过去和未来的行星车

原标题:过去和未来的行星车

最早的外星球探测,只是发射一些探测器,这些探测器发射出去之后,往往无法控制,于是,它们只能跟需要探测的星球擦身而过,与此同时拍几张照片发回地球。后来,探测器的行为受到控制,科学家可以让它们进入到需探测的星球的轨道,它们在围绕着星球飞行的过程中,居高临下对星球表面拍摄一些照片,这种方式获得的信息十分有限。为了进一步获得更有价值的信息,科学家发明了登陆星球装置,这个装置上安装了一系列探测火星的设备,底部有轮子,所以又叫行星车。这种星球探测车最早出现在月球探测中,所以又往往称之为月球车。

最早的月球车

1970年11月17日,航天史上的第一辆月球车搭载前苏联“月球”17号探测器登陆月球。这是一款无人驾驶型月球车,长2.2米,宽1.6米,重756公斤,由轮式底盘和仪器舱组成,用太阳能电池板和蓄电池联合供电, 这就是“月球车一号”。它有八个轮子,直径是51厘米,通过电动机驱动和使用电磁继电器制动。仪器舱内除了安置遥测系统和电视摄像系统以外。还装有一枚同位素热源,这样可以使之保持温度。“月球车1号”总共行驶了10540米,考察了8万平方米范围的月面,拍摄照片超过2万张,在行车线的500个点上对月壤进行了物理力学特性分析,并对25个点的月壤进行了化学分析。此外,它还收集了大量月面辐射数据。

它的寿命达到了十个月,直到它所携带的核能耗尽为止。这比原计划的90天长了许多。“月球车1号”的成功,让美国人深受鼓舞,于是,在他们的月球探测中,也出现了月球车。1971年7月26日,“阿波罗”15号飞船把美国第一辆月球车送上了月球,与“月球车1号”不同的是,这是一款有人驾驶型月球车。名字叫做“巡行者1号”,这个月球车长3米,宽1.8米,重209公斤。它是一个双座四轮的自动行走装置,以电池为动力,最高时速可达16公里。宇航员坐在里面驾驶着它在月球表面巡游,在27.9公里的旅程中,他们以车代步,爬越障碍,翻越沟壑,对山脉、峡谷和火山口进行考察,并把激动人心的彩色图像传回地面。随后,美国又有多辆月球车登陆月球。

最早的火星车

月球车的这种探测技术给未来的火星探测者们很大的启发,所以后来的火星探测也使用了这种星球探测车。1996年,俄罗斯准备发射“火星96”探测器,这个探测器十分引人注目,其原因是它携带了一个火星车,这是在火星探测历史上,首次出现的火星车。火星车那宽大的轮子外侧像一个圆柱体,内侧却像一个圆锥体,这使它可以在沙地行走而不下陷。这种火星车有六个轮子,分别安装在三个轴上,每根轴上有两个轮子和一台独立的驱动发动机,各个轴之间都有平衡支架相连,这种平衡支架可以绕中轴转动,使得每对轮子都可以相对于其他轮子自由转动。

“火星96”漫游车碰到一般的石头,轮子可以自动抬起;遇到无法越过的障碍物,还会绕道而行;遇到陡峭的悬崖前轮会下滑,制动装置能够根据前轮与其他轮子的相互位置发出停车信号,然后掉转方向。火星车的工作能量来自于放射性同位素热电发电机,它不仅用来保证与地球指挥中心的无线电联系,而且还要保障有关仪器在夜间的供暖需要。

1996年11月16日夜,“火星96”探测器顺利升空,但是它的第四级助推火箭只喷射了20秒种就停止了。两小时后,它与地面的联系中断,一切努力都不能挽回这次发射的失败,“火星96”在一片惋惜声中坠毁在澳大利亚,第一个火星车也随着探测器一起灰飞烟灭。

第一个真正意义上的火星车却是美国人制造的,这就是美国的“索杰纳”,它被“火星探路者”带到了火星。着陆前10秒种,飞船上面的数十个气囊一齐膨胀起来,距离地面30米时,减速火箭点火,着陆器进一步减速。这些气囊在地面弹跳十几下后,终于降落在阿瑞斯平原。气囊袋散气后,三块近似三角形的面板沿着着陆器边缘缓缓打开,此刻,对于这个火星车来说,要想走出着陆器,还是十分的困难,着陆器基座边缘有斜板,“索杰纳”本来可以沿着斜板行驶到火星陆地,但是斜板被未排净气体的气囊袋挡住,致使“索杰纳”被困在着陆器上。这时,地球上的指挥中心对装置发出一系列指令,气囊袋才完全排除气体,“索杰纳”终于踏上火星表面。

“索杰纳”如同一台微波炉,重量为10公斤。上层是太阳能电池板,供给所需的能量。它的主要使命是分析火星岩石和土壤的化学组成,它携带着一台阿尔法-质子-X射线光谱仪,其中含有放射性元素,可用阿尔法粒子和质子轰击目标,从而得知目标的化学元素组成。其前部有两台黑白照相机,后部有一台彩色照相机。

“索杰纳”可以把拍摄到的照片转化成电信号,但它还不能直接把这些信号传递给地球,它需要把信号传递给与它一同来到火星表面的着陆器上,再由着陆器传回地面控制中心。它本身的各种动作也是由地球人员控制,两者之间信号传递单程有11分钟的滞后,当火星上的阿瑞斯平原转到另一面时,二者就无法通讯。火星车发回地面许多珍贵照片,虽然“索杰纳”的活动范围只有500米,但是,它是第一个真正降落在火星上的火星车。

勇气号”和“机遇号”双兄弟

在探测火星的历史上,第二次来到火星的火星车却是一对双兄弟。2004年1月3日,这一天,美国国家航空航天局的“勇气号”火星车成功登陆火星,开始了探测红色星球的征程。1月24日,“机遇号”也成功着陆这个红色的星球,它们能够铲起泥土,开凿岩石并检查样本,不断向地面控制人员发回火星岩石、土壤和大气的信息并拍摄大量图片。这两辆无人驾驶的火星车把得到的数据发回地球后,由位于加州帕萨迪纳的喷气推进实验室的科学家进行分析。

“勇气号”和“机遇号”不仅拍摄了大量火星的立体图片和彩色全景图,还发回了许多重要的科学数据,最关键的是,它们都发现了火星上曾存在液态水并支持生命存在的证据。在漫步火星的日子里,它们经受住了火星漫天沙尘的冬季,经受住了考验。一年半的时间就要过去了,但是“勇气号”和“机遇号”的工作状态都还相当不错,直到今天,这对火星车依然在完好的工作着。它们两个是外星球探测历史上最成功的一次探测,可以肯定地说,对于一次着陆的火星探测行为,它的成功与否,完全依赖于探测车性能的好坏。

下一代的行星探测车

下一代的火星车已经出现了,它是2009年火星探测的主角,与往常不同的是,这个火星车的个头很大。因为未来的火星车所肩负的任务比今天要多得多。这个火星车名字叫做“火星科学实验室”。“勇气号”和“机遇号”探测器的重量大约是180公斤,而“火星科学实验室”的总重量则可达到900公斤。不仅重量比它们大了5倍,而且有效负载将是它们的10倍。“火星科学实验室”的设计寿命也大大超过原来的火星车,它的设计寿命为两个火星年。既然个头很大,它的轮子也很大,它可以比较容易地操控自己在火星上漫游,同时漫游的距离也更远,几乎可以在所有的火星地形中行动。

这个火星车最大的特点就是它不再使用气囊着陆,而是通过一种巨型起重机着陆,空中起重机有两个“悬臂支架”。每个“悬臂支架”安装一套重700磅的喷气火箭发动机。当着陆器进入到火星大气层之后,首先打开降落伞,着陆器火箭开始逆向喷射,使得起重机缓慢下降。通过降低发动机推动力,巨型起重机就会缓缓地落向火星表面。在电子导航设备的引导下,“火星科学实验室”就可以开到科学家感兴趣的地方工作了。它那高大的轮子可以使它拥有很快的速度,不再像现有的火星车那样行动迟缓。

蝎子行星车

在研制火星车的时候,人们最关心的是它对地形的适应性如何,宽大的轮子虽然可以在松软的土地上行驶,但是,在地形更加复杂的地方,它就会显得力不从心,它要是不慎掉到了一个坑里,可能很久也爬不出来,或者摔倒。那样它可能会永远也无法工作了。节肢动物的特性给了科学家很大的启发,于是,一种蝎子机器人应运而生。既然没有轮子,也就不能再称之为车了,但是,它跟一般的行星探测车起到的作用基本一致。它有八条腿,这让它可以在几乎所有的地形中行动,尤其是在一些山崖上,行星车对那样的地形是无能为力的,但是,这种蝎子就可以大显身手,它能够轻松地到达这样的区域,观察那里的地貌情况,并且获取所需的标本。它可以执行很多复杂的任务,在地球上,也可以大显身手,比如利用其进行探矿或者在碎石头堆里寻找地震的幸存者等,所以,它的利用前景非常广泛。

但是,这种灵活性必然要付出其他的代价,比如,它的体型不大,携带的电池有限,而且也不能使用太阳能光板。当电池将要耗尽的时候,它必须返回去充电。

师从自然的行星车

工程师们发明了很多有用的东西,但是,当一种新发明出现在大家眼前的时候,人们往往意识到,人类并不聪明,大自然早在几万年前,就已经制造出来了这种机械。于是,人们开始了向大自然学习,中国的月球车模型中就出现了这种设计思想,样子类似于一种叫做“车前草”的植物。这种车前草机器人样子实在有点怪,它有四组轮子,这四组轮子也是它最大的特色,因为它们可以保证探测车在原地随意转弯,不需要有拐弯的空间。它的车身也很特别,类似于三片树叶,这使它不会轻易跌倒。在树叶状的中心,伸展出来一根高高的桅杆,看起来真像是车前草植物伸出的花蕊。但是,这却是一个智能头,是负责通讯使用的无线电接受天线。它还有六只眼睛,那是各种功能的摄像头。

在美国宇航局的火星车设计理念中,也出现了一种叫做“风滚草”的火星车。“风滚草”就像一个圆球。它的内部,装载着多种天文探测仪器。在火星上约每秒20米的风力吹动下,这个直径6米的探测器能够以每秒10米的速度前进,当风向改变的时候,它会暂时停止移动,释放出一部分气体;当它准备重新启动时,气球又会重新充气,然后再向前滚动。在沙漠里的实验证明,它可以翻越高度为1.5米的障碍物,在25度的陡坡上也可以前进。这种“风滚草”是行星探测车家族的成员之一。所有的外星探测车都是一种机器人,它们需要自己携带能量,或者用太阳能,“索杰纳”只能在附近几百米的地方徘徊,即使是最新的火星车,也只能在200公里内的范围内活动,远远谈不上漫游。但是“风滚草”就彻底解决了这个问题,它的探测范围可以覆盖整个星球表面。

虽然“风滚草”这个方案设计新颖,也有种种好处,但它随风而走,运行路线完全要听从风的摆布,无法控制方向是它的最大弱点;同时,如何把探测仪器安装在它的上面也是一个难题,即使把仪器安装好了,它不停翻滚拍出来的镜头也一定是天旋地转,不经处理没法看,因此它还没有真正派上用场。

机器组群

在2004年的年初,欧空局也派出了自己的火星探测器,这个探测器携带着一个叫做“小猎犬1号”的机器人,但是,这个机器人却在着陆的过程中失踪了,这给一种新的理论提供了很好的理由,于是,人们开始设想有一种外星探测车,具体地说,它不是一辆车,而是一个自动探测集群,它们相互之间可以交流通信协调工作。这种“机器人舰队”并没有中央指令系统,却能自如地在各种地形上整体推进,他们既可以共同完成一个任务,又可以分开来分别执行不同的工作,即使是一个毁坏了,其他成员还可以执行任务。不论是外星探测,还是地球上的勘探,这种设计思想渐渐占据了重要地位。目前,中国正在研制的月球车就出现了这种设计理念。

中科院沈阳自动化研究所研制出了一种月球车,其实它们是一组机器人,它的学名叫“可重构星球探测机器人”,这是由好几个部件组成的,这些部件既可以独立运动、跨越障碍,还能“站起来”抓取物品,完成搬运、采样、测绘等作业。最关键的,这几个机器人能变形,就像是动画片中的变形金刚那样,收到指令后组合在一起,就成了“轮子”。在未来的星球车中,它们的角色是子机器人,在与主机器人会合后,它们的机械手能牢牢地抓住主机器人,互相组合成为一辆星球探测车。

未来的行星探测车应该有通用性,它不仅仅只适合于火星,也不仅仅只适合月球。新一代行星探测车应该能够为人们找到登陆的最佳地点,并且把科学仪器放置到指定的地点,它们还必须要有较高的局部自主能力,包括局部导航,调整自己的资源配备等能力。实际上,每一个行星探测车都相当于一个机器人。

随着“机遇号”和“勇气号”在火星上创造出来的奇迹,随着新一轮月球探测热的掀起,可以预言的是,新一轮的外星探测车的研制也将会越来越热,在这个研制的浪潮中,科学家们会利用各种不同的设计理念,制造出来各种新型探测车,让它们在各个自然条件不同的星球上工作。外星探测车的研制历史,不仅是一部机器人研制的历史,也是一部航天技术发展的历史。返回搜狐,查看更多

责任编辑:

声明:该文观点仅代表作者本人,搜狐号系信息发布平台,搜狐仅提供信息存储空间服务。
免费获取
今日搜狐热点
今日推荐