在传统燃油车时代,要提升动力就需要增加发动机排量,通常排量越大车价也越高,当然……也很费油。而如今电动汽车发展迅猛,由于电动车在能量转化方面具有先天优势,提升动力也变得十分简单,只需搭载一台大功率电机,即可带来强劲动力……相对来说,电费也比较便宜。在地外38万公里处,有一辆配备全景相机、红外成像光谱仪、中性原子探测仪等仪器的国产电动车,但它的马力不足1匹,设计速度只有0.2千米/时,这速度甚至比蚂蚁还慢(蚂蚁爬行速度一般在0.5千米/时),究竟是什么车?它就是行驶在月球背面的电动车——“玉兔二号”月球车。
--什么是月球车?有什么作用?--
月球车,学名叫月面巡视探测器。2019年1月3日,嫦娥四号载着“玉兔二号”成功在月球背面着陆,成为世界上第一辆在月球背面运行的月球车。月球作为一个陪伴了地球无数个日夜的卫星,是人类走向宇宙深空的第一步,也是各个航天大国展现实力的竞技场。截至2023年9月,月球上一共有8辆月球车,其中前苏联2辆,美国3辆,中国2辆,印度1辆。
月球车其实就是一辆行驶在月面上的“电动车”,因为其能源和动力几乎完全都来源于太阳能发电。这些“电动车”功能不同、用途不同,因此各方面设计也不一样。比如,我国的“玉兔二号”像是一个智能“机器人”,在月面上能够“边走边看”,勤勤恳恳完成考察任务;而美国的月球车更像是一辆月面“代步车”,宇航员能够驾驶它快速移动,让活动范围更广。
--从电动车“三电”看月球车--
与传统燃油车相比,电动(纯电)汽车的结构主要增加了电驱控制系统,取消了发动机,电池输出电能通过控制器驱动电机旋转,由传动系统驱动前进或后退。如果我们要比较电动汽车的性能,“三电”参数肯定是必看的,即电机、电池、电控。
- “三电”之电机:动力
电动汽车的驱动电机通常有单电机、双电机、四电机等,理论上电机数量越多性能越强。迄今为止,所有在月球上的月球车都是电机驱动,这么多年来,电机的技术已经比较成熟,肯定有人会问,那为什么“玉兔二号”运行了4年多,才行驶了1455米,折算下来每天的行驶里程还不足1米?难道是我们的电机不行?当然不是。
“玉兔二号”月球车采用6轮6电机,钛合金编织的筛网车轮配上棘爪后,具有一定的“越野”能力,另外加上4个转向电机,能够实现原地转弯,从容应对月球表面复杂的地形。为克服月面日夜300多度的温差,电机均采用无缝设计,保证在大温差下的可靠性,也可以有效防止月尘进入电机内部。至于行驶速度“慢”,主要原因有以下几点:
任务性质决定时速
“玉兔二号”到月球上不是为了竞速,具体行驶速度是由它执行的任务所决定的。值得一提的是,它是首次在月球背面工作,这是人类从未涉足的领域,每走一步之前都得探测得清清楚楚。另外在行驶中,还要注意各种陨石坑,松软的月壤下可能还有隐藏的石块,也不能太快。从使用性质来看,美国的载人月球车确实是移动代步工具,比如阿波罗17号月球车的最高设计速度为每小时12公里,宇航员曾经一度“超速”驾驶,被开到了每小时18公里的速度。
整车的能耗分配
除了车辆的驱动电机外,“玉兔二号”还背负的大量仪器设备。当电源(电池)功率一定时,其他负载是否工作会影响电机的功率,从而影响汽车的行驶速度,就像我们夏天驾车时打开车内空调,压缩机的介入会分走发动机的一部分动力,一定程度上会影响整车动力。另外,为了月表检测任务的准确性,设备工作时月球车会走走停停,也会影响整体的移动速度。
月球的环境因素
除此之外,移动速度还和月球表面的环境特性有关。月球重力低(约地球的六分之一)、没有大气,“玉兔二号”重量为135千克,是历史上最轻的月球车,如果速度过快还有可能“飞”起来,而且月球表面的尘土很容易被轮子甩起来,可能会威胁整车设备的运行,所以速度不需要很快。
- “三电”之电池(能源)
当今民用电动车通常采用的是三元锂电池或磷酸铁锂电池,前者在相同体积下的能量密度大、充电效率高;而后者充电循环次数多、相对三元锂来说更耐高温。而“玉兔二号”配有两种电池,一种是日常运行时用的太阳能电池,另一种是在低温下起到保温作用的热型同位素电池,它们有着不同的功能,可以在日夜交替下相互转换,达到运行时需要的电能。
太阳能电池
“玉兔二号”的能源主要来自太阳能,白天时两块太阳能帆板会展开,并通过旋转电机来调整角度,像向日葵一样始终面向着太阳,太阳能电池为所有设备供电,月球车就可以开始工作。但当月夜来临(月球自转和公转都为27.32天,其中一半为白天),接收不到太阳能时,就需要收起太阳能帆板,做好设备低温保护,等待下个白天的到来,所以“玉兔”通常一干就是半个月,一歇也是半个月。
同位素电池
由于月球的巨大温差,月球车对电池有很大的要求,“玉兔二号”设计时就充分考虑了月夜的情况,并携带了一件黑科技——基于钚238的同位素温差电池,又被称为“核电池”。这种物质在其半衰期中会不断放射出带有热量的射线,通过热电转换器把同位素释放出的热能转变为电能,在月夜为探测器提供不低于2.5W的电能,支撑保暖设备的运行,维持内部的温度,防止低温造成损坏。
印度最新发射的“智慧号”月球车,虽然每天能够行驶8米左右,但设计寿命仅有14天,因为在设计之初,印度的研究人员就没准备让它在月球上过夜,舍弃很多设备以减少设计和运行难度。中国的“玉兔二号”在极端低温的环境下仍能保持工作,实际寿命已远超设计寿命,展现了卓越的抗寒能力和稳定性。
- “三电”之电控:控制
很多电动车在宣传时,经常会提到自动驾驶功能(现在比较多的是L2级),就是在特定的情况下车辆实现部分自动化(自动巡航、跟车、刹车等),操作基本由车辆完成,驾驶员负责外围监控,但需要随时接管车辆。实现这些功能需要大量的传感器,包括摄像头、雷达、传感器等,收集周围环境数据,通过车载电脑处理后控制车辆行驶。“玉兔二号”同样拥有很多的传感器和相机,在月面巡视时,可以采用地面遥控或自主导航两种模式。
地面遥控模式
顶部安装的导航相机相当于月球车的眼睛,可以对月球进行拍照成像,通过“鹊桥”中继卫星向地面传输信息,科研人员经过数据分析,判断出月面地形的具体情况,如撞击坑的宽窄、深浅,石块的大小、距离等信息,结合“玉兔二号”的“越野”能力(20度爬坡、20厘米越障),来规划出安全行驶的路径。
自主导航模式
“玉兔二号”还可以自主导航行驶,主要通过前端的激光探测和避障相机实现。前者是利用车体前端的激光点阵器,投射两排激光到月面,来判断前方地面的平坦程度;后者则利用避障相机的成像,分段识别路况的平整度,每0.5米进行一次重新规划,直至到达目标点。
--结语--
从“玉兔号”月球车抵达月球,到“玉兔二号”登陆月球背面,中国在月球探测中不断取得重大进展。截至2023年1月3日,“玉兔二号”行驶已达到1455米,为我们传回大量探测数据,填补了月球背面知识的空白,加深了对月球形成和演化的认识,它也早已成为月面工作时间最长的月球车。
相较于回望过去,我们更愿畅想未来。前段时间,中国载人航天工程公布了中国载人登月初步方案,计划2030年前实现登月开展科学探索,月球很可能是人类登上其他天体的一个中转站。相信在不远的未来,会有更多的中国航天器飞向更远的深空,去探索更多的未知,创造更多的中国奇迹。
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