中國首輛月球車“玉兔號”在月球背面又發(fā)現(xiàn)了啥？

迄今為止，許多載人和未載人航天任務(wù)都曾對月球近側(cè)半球進行了勘察，但對月球遠端仍然知之甚少，月球遠側(cè)，也就是通俗理解中的月之背面，總是充滿神秘色彩。

探測月球遠側(cè)具有更大挑戰(zhàn)性，因為在惡劣的地外環(huán)境和更遠的通信距離下，需要月球漫游車進行有效的局部運動，以探索具有科學(xué)意義的月球地質(zhì)特征。

2019 年 1 月 3 日，中國探月工程的嫦娥四號著陸器、“玉兔二號”月球車，成功在月球背面的南極-艾特肯盆地馮·卡門撞擊坑軟著陸，一舉創(chuàng)下了多個“第一”“首次”。比如：這是世界首次實現(xiàn)月球背面軟著陸和巡視勘察，同時也是首次在月球的高緯度極地區(qū)域著陸，也是首次月背與地球的中繼通信，在 2019 年 12 月，玉兔二號也成為在月面工作時間最長的月球車。

“玉兔二號”月球車所探測的區(qū)域，是太陽系中已知最大的撞擊坑之一，被公認(rèn)為是月球上最大、最古老和最深的撞擊盆地，約形成于 45.5-39.2 億年前，科研價值巨大，而生存能力超強的“玉兔二號”也不辱使命，傳回了關(guān)于月球遠側(cè)風(fēng)化層、隕石坑和巖石的十分豐富的信息。

1 月 20 日，發(fā)表在權(quán)威科學(xué)期刊 Science Robotics 上的最新封面文章對“玉兔二號”月球車探測到的相關(guān)信息進行了分析報告，暗示了月球遠側(cè)和近側(cè)表面地質(zhì)的顯著差異，這些經(jīng)驗可能將大大提高對月球遠側(cè)的理解，也對月球車的改進提出參考建議。

論文的主要研究人員來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人與系統(tǒng)國家重點實驗室、北京航天控制中心、航空航天飛行動力學(xué)科學(xué)技術(shù)重點實驗室、中國科學(xué)院航空航天信息研究所遙感科學(xué)國家重點實驗室等。

新的探月篇章

在過去的幾十年里，利用軌道飛行器或漫游者探測器進行的行星探索一直在超越科學(xué)和技術(shù)的邊界，月球作為離地球最近的天體，具有潛在的可開發(fā)化學(xué)和礦物學(xué)資源，成為人類太空探測任務(wù)最重要的目的地之一。

美國阿波羅登月計劃曾將月球探測工作推向第一波高潮，自此之后先后有 20 個成功的登月者和探測器在月球的近端著陸。而玉兔二號的月球遠端探測，無疑又拉開了一個新的探月序幕。

“玉兔二號”是迄今為止最輕的月球車（135 千克），本身是一種六輪高性能越野機器人，在轉(zhuǎn)彎輪上配有四個轉(zhuǎn)向馬達，最大速度能力為 200米/小時，它可以爬上 20° 的斜坡，跨越高達 20厘米的障礙物，搭載了 4 個科學(xué)有效載荷以獲取高分辨率圖像和高精度數(shù)據(jù)，包括全景相機（Pancam）、可見和近紅外圖像光譜儀（VNIS）、探月雷達（LPR）和先進的小型中性粒子分析儀（ASAN）。

高可靠性的移動系統(tǒng)使玉兔二號能夠在設(shè)計的 3 個月壽命之外生存，在頭 2 年結(jié)束時其探測距離擴大到了 600.55 米，獲得了更豐富的科學(xué)見解，而截至目前，玉兔二號月球車已經(jīng)行駛超過 1000 米。

在最初的兩年探索中，大約 16.46 千兆字節(jié)的科學(xué)數(shù)據(jù)被返回傳輸和分析，從而填補了月球背面地質(zhì)知識的空白，加深了人們對月球形成和演化的理解。

研究人員展示了“玉兔二號”月球車收集的機車數(shù)據(jù)和圖像，這些數(shù)據(jù)和圖像重點揭示了月球背面的獨特特征，還介紹了車輪滑動和下沉的結(jié)果，以及使用車輪-地形相互作用模型對月球表土特性的分析。

通過對玉兔二號在隕石坑、巖石和地層中進行的科學(xué)研究進行全面回顧，更強大的探測車、科學(xué)有效載荷和復(fù)雜輪-地相互作用機制的理論難題被揭示出來，可能是未來開發(fā)月球探測機器人所必需了解的。

月球最大撞擊坑里的情況

玉兔二號的行動主要由地面遙操作生成的上傳命令來控制，當(dāng)然，它也可以在相對平坦的地形上以自主模式工作，使用其激光探測或避險攝像頭（Hazcam）規(guī)劃可穿越的路線。

月球表土的物理性質(zhì)強烈影響著玉兔二號的橫向軌跡、車輪滑動和下沉，進而可用于推斷切向和法向的地形特性。數(shù)據(jù)顯示，玉兔二號經(jīng)歷了相對較小的車輪打滑和打滑，滑移率范圍為 ?0.15 至 0.15，在沒有精確航路點視覺定位的情況下，還艱難地探索了一些局部隕石坑。

玉兔二號留下的車輪痕跡提供了復(fù)雜移動期間所經(jīng)歷的車輪滑移率的線索，通過提取痕跡單元，使用滑移率估計模型，能對基于清晰完整痕跡的細(xì)?；坡蔬M行估計。

而基于此，對比嫦娥三號任務(wù)期間所獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，又能推斷出更多月壤物理性質(zhì)。

研究人員對比分析，在嫦娥三號任務(wù)期間，玉兔號輪上的粘性細(xì)顆粒很可能是由于靜電粘附造成的，但在嫦娥四號任務(wù)期間，玉兔二號輪上的大塊月壤是不尋常的，車輪表面有 46% 以上被覆蓋，這遠大于當(dāng)時玉兔號車輪上的覆蓋率（約 2%）。

因此，可以合理假設(shè)，在嫦娥四號著陸場，土壤的更大粘性是區(qū)域性的，而不是局部性的，且該區(qū)域月面風(fēng)化層內(nèi)聚力的增加可能是由于月面風(fēng)化層中凝集物的百分比較高。

盡管玉兔二號沒有配備特定的土壤參數(shù)識別儀器，但可根據(jù)車輪—地形相互作用識別土壤的一些參數(shù)，關(guān)于月球表土特性，可根據(jù)車輪下沉量推斷著陸場周圍表土的正常承載特性。

根據(jù)牽引輪的地形力學(xué)模型和車輪-地形相互作用參數(shù)，研究人員預(yù)測了反映不同下沉條件下表土承載特性參數(shù)的曲線，基于此分析得出，玉兔二號著陸點的表土比阿波羅任務(wù)中典型的月球土壤還要堅硬，月球背面登陸點的表土承載特性類似于地球上的干砂和砂壤土。
意想不到的物質(zhì)發(fā)現(xiàn)

玉兔二號在月球背面對月球巖石、土壤、撞擊坑和從月球表面發(fā)射的高能中性原子進行了原位研究，任務(wù)的大部分主要科學(xué)目標(biāo)已經(jīng)完成，包括：

（1）月球表面的低頻天文研究；
（2）月球背面流動區(qū)域的淺層結(jié)構(gòu)調(diào)查；
（3）月球背面流動區(qū)域的地形和礦物成分調(diào)查。

這些結(jié)果為后續(xù)的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

在為期 2 年的冒險活動期間，玉兔二號還在一個 2 米深的隕石坑邊緣發(fā)現(xiàn)了一種意想不到的高反射率凝膠狀物質(zhì)。經(jīng)過兩次艱苦的接近嘗試后，觀察到了深綠色、閃閃發(fā)光的物質(zhì)，顯示出其與周圍表土塊不同的形狀、顏色和紋理。該材料的外觀類似于阿波羅 15 號和 17 號任務(wù)中獲得的月球樣本 15466 和 70019，表明它可能是一種沖擊熔融角礫巖或玻璃涂層的粘結(jié)風(fēng)化角礫巖，或許是由沖擊產(chǎn)生的焊接、膠結(jié)和粘結(jié)月球風(fēng)化巖和角礫巖形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

但是，由于靠近可能發(fā)生的機動故障，玉兔二號放棄了進一步勘探，因為沿著陡峭的火山口壁向下行駛，可能會因為車輪打滑而失控，即使能成功進入隕石坑，離開隕石坑也非常困難，在車輪嚴(yán)重打滑的情況下進行攀爬，很容易導(dǎo)致車輪嚴(yán)重下陷，導(dǎo)致徹底無法行走，尤其是在柔軟且可變形的月球表面上行進時。

針對這個問題，研究人員表示未來核心工作之一，是在車輪-地面相互作用過程中，對具有復(fù)雜特性（如凝固或流態(tài)化）基底的運動基本原理進行建模，這依賴于“機器人物理學(xué)”的進一步研究和系統(tǒng)測試?；趧討B(tài)顆粒入侵模型的新理論和基于機器人物理分析開發(fā)的月球漫游者及非常規(guī)步態(tài)策略有望解決這些難題。

從周邊環(huán)境來看，月兔二號著陸點沒有表面巨石，但隕石坑很多，在 50 米行進范圍內(nèi)可以定量地觀測到 88 個撞擊坑，直徑從 4.68 米到 61.83 米不等，其中，約 60% 以上的隕石坑直徑小于 10 米，直徑大于 20 米的隕石坑十分罕見。從更詳細(xì)的全景立體圖像中，可以測量到距離月球車 10 米范圍內(nèi)的 20 個隕石坑，深度均小于 0.6 米。

這些隕石坑具有廣泛的形態(tài)，主要可分為三類：第一類是嚴(yán)重退化的隕石坑，還有兩類是均勻分布或一側(cè)傾斜分布。高分辨率觀測表明，一些時間比較近的隕石坑幾乎全部朝向西北方向，因此，推斷它們來自同一組影響事件。在嫦娥四號任務(wù)中，幾乎沒有觀察到被風(fēng)化層掩埋的相對較大的巖石，但隨處可見一些小型巖石。

玉兔二號測量到的一種尺寸超過 20 厘米的獨特巖石被稱為橄欖石蘇長巖，分析其光譜圖（礦物成分與風(fēng)化層相似）及其細(xì)到中等粒度的紋理，可能是相對較快的結(jié)晶作用的結(jié)果，或起源于撞擊熔融池。

玉兔二號著陸場的地下結(jié)構(gòu)主要由低損耗、高孔隙、粒狀材料組成，并帶有各種大小的嵌巖，根據(jù)淺層表土和深層地質(zhì)層中的雙通道 LPR 數(shù)據(jù)揭示，研究人員分析得出在月球 328 米深處至少可以檢測到 5 個地層，其中 38 米至 52 米之間可能存在均勻的基底層，隨后是來自不同月球地質(zhì)時期的更多基底層。

在未來的探月任務(wù)中，通過大深度鉆孔和接觸測量進行的現(xiàn)場取樣有望加速月球外部環(huán)境中地層學(xué)研究的進展。

下一代玉兔月球車值得期待

研究人員表示，從玉兔二號反饋回來的數(shù)據(jù)來看，明確揭示了月球近側(cè)和遠側(cè)土壤性質(zhì)的差異，這補充了人類對月球的理解。

盡管通過玉兔二號的探索可以對有趣的土壤粘聚力現(xiàn)象進行區(qū)域性分析，但仍需對月球表土的化學(xué)成分和物理性質(zhì)進行深入研究，以便進行進一步分析，充分利用月球車的能力，預(yù)計將有更多重要發(fā)現(xiàn)。

深入了解月球遠側(cè)表面特性的意義重大，未來的月球探測器需要更強大的運動能力、更高的智能和先進的科學(xué)有效載荷。例如，腿機器人、混合輪腿機器人或栓系漫游車可以考慮用于未來的月球隕石坑或洞穴探測。

此外，為了應(yīng)對環(huán)境的未知性質(zhì)，有必要開發(fā)更先進的物理智能（理解場景，超越純粹的幾何認(rèn)知），讓月球車有效地選擇和瞄準(zhǔn)感興趣的目標(biāo)，在自主范式中進行一些探索，并增強自主情境實驗?zāi)芰?，通過更積極的探測策略進行保障性或穩(wěn)定性探索評估。

在科學(xué)有效載荷方面，現(xiàn)場采樣和化學(xué)、物理和生物分析的各種有效載荷可與強大的執(zhí)行器和先進數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)一起使用，以突破內(nèi)容、深度和效率限制，滿足日益增長的綜合調(diào)查要求。

研究人員展望，多學(xué)科知識有望結(jié)合起來，對月球車進行全面改進，以便在未來的自主探索中發(fā)現(xiàn)對月球的全新見解。

參考文獻：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj6660

撰文：庫珀

編審：寇建超
排版：李雪薇

來源：學(xué)術(shù)頭條