月球车玉兔(月球车模型制作)

来源@视觉中国

文|学术头条|作者|库珀|编辑|寇建超

到目前为止，许多载人和无人太空任务已经勘测了月球的近半球，但对月球的远侧知之甚少，远侧总是充满神秘。

对月球远侧的探索更具挑战性，因为在恶劣的地外环境和更长的通信距离下，月球车需要进行有效的局部运动，以探索具有科学意义的月球地质特征。

2019年1月3日，我国探月工程的月球着陆器嫦娥四号和月球车玉兔二号在月球背面南极-艾特肯盆地的冯卡门撞击坑成功着陆，一举创下多项“第一”和“第一”。比如这是世界上第一次月球背面软着陆和巡视勘察。也是第一次在月球高纬度极地着陆，也是第一次月球背面与地球的中继通信。2019年12月，玉兔二号成为在月球表面工作时间最长的月球车。

图|月背地形图，红色代表高区，蓝色代表低区，紫色圆圈和灰色圆圈分别覆盖盆地内外壁(来源:维基百科)

“玉兔-2”月球车探索的区域是太阳系已知最大的撞击坑之一，是公认的月球上最大、最古老、最深的撞击盆地。约形成于45.5-39.2亿年前，具有很大的科研价值。具有超强生存能力的“玉兔二号”也完成了使命，发回了月球远风化层、环形山、岩石等丰富信息。

1月20日，发表在权威科学期刊《科学机器人》(Science Robotics)上的最新封面文章对“玉兔二号”月球车探测到的相关信息做了分析报告，提出了月球远侧和近侧表面地质的显著差异。这些经验可能会大大提高对月球远侧的认识，也为月球车的改进提供参考建议。

本文的主要研究人员来自机器人与系统国家重点实验室、哈尔滨工业大学、北京航天控制中心、航天飞行动力学科学与技术重点实验室、中国科学院航天信息研究所、遥感科学重点实验室等。

新的探月篇章

在过去的几十年里，使用轨道飞行器或漫游探测器进行的行星探索已经超越了科学和技术的界限。月球作为离地球最近的天体，拥有潜在的可开发化学和矿物资源，已经成为人类太空探索任务最重要的目的地之一。

美国的阿波罗计划将探月推向了第一个高潮。从那以后，20个成功的月球着陆器和探测器在月球的近端着陆。而玉兔二号的远端探月，无疑拉开了探月新的序幕。

图|着陆器和玉兔二号月球车(来源:科学机器人)

玉兔二号是迄今为止最轻的月球车(135公斤)。它是一个六轮高性能越野机器人，在转向轮上装有四个转向电机，最大速度为200米/小时。它ASAN爬上20°的斜坡，跨越最大20厘米的障碍，携带四个科学有效载荷，以获取高分辨率图像和高精度数据，包括全景相机和Pancam。

高可靠性的移动系统使玉兔-2能够在超过3个月的设计寿命后继续存在。在前2年结束时，它的探测距离已扩大到600.55米，并获得了更多的科学见解。截至目前，玉兔二号月球车已经行驶了1000多米。

在最初的两年探索中，传回了约16.46千兆字节的科学数据进行传输和分析，从而填补了月球背面地质知识的空空白，加深了人们对月球形成和演化的认识。

研究人员展示了“玉兔-2”月球车收集的机车数据和图像。这些数据和图像突出了月球背面的独特特征，还介绍了车轮滑动和下沉的结果，以及使用车轮-地形相互作用模型对月球表土特征的分析。

通过对玉兔二号在陨石坑、岩石和地层中的科学研究的全面回顾，揭示了更强大的探测车、科学有效载荷和复杂的轮地相互作用机制等理论问题，这可能是未来开发月球探测机器人所必需的。

月球最大撞击坑里的情况

玉兔-2的动作主要由地面遥操作产生的上传命令控制。当然，它也可以在相对平坦的地形上以自主模式工作，使用其激光探测或危险规避相机(Hazcam)来规划可通过的路线。

月球表层土壤的物理特性强烈影响玉兔二号的横向轨迹、车轮滑动和下沉，可用于推断切向和法向地形特征。数据显示，玉兔二号经历了相对较小的车轮打滑和滑移，滑移率在0.15到0.15之间。没有准确的路点视觉定位，它也很难探索一些当地的陨石坑。

图|玉兔二号的路径及其在月球背面的滑动(图片来源:科学机器人)

玉兔二号留下的轮迹提供了复杂运动时车轮滑移率的线索。通过提取轨迹单元，利用滑移率估算模型，可以估算出基于清晰完整轨迹的细颗粒滑移率。

基于此，通过对比嫦娥三号任务期间获得的相关数据，可以推断出更多的月壤物理性质。

图|与第一代玉兔(B)相比，玉兔-2 (A)的车轮土壤粘度不同(图片来源:科学机器人)

根据研究人员的对比分析，嫦娥三号任务期间，玉兔轮上粘粘的细小颗粒很可能是静电粘附造成的，但嫦娥四号任务期间，玉兔二号轮上的大块月壤却不同寻常，覆盖了超过46%的轮面，远大于当时玉兔轮的覆盖率(约2%)。

因此，可以合理地假设，在嫦娥四号着陆场区，土壤的粘性较大是区域性的，而不是局部性的，该区域月面风化层粘聚力的增加可能是由于月面风化层中团聚体的百分比较高。

玉兔二号虽然没有配备特定的土壤参数识别仪器，但是可以根据车轮与地形的相互作用来识别一些土壤参数。关于月球表层土的特性，可以根据车轮下沉推断着陆点周围表层土的正常承载特性。

根据牵引轮的地形力学模型和轮地相互作用参数，研究人员预测了不同下沉条件下反映地表土壤承载特性的曲线。基于这一分析，可以得出结论，玉兔二号着陆场的表层土壤比阿波罗任务中典型的月球土壤更坚硬，月球背面着陆场的表层土壤承载特性与地球上的干沙和沙壤土相似。

图|土壤参数识别(来源:科学机器人)

意想不到的物质发现

玉兔二号在月球背面对月球岩石、土壤、撞击坑和月球表面发射的高能中性原子进行了原位研究。这次飞行任务的大多数主要科学目标已经完成，包括:

(1)对月球表面的低频天文学研究；

(2)月球背面流动区的浅层结构调查；

(3)月球背面流动区的地形和矿物成分调查。

这些结果为进一步研究奠定了基础。

在为期2年的探险中，玉兔二号还在一个2米深的陨石坑边缘发现了一种意想不到的高反射率凝胶状物质。经过两次艰难的接近，观察到一种深绿色的闪亮物质，显示出其与周围表层土壤不同的形状、颜色和质地。这种物质的外观与阿波罗15号和17号任务中获得的月球样品15466和70019相似，表明它可能是一种撞击熔融角砾岩或玻璃包裹的粘结风化角砾岩，也可能是月球风化岩石与撞击产生的角砾岩焊接、胶结和粘结而成的复杂结构。

图|玉兔二号在穿越路线上遇到的陨石坑(图片来源:科学机器人)

然而，由于接近可能的马达故障，玉兔-2放弃了进一步的探索，因为沿着陡峭的陨石坑壁行驶可能会因车轮打滑而失控。即使能成功进入火山口，也很难离开火山口。在车轮严重打滑的情况下攀爬，很容易导致车轮严重沉陷，导致完全无法行走，尤其是在松软易变形的月球表面行驶时。

为了解决这一问题，研究人员表示，未来的核心任务之一是对轮子与地面相互作用过程中具有复杂特性(如凝固或流化)的基质的运动基本原理进行建模，这有赖于“机器人物理”的进一步研究和系统测试。基于动态粒子入侵模型的新理论以及基于机器人物理分析的月球车策略和非常规步态有望解决这些问题。

从周围环境来看，月兔二号着陆点没有地表巨石，但是有很多陨石坑。在50米的行进范围内，可以定量观测到88个直径从4.68米到61.83米的陨石坑，其中直径小于10米的占60%以上，直径大于20米的非常罕见。从更详细的全景立体图像上可以测出月球车10米范围内的20个陨石坑，深度都在0.6米以下。

这些陨石坑的形状范围很广，可分为三类:第一类是严重退化的陨石坑，另外两类是均匀分布或斜向分布在一侧的陨石坑。高分辨率观测显示，一些相对较近的陨石坑几乎都面向西北，因此推断它们来自同一组影响事件。在嫦娥四号任务中，几乎没有观测到被风化层掩埋的比较大的岩石，但随处可见一些小岩石。

图|玉兔二号在穿越路线上遇到的岩石(图片来源:科学机器人)

玉兔二号测得的一块大小超过20厘米的独特岩石被称为橄榄石suzonite。其光谱图(矿物成分与风化层相似)和细至中粒结构分析可能是较快结晶的结果，或源于冲击熔池。

玉二号着陆场地下结构主要由低损耗、高孔隙度的颗粒材料组成，嵌岩大小不一。根据浅层表土和深层地质层中的双通道LPR数据，研究人员分析，在月球328米的深度至少可以探测到5个地层，其中38米至52米之间可能有一个统一的基底层，随后是更多来自不同月球地质时期的基底层。

在未来的探月任务中，通过深钻和接触测量进行野外采样，有望加快月球外部环境的地层学研究进展。

图|玉兔二号月球车离开嫦娥四号着陆器。

下一代玉兔月球车值得期待

研究人员表示，玉兔二号反馈回来的数据清楚地揭示了月球近侧和远侧土壤性质的差异，补充了人类对月球的了解。

虽然可以通过玉兔2号的探测对土壤粘聚这一有趣的现象进行区域性分析，但仍需要对月球表层土壤的化学成分和物理性质进行深入研究，以便进行进一步分析并充分利用月球车的能力。预计将会有更多的重大发现。

了解月球远表面的特征具有重要意义。未来的月球探测器需要更强大的运动能力、更高的智能和先进的科学载荷。例如，腿机器人、混合轮腿机器人或绳系漫游车可以考虑用于未来的月球陨石坑或洞穴探索。

此外，为了应对未知性质的环境，需要开发更高级的物理智能(理解场景，超越纯几何认知)，使月球车能够有效地选择和瞄准感兴趣的目标，在自主范式上进行一些探索，并增强自主情景实验的能力，通过更主动的探测策略进行保障性或稳定性的探索和评估。

在科学有效载荷方面，野外采样和化学、物理、生物分析的各种有效载荷可以与强大的执行器和先进的数据处理子系统配合使用，突破内容、深度和效率的限制，满足日益增长的综合调查要求。

研究人员期望结合多学科知识对月球车进行全面改进，从而在未来的自主探索中发现关于月球的新见解。

参考资料:https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj6660