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(jìn)行了勘察，但對月球遠(yuǎn)端仍然知之甚少， 月球遠(yuǎn)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(yuǎn)側(cè)具有更大挑戰(zhàn)性，因為在惡劣的地外環(huán)境和更遠(yuǎn)的通信距離下，需要月球漫游車進(jìn)行有效的局部運(yùn)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。

圖｜月之背面地形圖，紅色代表高地區(qū)、藍(lán)色為低地區(qū)，紫圈和灰圈分別為盆地的內(nèi)、外壁范圍（來源：維基百科）

“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(qiáng)的“玉兔二號”也不辱使命，傳回了關(guān)于月球遠(yuǎn)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(jìn)行了分析報告，暗示了月球遠(yuǎn)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(yuǎn)側(cè)的理解，也對月球車的改進(jìn)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(jī)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(jìn)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(yuǎn)端探測，無疑又拉開了一個新的探月序幕。

圖｜著陸器和玉兔二號月球車（來源：Science Robotics）

“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(jī)器人，在轉(zhuǎn)彎輪上配有四個轉(zhuǎn)向馬達(dá)，最大速度能力為 200米/小時，它可以爬上 20° 的斜坡，跨越高達(dá) 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(jī)（Pancam）、可見和近紅外圖像光譜儀（VNIS）、探月雷達(dá)（LPR）和先進(jìn)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(kuò)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(bǔ)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(jī)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(dú)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(jìn)行的科學(xué)研究進(jìn)行全面回顧，更強(qiáng)大的探測車、科學(xué)有效載荷和復(fù)雜輪-地相互作用機(jī)制的理論難題被揭示出來，可能是未來開發(fā)月球探測機(jī)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(qiáng)烈影響著玉兔二號的橫向軌跡、車輪滑動和下沉，進(jìn)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。

圖｜玉兔二號的路徑和在月球背面的行進(jìn)滑動（來源：Science Robotics）

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(jìn)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)。

圖｜與第一代玉兔號（B）相比，玉兔二號（A）的車輪土壤粘性現(xiàn)象不同（來源：Science Robotics）

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(yuǎn)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。

圖｜土壤參數(shù)識別（來源：Science Robotics）

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(jìn)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)。

圖｜玉兔二號在穿越路線上遇到的隕石坑（來源：Science Robotics）

但是，由于靠近可能發(fā)生的機(jī)動故障，玉兔二號放棄了進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yùn)動基本原理進(jìn)行建模，這依賴于“機(jī)器人物理學(xué)”的進(jìn)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(jī)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(jìn)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。

圖｜玉兔二號在穿越路線上遇到的巖石（來源：Science Robotics）

玉兔二號測量到的一種尺寸超過 20 厘米的獨(dú)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(jìn)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(jìn)展。

圖｜玉兔二號月球車離開嫦娥四號著陸器

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(yuǎn)側(cè)土壤性質(zhì)的差異，這補(bǔ)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(jìn)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(jìn)行深入研究，以便進(jìn)行進(jìn)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(yuǎn)側(cè)表面特性的意義重大，未來的月球探測器需要更強(qiáng)大的運(yùn)動能力、更高的智能和先進(jìn)的科學(xué)有效載荷。例如，腿機(jī)器人、混合輪腿機(jī)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(jìn)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(jìn)行一些探索，并增強(qiáng)自主情境實驗?zāi)芰?，通過更積極的探測策略進(jìn)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(qiáng)大的執(zhí)行器和先進(jìn)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(jìn)行全面改進(jìn)，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(xiàn)： https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj6660

本文來自微信公眾號 “學(xué)術(shù)頭條”（ID：SciTouTiao），作者：庫珀，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

關(guān)鍵詞： 玉兔 月球 背面