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玉兔二号为何走得慢?

(2019-03-09 07:32:51)
标签:

星球探测

能量来源

发射成本

工作定位

ppl

分类: 他山之石

玉兔二号为何走得慢?“玉兔二号”

 今年13日,“玉兔二号”月球车完成与嫦娥四号着陆器的分离,驶抵月球表面,首次实现月球背面着陆,成为中国航天事业发展的又一座里程碑。

 如果你比较留意“玉兔二号”的工作情况,就会发现它运行的速度非常慢,从13日着陆月球表面到现在,才走了不到200米的路程。为什么会这样呢?

 “玉兔二号”走得慢,是因为几个方面的因素决定的:

 第一,它的功能

 “玉兔二号”的官名叫做“月表巡视器”,其上载有全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪和中性原子探测仪等,能在不同区域进行一系列科研任务。换句话说,它最为重要的使命是进行科学研究,而不是赛车比赛。移动只是为了辅助各种仪器进行测量,不是“玉兔二号”的主要职责。

 第二,它的能源

 “玉兔二号”行进是需要能源的,这些能量就来自太阳能。它自身携带的太阳能电池板在吸收了太阳的能量后,将其转化为电能,供“玉兔二号”以及它所携带的各种仪器正常工作。

 太阳能电池板不可能设计的过于庞大,因此单位时间内所转化的电能是有限的,这些电能主要要保障各种测量仪器正常工作,所以留给“玉兔二号”移动的能源是有限的,这就决定了它不可能跑的很快。“玉兔二号”的设计的运动速度是200/小时,它现在用了两个月的时间也没有行走到200米的距离,与其能量的分配是有关系的。

 月球车里当然有跑的快的,比如阿波罗登月中,月球车就能载着宇航员在月球上纵横驰骋。执行阿波罗17号任务时,尤金·塞尔南就开着月球车跑出了17千米/小时(4.7/秒)的时速,创造出了人类在外星球最快驾驶速度的记录,塞尔南也因而成为月球“老司机”。不过不要忘记了,这个月球车只是一次性的交通工具,所需的能量来源是从地球上带上去的银锌氢氧化钾不可充电电池,用完即报废,连整个月球车都留在了月球上。

 第三,它的工作方式

 月球不像地球有大气层,所以太阳光都是直接照射在表面上。而月球的背面通常要经过长达半个月的暴晒之后就转入了“寒冬”,这一冷一热的切换让温差高达400多摄氏度。就算探测器是没有生命的机器,但它们也承受不了如此严峻的考验。根据设计指标,其合理工作舱温的最高温度为55摄氏度,为了保护“玉兔二号”,科学家们在设计时就对“玉兔二号”的休眠进行了充分的考虑,温度太低的时候要休眠,温度过高的情况下也要休眠,所以一个月的时间里,真正工作的时间是有限的。

 月球车即使在行进的过程中,也不是一直不停的往前走的,而是走一走,停一停,对面前的境况做出判断后再决定下一步的行动。美国发射的火星探测器,也有类似的自我防护系统,每开10秒就停下来20秒检查地形、避免风险。所以实际上火星车开的效果是:花了10秒钟,往前爬了大概一个人类手掌的长度,然后停下来喘息20秒钟,再继续努力往前爬。如果有了新的发现,要启动所携带的一起进行观察,那停下来的时间就更长了。

 在由“嫦娥四号”所摄,经鹊桥中继星传回的影像里,有一张“玉兔二号”的行走路线图,还细致地标明了走在每一个点的时间,从这些图中,我们能清晰地看到“嫦娥四号”着陆在许多小环形坑中间,相当惊险,正前方就有着一个直径约20米、深度约4米的环形坑。正是崎岖不平的地形和大大小小的撞击坑,为“玉兔二号”的路线规划带来了很大困难。

 月球车的设计速度相当于5.6厘米/秒,只比蚂蚁爬行速度稍快一些。这样的设计速度其实与美国发射的“勇气”号和“机遇”号火星探测器的设计速度是大体相当的。两辆火星车的运动速度也是以厘米/秒来计算,它们俩的“飙车”极限速度仅有5厘米/秒,而平均运动速度仅有1厘米/秒。

 第四,经济权衡

 有人曾经做过这样的比较:派一个地质学家到月球上进行一个星期的地质考察,就相当于月球探测器工作四年的成效。相比较下来,星球探测器似乎实在太慢了。但为什么科学家们还是热衷于发射各类探测器到各个星球上去呢?

 首先是发射安全问题。载人航天不仅难度系数更高、发射成本更大,对人身安全的关注也是前所未有。到月球的载人技术已经有所突破,但到其他星球在技术上还存在很多障碍。并且星际探索是一个综合项目,派一个科学家上去肯定无法完成相应的任务,多舱位、长距离的飞船设计,技术难度太大。

 其次是发射成本问题。发射航天器的时候,多加载一公斤的物品,就会给发射过程带来更多的困难和压力,成本也会大大提升。如果从地面上带去各种能源,供星球探测车使用,自然能提高工作效能,但发射成本会增加很多,不够经济。

 再次是工作时长问题。虽然像“玉兔二号”之类的探测器运行的速度慢,工作效率不够高,但它们有一个很重要的特点,就是持续探索的时间长。比如说200413日降落到火星上的勇气号探测器,前后工作了将近16年,这是科学家所无法做到的。宇宙的形成是一个漫长的过程,我们多花一点时间,就可以用很小的代价获得对宇宙演变历史更多的了解,还是很值得的。

 换句话说,在行星探索活动中,研究对象的变化速度都非常慢。对于岩石而言,由人类在两周内完成勘查任务(成本为1 000亿美元),还是由机器人耗时10年完成这项任务(成本为10亿美元),两者之间并没有多大的差别。





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