2023年度“科普中国青年之星创作大赛”获奖作品

作者：高俊文

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。