面輻射的類型、能量、強(qiáng)度都與地球附近大不一樣。比如，月球沒(méi)有保護(hù)層來(lái)阻擋太陽(yáng)輻射，嫦娥四號(hào)探測(cè)器曾發(fā)現(xiàn)，月背著陸區(qū)的粒子輻射劑量是地表的300倍。所以，載人月球車的機(jī)械部件以及對(duì)輻射異常敏感的高集成度微電子元器件都必須采取嚴(yán)格的抗輻射、耐腐蝕和耐老化措施。與無(wú)人月球車相比，航天員是載人月球車的防輻射“薄弱環(huán)節(jié)”和照顧重點(diǎn)。

第四，劇烈溫差有待克服。缺乏空氣和水，加上月壤熱導(dǎo)率極低，導(dǎo)致月球表面溫度變化劇烈，同一地點(diǎn)的晝夜溫差超過(guò)300攝氏度并不罕見(jiàn)。橡膠等材料很容易老化、變硬、開(kāi)裂、脫落，以至于基本上不會(huì)被載人月球車選用。在“阿波羅”任務(wù)中，載人月球車是“簡(jiǎn)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(shí)間”其實(shí)是躲在艙內(nèi)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(huì)因溫度變化而失去彈性和強(qiáng)度，還要自備“空調(diào)”，隨時(shí)持續(xù)調(diào)節(jié)溫度，使航天員登月時(shí)間更加“名副其實(shí)”。

此外，載人月球車必須適應(yīng)航天發(fā)射的特殊力學(xué)環(huán)境和空間環(huán)境的考驗(yàn)。例如，在火箭升空和月面著陸過(guò)程中，載人月球車都要克服沖擊、振動(dòng)、過(guò)載和噪聲考驗(yàn)。

“衣食住行”需求嚴(yán)苛

在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)期內(nèi)，載人月球車將是航天員在月面開(kāi)展科考和駐留活動(dòng)的唯一交通工具。圍繞著人的需求出發(fā)，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(qiáng)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(tǒng)很難保證萬(wàn)無(wú)一失，又對(duì)通信系統(tǒng)的多項(xiàng)指標(biāo)提出了相當(dāng)高的要求。另外，月面相對(duì)平整區(qū)域的月壤厚度可達(dá)5～6米，載人月球車行駛時(shí)更易帶起大量細(xì)微顆粒，覆蓋儀器設(shè)備，影響工作效率與數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確性，甚至威脅人員安全。因此，“鎧甲”既要防護(hù)強(qiáng)度好，又要“無(wú)微不至”。

“食”——月球車離不開(kāi)穩(wěn)定、充沛的能量。當(dāng)前，無(wú)人月球車多采用太陽(yáng)能電池結(jié)合同位素?zé)嵩吹哪茉垂┙o方案。載人月球車能耗更大，對(duì)供能持續(xù)性、穩(wěn)定性的要求也更高。

每個(gè)月夜相當(dāng)于地球上的14天，這成為國(guó)外一些載人月球車和月面居住艙設(shè)計(jì)方案的供能持續(xù)時(shí)間指標(biāo)。那么在近半個(gè)月的時(shí)間里，載人月球車無(wú)法指望太陽(yáng)能供電，必須創(chuàng)新“開(kāi)源節(jié)流”的技術(shù)設(shè)計(jì)模式。

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

這不僅對(duì)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(tǒng)面臨挑戰(zhàn)：必須靈敏地測(cè)量溫度變化，迅速轉(zhuǎn)移熱量，保持內(nèi)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(tuán)隊(duì)指令傳輸會(huì)有時(shí)延，載人月球車需要及時(shí)處理路況信息，更強(qiáng)調(diào)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(rèn)路，載人月球車的探測(cè)設(shè)備功不可沒(méi)，如果再得到空中遙感支持，必將事半功倍。

新技術(shù)助力馳騁

載人月球車想要在月面安全地開(kāi)展活動(dòng)，最基本的準(zhǔn)備是“穿好衣”。針對(duì)輻射威脅，除了采用傳統(tǒng)的電磁防護(hù)材料外，有科研人員提出了新思路：在恰當(dāng)時(shí)機(jī)巧妙部署一系列磁鐵，在載人月球車周圍產(chǎn)生穩(wěn)定磁場(chǎng)，相當(dāng)于為它“穿上隱形電磁防護(hù)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(guó)清華大學(xué)牽頭團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“望舒之輦”載人月球車概念圖

寒冷月夜，太陽(yáng)能電池暫停使用，怎么辦？不少載人月球車方案選用同位素?zé)嵩?。顯然，同位素?zé)嵩创偈构┠苎b置小型化、輕量化，幫助載人月球車儲(chǔ)備足夠的“口糧”。

當(dāng)然，如果對(duì)體積、重量的要求不那么嚴(yán)苛，又進(jìn)一步解決了月球資源原位利用難題，燃料電池或許也有機(jī)會(huì)為載人月球車所用。

此外，高效熱管、相變儲(chǔ)能、可變發(fā)射率熱控器件等先進(jìn)熱控技術(shù)也有望助力載人月球車保暖：白天，足夠的熱量被收集、儲(chǔ)存在相變材料中；夜晚，通過(guò)相變將熱量釋放出來(lái)，經(jīng)過(guò)高效流體熱管環(huán)路，創(chuàng)造舒適環(huán)境。

采用“鋼琴線”保持彈力的網(wǎng)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(duì)月球的復(fù)雜地貌，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的多輪搖臂式行走系統(tǒng)頗有優(yōu)勢(shì)，每個(gè)車輪都可以自行調(diào)整高度，就像人體各個(gè)關(guān)節(jié)一樣互助協(xié)作，使月球車必要時(shí)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(dòng)力跳躍和類似雪橇的滑行前進(jìn)，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(dǎo)航和智能駕駛系統(tǒng)，實(shí)施自主避障和路徑規(guī)劃，或者向駕駛員提供專家輔助模式。比如，360度旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航相機(jī)可以提前觀察地貌，系統(tǒng)自動(dòng)編輯地圖，規(guī)劃行進(jìn)路線。當(dāng)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(shí)，載人月球車可以及時(shí)收到預(yù)警，緊急繞行，減少人工干預(yù)，幫助航天員集中精力，更加科學(xué)高效地完成任務(wù)。

最近，中國(guó)載人航天工程辦公室公布了載人月球車研制方案初選結(jié)果，新穎炫酷的元素并不少見(jiàn)。例如，人機(jī)智能混合增強(qiáng)駕駛技術(shù)、車體傾角可調(diào)設(shè)計(jì)、蠕動(dòng)行駛功能等幫助航天員更加輕松、安全地駕車，座椅位置設(shè)計(jì)有助于航天員健康省力、開(kāi)闊視野，巧妙的折疊展開(kāi)結(jié)構(gòu)同時(shí)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(shí)力和創(chuàng)造力，必將幫助航天員進(jìn)一步揭開(kāi)月球的奧秘。（作者：張凱 圖片來(lái)源：美國(guó)宇航局、日本宇宙航空開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)、清華大學(xué) 把關(guān)專家：中國(guó)航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）