月球背面的中国足迹<br/>——纪念玉兔二号工作一周年

月球背面的中国足迹
——纪念玉兔二号工作一周年

2020-02-18贾阳刘振春中国空间技术研究院

国际太空 2020年1期

贾阳刘振春（中国空间技术研究院）

中国的月球探测工程被命名为嫦娥工程，是我国航天工程中的旗舰型项目，已经执行了五次任务，其中两次任务，探测器系统中包括月球车，这两辆月球车分别被命名为玉兔一号、玉兔二号。月球车能够拓展科学仪器的探测范围，开展有针对性的探测活动，比如测量不同地点月壤的厚度，分析特定岩石中矿物的成分，获得巡视区域的地形地貌信息，深化人类对月球的认知程度。

2013年年底，玉兔一号开始在月球正面虹湾地区开展巡视探测。2019年年初，玉兔二号月球车驶抵月球背面，成为人类到达月球背面的第一辆月球车。值此玉兔二号月背工作一周年之际，用这篇纪念文章回顾月球车十五年的研制历程。

1 精心设计

15年前，刚开始接触这项工作，谁都不知道月球车应该长什么样子时，我们组织设计师提出了各种创意，就是在宣纸上画出各种想象中的方案，不求功能完整，比如月球车通讯需要天线，需要太阳能电池提供能源，还需要机械臂辅助工作。设计图纸上画出五花八门、形态各异、长着“翅膀”的小车：有4个轮子的、6个轮子的、8个轮子的；有方形太阳翼、三角形太阳翼、梯形太阳翼；有的稳重，有的轻巧，有的酷炫如变形金刚……

我们论证过各种移动形式，履带可以通过松软的沙地，但是出现卡滞后，没有办法派人去修理。还有一种腿式，就像人类这样行走，但是在极端条件下，全系统断电，再起来会比较困难。最后选择了轮式，为了说明轮式的优点，内部讨论时我们夸赞车轮是人类最伟大的发明，自然界中生物有许多值得人类学习、仿生的技能，但是没有哪种生物直接长得像个车轮。

接下来的设计工作，就不是在宣纸上了。设计师利用计算机三维造型软件，集成不同方案的优点，形成了各种创新构形方案。

设计过程中，也走过弯路。比如，曾经设计过像法拉利跑车那样的流线形，后来发现我们的车跑不快，关键是月球上面也没有风。还考虑过变形轮，平地时可以走得快一些，遇到障碍再把车轮收小，也是担心车轮被石块卡住，没有被采纳。

综合这些方案，我们在2006年的时候研制出来一辆原理样机，所谓原理样机就是说已经具备了月球车的所有功能，但是还不能上天，因为它的元器件是普通的电子元器件，还经受不了空间环境的考验。通过在原理样机上开展的大量试验，我们掌握了月球车的设计需要解决的技术问题，就有信心承担月球车的型号研制任务了。

进入型号研制阶段之后，我们根据需求的变化，对月球车的构形细节进行了进一步的调整。如果你仔细对比不同阶段月球车的设计图，你会发现它经历了一系列的演化过程：车体上方增加围栏；车轮间连接的方式发生变化；太阳翼从两个都可收拢变为一个可收拢另一个一次性展开；天线与桅杆合二为一等。这些变化，有的是因为要把月球车工作时产生的热量散掉，有的是为了保证车前进越过的障碍后退时都能通过，以确保安全，还有的是为了减重。

画在宣纸上的月球车原始创意方案

利用软件设计的月球车创意构形方案

变径四轮车

月球车原理样机

设计师为月球车在月面工作时设计了8种构形。发射的时候处于收拢的状态；走到月球表面之前要展开太阳翼和桅杆；在月球表面移动的时候，把后面的天线展开，就像京剧演员的翎子；探测的时候，要把机械臂投放出去；为了与地球通讯，需要倒下桅杆；充电的时候，需要太阳翼正对太阳；到了月夜的时候，要把太阳翼收拢，相当于给车盖上了被子；最后一种构形，如果月球的中午时分车上的设备太热，可以利用太阳翼遮阳，最后因为没有出现高温的情况，所以实际上没有用到。

月球车系统组成

月球车构形

2 充分验证

月球车研制完成后，还不能直接送上天，这里面有两个原因。一个是月球表面的环境十分恶劣，着陆点中午的温度是90°C，夜晚低于－190°C，月夜的低温环境下，苹果像石头一样坚硬。另一个原因就是不可修复，如果在月面发现问题，能够采取的手段有限。因此必须在地面进行充分的试验进行验证。

除了各种航天器都要做的通用试验，月球车还要进行一些特殊试验，被称为专项试验，下面着重介绍的就是月球车外场专项试验。

外场试验的主要目的是检验月球车在未知环境中进行长距离巡视探测的能力，确认工作程序的正确性，测试地面遥操作工作流程。由于这次试验是我国首次在沙漠无人区进行月球车的综合性能测试，难度很大。在试验过程中既涉及到航天产品的性能保证、长距离运输，又涉及到地面控制系统在野外地区能否稳定工作，还有试验后勤保障工作的方方面面。

试验场选在了敦煌西北的库姆塔格沙漠腹地，通过31天的艰苦工作，任务规划、月夜停靠、短距离移动、全周期任务演练等所有的试验工况都顺利完成了，月面通讯试验也取得了满意的结果，记录了大量测试数据，大家的努力换来了丰硕的成果。

外场试验

试验队为了增加试验场的文化气息，在生活区立了一块漂亮的石头，上面写着“望舒”两个字。给场区起名“望舒村”，是因为“望舒”是为月亮驾车的女神，典出《楚辞·离骚》“前望舒使先驱兮，后飞廉使奔属”，而我们自诩是现代为月亮造车、驾车的人。

村口见不到一棵草，大家从远处运来了一棵胡杨，用胡杨的“三个一千年”寓意不屈不挠、上下求索的深空精神。胡杨上面挂着6个木牌，标出了试验场到祖国6个城市的距离，因为150名试验队员来自于这6个城市。一个木牌向上，写着“月球，380000km”，那是大家心中的目标。

3 为月球车起名

嫦娥三号探测器发射前，有关部门为月球车面向全球征名。身为从事月球车研制的设计师，我们关心着它的一切，包括给它起个响亮的名字。我们在月球车的原理样机阶段曾经根据其6个轮子，以及桅杆、机械臂等特征，起了一个轻巧灵动的名字，叫“哪吒”,这次也有网友提出了相同的建议。我们仔细地统计了这些建议，大致分为以下几类。

第一类，古代神话人物。由于嫦娥这个名称取自于古代神话，因此大家很自然地认为应该给月球车也取个神话人物的名称。这些神话人物中，既有嫦娥的丈夫后羿，也有陪伴嫦娥的吴刚；既有广为人知的轩辕、盘古、女娲，也有不为大家熟知的常羲（月神护卫）、羲和（为太阳驾车的女神）。还有的网友建议的名称来自民间故事，包括悟空、八戒、牛郎等，推荐天蓬的网友显然没有忘记那段故事。在这类名称中，我们认为最贴切的是哪吒、精卫。

第二类，吉祥词语。有很多网友希望给月球车起个吉祥、响亮的名称，也代表了对国富民强的期盼。这类名称很多，包括探索、和谐、玲珑等。但是这其中有一些名称已经被其他航天器使用过，比如希望号是我国研制的一颗青少年科普星，和平号是国外著名的空间站的名字，显然都不能再采用了。这类名称中，我们最喜欢的名称是玲珑（李白有名句“玲珑望秋月”）。

第三类，含“龙”、“月”、“天”等字的词。龙是中华民族的图腾，很多网友建议在名称之中用上“龙”字，比如龙翔等，其中我们偏爱苍龙，在古代，苍龙象征着东方，意味深长。含“天”字的名称中，天巡比较贴切。

还有，地名类中有两个有特点，一个是长安，一个是新疆，用到了双关。动植物类中言其轻小如萤火虫、蜜蜂、玄武、朱雀，当然最被广泛认可的还是玉兔。还有一个有特点的名字叫imoon，像是个年轻人的作品，但是我们担心被认为是苹果公司的产品。

最后说一下团队当时的推荐：哪吒、望舒、赛里斯（Seres）、玉兔。其中只有赛里斯这个名称是我们独家推荐，因为这是中国的古称。

经过多轮评选，无论是网友，还是领导、专家，都很喜欢玉兔这个名字，后来大家就都叫它玉兔了。

等到发射第二辆月球车的时候，也曾经进行征名，但是我们早就认为非玉兔二号莫属了。

4 任务实施

嫦娥三号探测器于2013年12月2日发射，14日成功着陆在月球表面，15日凌晨，玉兔一号月球车驶抵月球表面，沉寂了近40年的月面再次迎来了地球人的问候，实现了我国首次在地球以外天体巡视探测的目标。

2019年年初，玉兔二号来到月球背面，这是人类首次在月球背面这片亘古荒原留下人类活动的道道车辙。国际天文学联合会随后将嫦娥四号着陆点命名为“天河基地”，将着陆点周围呈三角形排列的小环形坑分别命名为“织女”、“河鼓”和“天津”，将着陆点所在冯·卡门坑内的中央峰命名为“泰山”。

嫦娥四号着陆器地形地貌相机对玉兔二号成像

落月之后，我们最关注的就是天际线。由于潮汐锁定，月球的一个白天相当于地面15天，一个夜晚也是大约15天，由于电池比较小，月球车晚上需要断电休眠，玉兔一号时采用的是地面控制休眠方式，到了规定的时间，地面发指令，月球车进入休眠状态。

但是这种方式不能适应月球背面的复杂环境，我们担心地面需要发月球车休眠指令的时候，由于地形遮挡，月球车收不到。经过仔细分析，设计师提出利用环境变化提供的信息让月球车自主休眠的方案。夕阳西下，月球车感知到太阳翼发电电流越来越小，自己决定睡觉的时间，不需要地面发指令。但是这个方案有一个先决条件，就是东方太阳升起的方向，山的高度角不能超过20°。因此，落月之后我们没有来得及庆祝，就迅速安排相机成像，进行环拍。当计算出东方山的高度只有3°左右时，我们松了一口气。

唤醒的原理类似，也是月球车自主感知电流的变化，知道不能再睡懒觉了，就起床干活。

5 成果丰富

龙岩

玉兔二号月球车上安装了全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达等探测设备，但并未像玉兔一号一样搭载了粒子激发X射线谱仪，而是将该设备换成一台中国和瑞典合作的中性原子探测仪，其主要功能是帮助科学家探知太阳风如何作用于月球。

地形地貌

月球车的全景相机安装在桅杆上，所谓全景，并不是说相机的视场很大，实际上为了获得分辨率高的图像，在月球车携带的各种相机中，全景相机的视场是最小的，大家看到的视场很大的全景相机图片是经过地面拼接处理后获得的。落月后，月球车绕着陆器走了半圈，从不同的角度拍摄了着陆器，照片中能够清晰地看到着陆腿陷入月球土壤中的深度，这些彩色照片就是全景相机拍摄的。

全景相机最主要的任务是对月表进行光学成像，用于对巡视区地形地貌、撞击坑、地质构造的综合研究。利用这些数据，对着陆区的岩石、撞击坑的分布进行了统计分析，发现与美国阿波罗号飞船着陆区的分布情况有较大的差别。

嫦娥三号探测器着陆在一个直径约为450m的年轻的撞击坑边缘，形貌分析和解译表明，这个撞击坑形成于哥白尼纪，绝对年龄大约为3000～8000万年。剧烈的撞击在月表留下了很多大的石块，月球车拍摄到一块长约4m，高约1.5m 的巨大岩石，被命名为“龙岩”，其表面显示粗粒结构，与地球上的辉长岩较为相似，而显著不同于以往阿波罗采集到的月海玄武岩样品。

玉兔二号执行任务时，这台设备继续发挥重要作用，很多我们熟悉的照片都是它拍摄的，很多科学家感兴趣的探测目标也是在全景相机的图片中被遴选出来的。

物质成分

红外成像光谱仪用于巡视区月表红外光谱分析和成像探测，利用其数据可以精细了解着陆区的物质化学成分。两辆月球车都携带了红外光谱仪。

玉兔二号巡视探测过程中对石块和熔融状物质进行了详细探测，给我们带来了月球背面的新信息。研究团队利用光谱探测数据，证明了月球背面南极-艾特肯盆地存在斜长石、低钙辉石以及橄榄石，为分析着陆区矿物成分是以月幔物质为主，还是被后续撞击熔融再分异提供了重要的信息。

地质结构

月球车上装载了测月雷达，这是国外没有做过的。从玉兔一号数据的处理结果中可知，测月雷达有效信号深度达到百米以上，在大约40m深处有雷达反射异常，分析认为是地层的分界线。雷达探测到着陆区年轻的玄武岩层的厚度达到195m，这说明直至距今25亿年前，雨海盆地仍有大规模的火山喷发。

嫦娥三号着陆区的年龄明显小于其他月海区域，但实测的月壤厚度明显大于其他间接方法估算的2～4m，说明整个月球的月壤厚度可能被低估了。利用探测区及周围大量地形、地貌、撞击坑、地质构造和成分信息，科学家还完成了着陆探测区的地质填图。我国科学家首次研究报道了雨海北部地区的地质特征及其浅表层的地质结构，对于探索月球的岩浆演化历史和后期改造作用具有非常重要的意义。