月球车(读书报告)

宇航员的“悍马”——月球车俄罗斯航天理论先驱齐奥尔科夫斯基曾经说过：“地球是人类的摇篮，但人类不能总在摇篮里生活。

”科学泰斗的宣言一直激励着人类的飞天梦想。

1961年，前苏联成功地载人飞入外太空，人类第一次迈出了摇篮。

1969年，美国人登上月球，人类第一次踏上了地球之外的大地。

人类对于月球的探测目前主要分为三个阶段：（1）第一次探月高潮（1958—1976年）在冷战背景下，美国和前苏联展开了以月球探测为中心的空间竞赛，掀起了第一次月球探测高潮。

自1958—1976年，美国和前苏联共发射83个月球探测器，成功45个。

1969年7月美国阿波罗11号飞船实现了人类首次登月，相继阿波罗—12、14、15、16、17和前苏联的月球号—16、20和24进行了载人和不载人登月取样，共获得了382公斤的月球样品和难以计数的科学数据。

月球探测取得了划时代的成就。

（2）月球探测宁静期（1976—1994年）自1976年以来，延续约18年没有进行过任何成功的月球探测活动，其原因可能是：随着冷战形势的缓和，随后前苏联的解体，空间霸权的争夺有所缓解；需要总结探测活动耗资大、效率低、探测水平不高的经验与教训，提出新的探测思路和战略；以月球探测获得的技术为基础，将月球探测技术向各领域转化、推广和应用，完善航天技术系统，研制新的空间探测技术，如航天飞机及其他往返运输系统、大推力火箭、高效探测仪器等，为进一步开发利用地外资源进行科学和技术准备；需要较长时间进行探测资料的消化、分析与综合，将月球科学研究提高到更高理性认识的阶段。

（3）重返月球（1994以后）1986年，空间探测技术和月球科学研究达到了新的阶段，对月球进行科学的、“理性”的探测时机已经成熟，美国航空航天局（NASA）开始构思重返月球的计划。

1989年7月20日美国总统布什宣布“在即将到来的10年里，我们努力的目标是自由号太空船；然后，在新的世纪，我们要重返月球，重返未来，而且这一次要呆下去”。

“要呆下去”开发利用月球矿产资源、能源和特殊环境，建设月球基地，为人类社会的可持续发展服务，已成为新世纪月球探测的总体目标。

到目前为止，除了美国宇航员亲自踏上过月球外，其他国家还没有人登上地球以外的土地。

在未来十年内，包括俄罗斯、欧洲空间局在内，也都没有载人登月计划。

在2020年之前，各国对月球的探测与考察主要通过着陆探测器、无人驾驶月球车甚至空间实验室来实现。

而能够像人类一样可以自主移动的智能设备——月球车，则是各国科学家目前技术攻关的重点。

月球车和任何一款在地球上的机器人不同，它虽然可以被看作是一种轮式机器人，拥有机器人的自主性、移动性和智能性，但是它要面临比在地球上恶劣得多的环境：月面引力小，尘土多；白天高温可以达到130℃，夜间低温可以低至-180℃；各种辐射比地球强得多；而且月球车距离地球上的指挥中心超过38万公里，每一次通信需要传输2.6秒的时间；在行走过程中，月球年随时可能遇到障碍物、沟壑或斜坡等等。

所有这些因素都致使月球车不能简单地照搬普通机器人的车身材料、元件材料、组织机构、行走方式和传感通信技术等。

一、月球车的历史1970年11月17日苏联“月球”17号探测器把世界上第一个无人驾驶的“月球车”1号（如图一）送上月球，它行驶了10.5公里,考察了8万平方米的月面。

后来的“月球第 1 页（共 6 页）车”2号行驶了37公里，向地球发回86幅月面全景图。

月球1号的外形就像个婴儿车，或是有9个轮子的澡盆。

虽然它看起来十分古怪，但却是个名副其实的活动实验室。

月球车1号带有能插入月壤测试月壤物理力学性质的透度计，测定月壤化学参数的X射线分析仪，专门研究月表磁场特性的磁力计，用于测量地月距离的激光反射镜，可以测量可见光和紫外线强度的光度计，以及探测宇宙射线和观测太阳的高灵敏仪器，还携带了多个获取月表图像的摄像设备。

月球车1号设计十分巧妙。

它由底盘和仪器舱组成，底盘上的8个电驱动轮子互相独立，每个轮子都分别控制，当某个轮子被绊住或打滑时，只要两侧各有一个工作，它就可以行走。

月球车轮缘包裹着精细的金属丝，可以增加摩擦力。

当一侧的轮子转速大于另一侧的转速，或转动方向相反时，可以实现转弯。

月球车的轮子是镂空的，镂空的轮子不但可以减轻重量，还能起到减少扬尘的作用。

月球车1号能够前后运动，以便能退出危险境地。

月球车上有一个布满太阳能电池的盖子，白天它敞开着，使太阳能电池接受强烈的太阳辐射，为蓄电池充电；夜晚，月面温度会骤然降低到-1500C，这时，月球车仪器舱盖子闭合，可以起到保持温度的作用，月球车则依靠放射性同位素燃料放热取暖。

仪器舱内装有无线电接收和发送设备、控制月球车的仪器、温度控制系统、科学探测仪器和计算机等设备。

图一苏联的月球车1号（Lunokhod 1）1971年7月31日，阿波罗15号宇航员戴维斯-R-斯科特和詹姆斯-B-欧文进行了人类首次月球车行驶，他们驾驶着电动四驱月球车(如图二)，在崎岖不平的月球表面上，越过陨石坑和砾石行驶了数公里。

斯科特和欧文成为在月球上漫步的第7和第8人，而且是第一个在月球上驾车行驶的。

从下图可以看见伞状高增益天线和天线下黄色的摄像机（航天员不在时，摄像机可由地第 2 页（共 6 页）面遥控工作），此后的两次阿波罗飞船登月中，航天员都使用这种月球车作为月面活动的运输工具。

图二美国的“阿波罗”月球车二、月球车的功能月球车无论是轮式的还是腿式的，都应具有前进、后退、转弯、爬坡、取物、采样和翻转（跌倒后能翻身）等基本功能，甚至具有初级人工智能（例如，识别、爬越或绕过障碍物等）。

这些都与现代机器人所具有的功能相似。

但是，月球车仅有这些功能是不够的。

它是一种在太空特殊环境下执行探测任务的机器人——太空机器人，既有机器人的属性，更具有航天器的特点，不同于地面使用的工业机器人、医学机器人和家用机器人。

“质量轻，体积小，耗功低”从来就是航天器设计的根本，追求“轻、小、低”是航天器研发的永恒主题。

航程越远，要求越高，对月球探测器的质量、体积和功耗要求就更轻、更小和更低。

根据中国运载火箭可望达到的能力，1台月球车需要由比它重300倍的运载火箭发射，这是发射同样质量地球卫星的运载火箭质量的4～6倍。

月球车是一个可移动的平台，它要携带若干有效载荷，如探测仪器或挖掘采样器等。

这些设备和装置必须小型化、轻型化。

月球车通常作为月球轨道器的有效载荷，轨道器又作为运载火箭的有效载荷安装在火箭顶端直径狭小的整流罩里。

月球车应制成可折叠式，以尽可能缩小发射体积。

月球车的电源来之不易，用太阳电池发电，其面积和质量与功耗大小成正比；若用一次性电池，质量与使用时间成正比，为了减轻质量，也必须降低功耗。

因此，月球车的设计必须充分采用微电子器件、微型机械和轻型材料，在开发应用微机电系统（mems）上应有所突破。

在正式接受任务时，月球探测工程总体会提出月球车的质量、尺寸和功耗的指标要求。

月球车应按规定技术指标研制。

就目前了解到的情况看，已经做出来的月球车样机的质量比设想中的指标超出好多倍，甚至高出一个数量级。

月球车必须适应航天特殊环境，包括力学环境和空间环境。

力学环境指月球车在发射上升过程中运载火箭产生的冲击、振动、过载和噪声；在月面降落过程中制动火箭产生的冲击、第 3 页（共 6 页）过载和可能用气囊缓冲着陆产生的多次弹跳、翻滚。

月球车必须经得起这些“摔、打、滚、爬”等。

三、月球车的技术要点（1）抗辐射对月球车上使用的电子部件，特别是对辐射尤为敏感的高集成度微电子器件，应采取相应的抗辐射加固措施。

月球的自转引起月面的昼夜变化。

月球上一天的时间，大约相当于地球上的27天略多。

因此，月球昼夜间隔大约相当于地球上的14天。

也就是说，登上月球以后的月球车，最多可以连续工作14天，进入月夜以后，它由于无法通过光能发电，进入休眠状态。

14天后，又能自动醒来。

（2）防冷焊月球车上的机构及其他活动部件，例如月球车从发射时的折叠状态展开成型，车轮及其驱动、转向机构，天线的展开及指向机构、采掘机械臂等，在高真空条件下收藏、压紧100多小时后，应保证不会“焊住”或卡死，能顺利展开和活动。

月球车是个智能机器人，需要具备独立处理各种环境的能力。

由于距离太远，无法通过遥控的方法处理反馈信息。

月球车需要配置若干个传感器，在得知周围环境、自身姿态、位置等信息后，通过地面或车内装置，形成三维地形图。

进而编辑方向，勾画出到达目标点的路径，并导航控制月球车走到目的地。

（3）对极端温度的防护月球表面白昼时温度高达150℃，黑夜时低至－180℃，温差超过300℃，尤其是在进行沙漠实验月面上的昼、夜分别长达约350h。

这种严酷条件是过去环地运行航天器所未曾遇到过的，如何保证月球车在长时间极端温度条件下正常工作，是月球车也是月球探测工程需要解决的关键技术。

在月球的一个自转周期内，温度相差可以达到310℃。

月面上如此急剧变化的温度环境会使橡胶迅速老化，因此月球车轮胎要使用特殊材料，克服温差。

（4）适应低重力月球表面重力只有地球表面重力的1/6。

某些在地面上能正常完成的机械运动，特别是依靠机构自身重力完成的动作，在低重力的月球表面是否仍能正常动作，也还是待解之谜。

月球重力是地球的1/6，那便意味着，质量为50千克的东西，在地球上所受重力约500牛。

到了月球表面则变成约80牛。

因此，月球表面的土壤非常松软，月球车的行进效率会降低。

（5）路况月球表面崎岖不平的路面，有石块、有陨石坑，还有坡。

在这种情况下，设计的轮子便需要克服重重障碍，既不能打滑，也不能翻车，必须做到前进、后退、转弯、爬坡，样样在行。

四、月球车的几种不同型号1、月球车，“中华”造2013年，由中国自行设计研制的“中华牌”月球车（如图三）将乘坐“嫦娥三号”探月卫星奔向月球。

从“嫦娥三号”卫星着陆器中走出的月球车，将是我国自行研制的具有最高智能的机器人。

“中华牌”月球车是一辆重120公斤，可载重20公斤的六轮月球车，寿命为3个月，可在月球上3公里范围内连续行走10公里，它可以实现自我导航、避障、选择路线、选择探测地点、选择探测仪器等功能。

该月球车上有两个太阳仪，其中一个可自由旋转，随时寻找太阳位置，吸收热量发电；另外一个则是可以当作盖子，盖在车身上减少热量散发。

在月球车上面还安装了一台雷达，可以边走边探测月球内部的结构变化，此外着陆器上搭载了七套设备，包括一套天文望远镜。

第 4 页（共 6 页）图三“中华牌”月球车2、哈工大的8轮月球车哈尔滨工业大学研制的8轮差动扭杆弹簧式月球车样机（如图四），为探月工程提供了具有自主知识产权的“中国造”月球车可选移动系统车型。

这个月球车通过了模拟月球地形环境试验，在功能上具备探月工程所需的月球车基本功能和基本组成部分。