探测器列传：13.月球车1号
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了解科学 爱上科学 欢迎收听科学时评话咱们上文书讲到了苏联人的月球 16 号最终实现了在月球上着陆然后取样返回尽管取回来的样本有点少 只有 100 克出头不过苏联和美国还是拿出了 3 克月长互相进行了交换毕竟科学研究还是要进行交流合作的

美苏两国那个时候都还有这个胸怀不像现在那么小气当然了苏联当时对于载人登月他还没有完全死心难

难道这个拿不了第一名我们就放弃载人登月吗那前面花的那些功夫不是白费了吗那不行啊即便是搁置登月也不意味着未来不会重启所以呢苏联人的下一个目标啊就是把月球 17 号发送到月球表面这个月球 17 号会带着一个月球车在月亮上瞎溜达啊一个小车的行驶范围呢就比一个固定的着陆器大

大太多了就可以在月亮上转悠好几个月它不像美国人载人登月上去三天就达到回府了所以这个月球 17 号探测器的本质就是一辆月球车和携带月球车降落的底座这两个东西结合在一起起码有 5.7 吨重只能用质子号运载火箭发射

月球车本身的重量呢就达到了 756 公斤这是一个相当大的月球车咱们那个玉兔号啊是一个相当小巧的月球车它总重量只有 140 公斤比当年苏联的这个月球车一号那小太多了苏联人呢一向是傻大黑族不讲究这大点就大点了

这种思路实际上就是苏联人的一贯风格不过拉沃切金设计局的工程师也不是没动过巧心思他的整个设计还是相当巧妙的当时这个拉沃切金设计局的工程师们考虑过履带式轮式甚至是跳跃式等等各种方案

苏联人那个坦克很不错啊他们对这个履带式车辆的设计很有经验履带式的特点是越野能力非常强但是对于能量的利用率就太低了说白了就是您用履带式啊在月亮上走啊它太费电它充一次电走不了多远那采取跳跃式吧这个越野能力倒是很强但是当时的技术啊达不到

据说是将来啊咱们那个嫦娥七号探测器倒是可以携带一个机器狗上月亮哎那时候我们就可以看到这个机器狗在月球上乱蹦啊不过那也是未来的事了现在还早着呢所以啊当时的苏联工程师他们别无选择最后只能选择轮式方案了

但是到底你给这个探测器装几个轮子呢他们就分别提出了四轮六轮八轮等等不同的方案最后选来选去选择了八轮这样比较稳妥

首先这个月球车的主体长得像个圆形的浴缸直径最大大概是 2.2 米高度是 1.92 米这个体积可是真不小它下面装了八个轮子一边四个分左右两排每个轮子都是那种金属笼子的结构它直径是 51 公分这种结构可以最大限度的减轻重量这八个轮子每个都有独立的电机控制

只要左右这两边各有一个轮子的电机能工作这小车就能走当然了这个小车的轮子它不带转向机构啊它就是直来直去只能靠两边轮子的差速来拐弯这样呢这做起来比较省事啊因为驱动轮有可能会发生打滑也就是说轮子在转但是车子根本没挪动

苏联人为了精确计算这个月球车到底走了多少里程他们在月球车肚子底下装了第九个轮子这第九个轮子呢其实很小它没有驱动能力这个轮子就是专门用来测量月球车行驶距离和方向的从后来拍摄的照片上看吧这两边有两排车遮印压得还都挺深的中间还有一行很细很细的车遮印那就是第九个轮子留下的痕迹

那么为什么要把这个探测器设计成一个大浴缸的外观呢其实就是为了把探测器做成一个封闭型的罐子这个罐子里边是加了氮气的罐子内部维持着一个大气压的压力这样的话呢所有的仪器就可以保持在地球上那种类似的环境

这个罐子内部装有同位素热源利用放射性元素的衰变来产生热量保证这个探测器在度过月球夜晚的时候不会被冻死当然了全封地的这个罐子顶上多了一层活动的顶盖这个盖是可以打开的这个盖子内侧是太阳能电池板如果到了月球的夜晚这个盖子还可以盖上这样的话可以加厚保温层

当然了有一些仪器必须放在这个探测器外面否则就没法工作了首先苏联人在这个探测器上装了两个电视摄像头这就相当于是月球车的眼睛了这地面遥控人员就必须靠这一对眼睛看到景物然后再决定往哪边走这咱千万不能掉坑里当然了苏联人还装了四台全景相机

你去都去了嘛你不拍照打卡你干嘛来了是吧那得拍

另外当时苏联人还和法国人合作从法国的一家公司订购了一套水晶打磨的角反射器可以从地面发射激光束经过角反射器的反射返回地球这样的话就可以精确测量地月之间的距离精确度达到了 20 到 30 厘米的精度对于 38 万公里这么长的距离来讲能达到这个精确度已经是很不错的成绩了

苏联就从克里米亚的一个天文台用一台口径 2.5 米的望远镜进行观测获得了比较精确的数字法国人和美国人也做了测试但是没有成功

这个角反射器只能在月球的夜晚工作因为白天的温度实在太高了这个角反射器工作温度是零度到零下 150 度到零上它都要出问题的因为热胀冷缩会导致变形你这儿这角反气稍微变一点点形反射回去的光束在经过了 38 万公里的距离以后它产生的偏差就太大了

望远镜就很难接收到反射回来的光子所以观测经常容易失败当然了这个角反射器它没有任何活动部件它纯粹就是一个固定的光学仪器它不需要用电也不会有什么损耗所以在多年之后的 2010 年

美国人发射的一颗环绕月球的探测器还专门去找了这些早期的月球探测器就找到了这个早已经停止工作的月球车一号他们就发现月球车一号上那个搅反射器还是正名耍亮了很容易就用激光束找到这个月球车而且那个搅反器还有光束能返回来这个东西倒是不错可以用来校验

苏联人呢还是想在月球上建立一个天文台所以呢这个月球车一号还携带了一个 X 射线望远镜可以对太空进行 X 射线观测啊这个东西受大气干扰比较严重最好咱们弄到没有空气的地方去而且呢他还带了辐射探测仪和土壤灌入仪这个辐射探测仪啊是用来检测月壤化学成分的

那这个所谓的灌入仪到底是个啥东西呢其实就是拿那个铁棍往土里捅一捅你看看能捅多深就这么个东西 1970 年的 11 月 10 号这个月球 17 号探测器就顺利发射了也按照计划开反推降落在了月球表面的鱼海地区

这个探测器主要呢就是一个底座嘛装了几个燃料罐和反推火箭发动机显得特别扁扁塌塌的然后这个底座顶上呢就顶着这辆月球车然后底座啊从两边放下两条长长的滑行坡道也就是说这辆月球车你从前面下去也行你从后边倒着下去也行为啥要做这种设计呢

就是因为啊对落月的那个地点他不确定万一不凑巧啊那个轨道下边刚好有个大石头那不就麻烦了吗所以呢还得留个备分总之啊这辆车在地面人员的遥控之下慢慢就开下了坡来到了月球表面上

当然了这月球车的自动化程度很低必须全靠人类在地面上远程遥控所以无线电通信是必不可少的首先它必须有个全向天线用这个天线很容易和地面建立通信联系但缺点是这个信号太弱通信速度太低所以月球车一号还得有个定向天线

这个定向天线吧它长得有点像一盘蚊香这个天线的方向性比较强所以信号呢就比较强可以和地面建立比较快的通信联系

当时探测器还有一个长得像大号弹簧的那种棒状天线这个天线的波数特别特别特别窄指向性特别特别特别强可以和地面形成高速通信但恰恰是因为这个天线的波数实在太窄了所以要对准地球上的测控站就必须非常非常的精确你稍微歪一点这信号就收不到了这就对地面的遥控人员提出了很高的要求

只要月球上的太阳出来了那么月球车就开始到处溜达了月球上的黑夜呢这个月球车就必须趴屋休息了只要月球车还在行走地面上就必须随时有两个人来操纵这辆月球车一个负责开车前进后退啊是左拐右拐啊这都是这个人负责另一个人就负责调整那天线方位啊这个天线方位错了就收不着信号了

正因为地球和月亮之间的距离太远了无线电通信有延迟所以这两个操纵者呀他不可能像打游戏那样啊飙车那么爽他每走一步都是小心翼翼的必须谋划很久这下一步怎么走啊这比下棋都麻烦这天线呢稍微意外就丢信号你可不得慎重吗这事实际上是个体力活啊这这两个人加班熬夜熬下来那那真是累死

更要命的是月球上一个白天就相当于地球上半个月为了不浪费这宝贵的阳光这地面的遥控人员就必须三班倒控制月球车的行动本来拉沃切金设计局预计这家伙能在月球上工作三个月实际上人家工作了十个多月算是远远超额完成任务了

这个月球车一号走得最远的一天是走了两公里而且还经历了一次日食现象地球呢恰好挡住了太阳月球表面的温度从 130 多度在三个小时之内就降到了零下 100 度好在呢这个月球车一号啊肚子里自己带了放射性热源所以这家伙是不会被冻死的如果没这东西的话这月球车很可能就挺不过去了

但是吧话又说回来这个放射性衰变产热呀它是会不断衰减的这核材料一边衰变一边放出热量比如说常用的就是布 238 半衰期呢是 87.7 年也就是说每过 87.7 年就会用掉一半的布

热量输出当然也就大大在降低了好在这个 87.7 年是一个足够长的时间段所以放射性热源选用哪种材料它是有讲究的半衰期长那就说明衰变可以长时间的比较稳定的进行下去热量也可以稳定的输出但是这个功率密度往往就比较低因为衰变发生的太慢了

要输出足够的热量就需要一大坨放射性物质放射性物质它往往都是死老沉的你这么一大坨放在一个短寿命的航天器上大材小用它不太合适

另外放射性衰变它也分三种α衰变就会释放出α射线也就是氦的原子核这个东西长得比较大它比较容易挡住几毫米厚的铅板就足够用了这个β衰变会释放出高能电子这些高能电子在撞上金属原子或者是急剧减速的时候它就会释放出 X 射线或者是γ射线

这些东西的穿透力很强会影响别的仪器工作所以必须加强屏蔽当然了如果你直接就是干嘛射线衰变那就麻烦了你直接就往外放干嘛射线所以最好咱不要用这种东西

当然了如果这些放射性物质在衰变过程中一不留神释放出中子这个也是个麻烦事因为中子呢也会导致其他物质出现放射性这种事咱们还是要尽量杜绝现在呢最常用的材料就是布 238 它的功率密度呢是每克 0.57 瓦

辐射特别干净几乎都是特别容易屏蔽的α射线但是呢这个布 238 并不是一般性的核反应堆的副产品你要想获得这个东西就必须弄个专门的反应堆来制造目前只有俄国人还在搞这个东西一年的产量呢也不过才 1.5 公斤这东西还是蛮贵的哟

另外一种材料呢叫 C90 这个东西的半衰期是 28.8 年综合下来呢它的功率密度是 0.46 瓦每克好处是这东西比较便宜因为这东西就是核电站的副产品可以时时刻刻大量产生

还有一种元素叫 Po210 这就是居里两口子发现的这种东西是一个功率密度极高的材料半衰期仅仅 138 天这东西一克就可以提供 140 瓦的功率你弄上半克就可以获得 500 度的高温而且它是近乎纯粹的阿尔法衰变屏蔽条件比 Po238 还要低一点确认

缺点就是寿命太短了这衰减太快用了没几天它就耗煤了还有一种元素叫煤 241 它的半衰期达到了 432 年我的天哪这是够长的你要是打算小功率长时间提供能量这个东西比较合适这个东西也是核电站的副产品

屏蔽比布 238 要稍微厚一点才行功率密度是只有布 238 的四分之一谁叫它半衰期那么长呢衰减太慢了呀现在大多数还都是用布 238 的当年旅行者号用的就是这个东西输出功率每年下降 0.787%到明年为止旅行者号就会因为能源不足而无法正常工作了

当然了旅行者号碰上的问题不仅仅是因为这个放射性热源的性能在下降啊他在不断的衰变更要命的是那个把热量转换成电能的那个温差热电偶啊在不断的老化他的发电能力也在不断下降所以旅行者号可以说是雪上加霜这能源就不够了

这种事呢他也是没有办法的啊这个电子元件哪有不老化呢对吧从 1988 年开始美国人就不再生产布 238 这种材料了因为他们出过两次事啊他们所有的深空探测器上如果需要用到这个东西那就从俄罗斯买就冲现在的这个俄美关系啊俄罗斯是打死都不肯卖

可是美国人未来还有一大堆升空探测器要发射呢那东西是缺不了这种放射性热源的呀那怎么办呢就只能重启田纳西州项数领国家实验室的那个生产装置重新生产了一点布 238 目前呢应该是勉强够用如果不生产的话那后面那些升空探测器就就别想升空了我们扯的有点远了我们还是扯回正题啊

月球车一号在月球表面溜达了 10 个多月一共是 332 个地球日等到放射性同位素消耗殆尽了这个探测器也就受种正请了月球车一号在月面上一共是行走了 10.54 公里考察了 8 万平方米的区域测定了 500 多个月壤表面的物理力学特征说白了就是拿杆子捅了 500 多线

分析了 25 个地点的月壤化学参数拍摄了 2 万多张月球表面的照片和 200 多张全景图毫无疑问苏联人又一次取得了成功这是人类第一个发送到外星球的陆地行走装置美国人在月球上飙车是从阿波罗 15 号开始的那都已经是 1971 年的事了他们落在了苏联人的后边

而且美国的那个有人驾驶的月球车的重量也就 210 公斤比起苏联人的这个月球车一号那是轻多了对了咱们国家载人登月要使用的月球车现在已经开始争名了大家有兴趣的话可以去踊跃参加我相信大家一定有很多奇思妙想

说实话正因为苏联人的这个探测器比较大它动力也比较充足所以才能够在十个多月的时间里溜达了那么远这个探测器后来也变得标准化了日后苏联的月球车基本上都长得差不多都长这个模样

转过年来就是 1971 年了那又是一个火星窗口气到来了美国和苏联肯定都不会放过这个窗口气的苏联会发射火星二号和火星三号美国人会发射水手八号和水手九号 5 月 9 号的时候美国人先发射了水手八号六分钟以后这火箭就炸了这发射就彻底失败了

苏联人这次也不太顺第二天 5 月 10 号苏联人发射了一颗探测器结果呢这颗探测器没能离开近地轨道最后获得的编号是宇宙 419 这是一颗不成功的探测器了苏联人手脚比较快他迅速在 5 月 19 号和 28 号发射了火星 2 号和火星 3 号探测器这两颗探测器都是发射成功的美国人在 5 月 30 号就发射了水手 9 号

这几颗探测器奔着火星就飞过去聊这路上一走就得六七个月水手八号和水手九号是同一个型号那外观长得都一样都是一个八边形的盒子伸出四片太阳能电池板外带一个一米四长的拉杆天线和一个抛物面天线八边形盒子的中心是发动机进入环绕火星轨道被引力捕获呢就得靠这个发动机来刹车减速才行了

当时这个探测器呢是靠电脑来控制的不过那个电脑的能力啊就别提了啊它这个内存只有 512 个字节啊不过这个东西呢完成一系列的指令是足够用了一个指令才几个字节啊

数据是储存在一个磁带记录仪上这磁带总长度 168 米可以录下 8 个轨道储存的速度是 132Kbit 每秒和现在的电脑没法比了那太慢了不过在当时也算是不错的配置起码可以拍摄下照片然后存在这个磁带上

因为从火星到地球的通讯它非常慢只能先拍照片先存下来然后呢再慢慢把这些存货发回地球

在太空里边飞行了 167 天以后这个水手 9 号就抵达火星了水手 9 号的引擎点火 15 分 32 秒进行了刹车这个水手 9 号顺利的被火星引力所捕获成为了第一个被地球外行星捕获的人造天体刚被捕获的时候呢水手 9 号是 12 小时 34 分就可以绕着火星转一圈第二天呢水手 9 号的引擎又开了 6 秒钟这轨道周期就缩小到了不到 12 小时了

谁说 9 号相比于以前的火星探测器它是一个质的飞跃因为以前的探测器它没办法实现刹车它就没有办法长时间绕着火星转圈圈只能是一枪头的买卖飞掠而过能拍摄到的照片就比较少无法长时间的进行研究现在能实现环绕火星运行了就可以很好的仔细观察研究一下火星了这有的是时间了

在经过几次轨道调整以后这水手 9 号就开始准备对火星进行拍摄工作哪知道这次啊人干的是不错但是火星不肯配合因为传回的照片就显得非常模糊根本就看不清楚火星表面的各种细节整个画面上除了看到有几座山间间露在这个雾霾之外几乎没有什么能看得清楚的东西

原来是火星上发生了一场超大规模的沙尘暴几乎席卷了整个火星表面

其实呢地球上那些研究行星的科学家们早就在设想火星上是有可能发生这种沙尘暴的所以这一次啊也算不虚此行算是亲眼见证了这场超大规模的沙尘但是这场大风暴一刮那计划就全打乱了呀谁知道你得刮多长时间呢现在呢就只能傻等着呀

这场风是连刮了两个多月才开始减弱尽管还没有完全消失但是火星表面终于算是能看清楚了这水手 9 号马上就开始正式拍摄工作了这一次水手 9 号带来的那些震撼远远超过了以前我们所有的火星探测器有关这档子事呢咱们下回再说科学声音