超期“打工”3年多,中国首辆月球车“玉兔号”在月球背面又发现了啥?

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· 1月20日

深入了解月球远侧表面特性意义重大。

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超期“打工”3年多,中国首辆月球车“玉兔号”在月球背面又发现了啥?

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图片来源@视觉中国

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文 | 学术头条,作者 | 库珀,编审 | 寇建超

迄今为止,许多载人和未载人航天任务都曾对月球近侧半球进行了勘察,但对月球远端仍然知之甚少,月球远侧,也就是通俗理解中的月之背面,总是充满神秘色彩。

探测月球远侧具有更大挑战性,因为在恶劣的地外环境和更远的通信距离下,需要月球漫游车进行有效的局部运动,以探索具有科学意义的月球地质特征。

2019 年 1 月 3 日,中国探月工程的嫦娥四号着陆器、“玉兔二号”月球车,成功在月球背面的南极-艾特肯盆地冯·卡门撞击坑软着陆,一举创下了多个“第一”“首次”。比如:这是世界首次实现月球背面软着陆和巡视勘察,同时也是首次在月球的高纬度极地区域着陆,也是首次月背与地球的中继通信,在 2019 年 12 月,玉兔二号也成为在月面工作时间最长的月球车。

图|月之背面地形图,红色代表高地区、蓝色为低地区,紫圈和灰圈分别为盆地的内、外壁范围(来源:维基百科)

“玉兔二号”月球车所探测的区域,是太阳系中已知最大的撞击坑之一,被公认为是月球上最大、最古老和最深的撞击盆地,约形成于 45.5-39.2 亿年前,科研价值巨大,而生存能力超强的“玉兔二号”也不辱使命,传回了关于月球远侧风化层、陨石坑和岩石的十分丰富的信息。

1 月 20 日,发表在权威科学期刊 Science Robotics 上的最新封面文章对“玉兔二号”月球车探测到的相关信息进行了分析报告,暗示了月球远侧和近侧表面地质的显著差异,这些经验可能将大大提高对月球远侧的理解,也对月球车的改进提出参考建议。

论文的主要研究人员来自哈尔滨工业大学机器人与系统国家重点实验室、北京航天控制中心、航空航天飞行动力学科学技术重点实验室、中国科学院航空航天信息研究所遥感科学国家重点实验室等。

新的探月篇章

在过去的几十年里,利用轨道飞行器或漫游者探测器进行的行星探索一直在超越科学和技术的边界,月球作为离地球最近的天体,具有潜在的可开发化学和矿物学资源,成为人类太空探测任务最重要的目的地之一。

美国阿波罗登月计划曾将月球探测工作推向第一波高潮,自此之后先后有 20 个成功的登月者和探测器在月球的近端着陆。而玉兔二号的月球远端探测,无疑又拉开了一个新的探月序幕。

图|着陆器和玉兔二号月球车(来源:Science Robotics)

“玉兔二号”是迄今为止最轻的月球车(135 千克),本身是一种六轮高性能越野机器人,在转弯轮上配有四个转向马达,最大速度能力为 200米/小时,它可以爬上 20° 的斜坡,跨越高达 20厘米的障碍物,搭载了 4 个科学有效载荷以获取高分辨率图像和高精度数据,包括全景相机(Pancam)、可见和近红外图像光谱仪(VNIS)、探月雷达(LPR)和先进的小型中性粒子分析仪(ASAN)。

高可靠性的移动系统使玉兔二号能够在设计的 3 个月寿命之外生存,在头 2 年结束时其探测距离扩大到了 600.55 米,获得了更丰富的科学见解,而截至目前,玉兔二号月球车已经行驶超过 1000 米。

在最初的两年探索中,大约 16.46 千兆字节的科学数据被返回传输和分析,从而填补了月球背面地质知识的空白,加深了人们对月球形成和演化的理解。

研究人员展示了“玉兔二号”月球车收集的机车数据和图像,这些数据和图像重点揭示了月球背面的独特特征,还介绍了车轮滑动和下沉的结果,以及使用车轮-地形相互作用模型对月球表土特性的分析。

通过对玉兔二号在陨石坑、岩石和地层中进行的科学研究进行全面回顾,更强大的探测车、科学有效载荷和复杂轮-地相互作用机制的理论难题被揭示出来,可能是未来开发月球探测机器人所必需了解的。

月球最大撞击坑里的情况

玉兔二号的行动主要由地面遥操作生成的上传命令来控制,当然,它也可以在相对平坦的地形上以自主模式工作,使用其激光探测或避险摄像头(Hazcam)规划可穿越的路线。

月球表土的物理性质强烈影响着玉兔二号的横向轨迹、车轮滑动和下沉,进而可用于推断切向和法向的地形特性。数据显示,玉兔二号经历了相对较小的车轮打滑和打滑,滑移率范围为 −0.15 至 0.15,在没有精确航路点视觉定位的情况下,还艰难地探索了一些局部陨石坑。

图|玉兔二号的路径和在月球背面的行进滑动(来源:Science Robotics)

玉兔二号留下的车轮痕迹提供了复杂移动期间所经历的车轮滑移率的线索,通过提取痕迹单元,使用滑移率估计模型,能对基于清晰完整痕迹的细粒滑移率进行估计。

而基于此,对比嫦娥三号任务期间所获得的相关数据,又能推断出更多月壤物理性质。

图|与第一代玉兔号(B)相比,玉兔二号(A)的车轮土壤粘性现象不同(来源:Science Robotics)

研究人员对比分析,在嫦娥三号任务期间,玉兔号轮上的粘性细颗粒很可能是由于静电粘附造成的,但在嫦娥四号任务期间,玉兔二号轮上的大块月壤是不寻常的,车轮表面有 46% 以上被覆盖,这远大于当时玉兔号车轮上的覆盖率(约 2%)。

因此,可以合理假设,在嫦娥四号着陆场,土壤的更大粘性是区域性的,而不是局部性的,且该区域月面风化层内聚力的增加可能是由于月面风化层中凝集物的百分比较高。

尽管玉兔二号没有配备特定的土壤参数识别仪器,但可根据车轮—地形相互作用识别土壤的一些参数,关于月球表土特性,可根据车轮下沉量推断着陆场周围表土的正常承载特性。

根据牵引轮的地形力学模型和车轮-地形相互作用参数,研究人员预测了反映不同下沉条件下表土承载特性参数的曲线,基于此分析得出,玉兔二号着陆点的表土比阿波罗任务中典型的月球土壤还要坚硬,月球背面登陆点的表土承载特性类似于地球上的干砂和砂壤土。

图|土壤参数识别(来源:Science Robotics)

意想不到的物质发现

玉兔二号在月球背面对月球岩石、土壤、撞击坑和从月球表面发射的高能中性原子进行了原位研究,任务的大部分主要科学目标已经完成,包括:

(1)月球表面的低频天文研究;
(2)月球背面流动区域的浅层结构调查;
(3)月球背面流动区域的地形和矿物成分调查。

这些结果为后续的深入研究奠定了基础。

在为期 2 年的冒险活动期间,玉兔二号还在一个 2 米深的陨石坑边缘发现了一种意想不到的高反射率凝胶状物质。经过两次艰苦的接近尝试后,观察到了深绿色、闪闪发光的物质,显示出其与周围表土块不同的形状、颜色和纹理。该材料的外观类似于阿波罗 15 号和 17 号任务中获得的月球样本 15466 和 70019,表明它可能是一种冲击熔融角砾岩或玻璃涂层的粘结风化角砾岩,或许是由冲击产生的焊接、胶结和粘结月球风化岩和角砾岩形成的复杂结构。

图|玉兔二号在穿越路线上遇到的陨石坑(来源:Science Robotics)

但是,由于靠近可能发生的机动故障,玉兔二号放弃了进一步勘探,因为沿着陡峭的火山口壁向下行驶,可能会因为车轮打滑而失控,即使能成功进入陨石坑,离开陨石坑也非常困难,在车轮严重打滑的情况下进行攀爬,很容易导致车轮严重下陷,导致彻底无法行走,尤其是在柔软且可变形的月球表面上行进时。

针对这个问题,研究人员表示未来核心工作之一,是在车轮-地面相互作用过程中,对具有复杂特性(如凝固或流态化)基底的运动基本原理进行建模,这依赖于“机器人物理学”的进一步研究和系统测试。基于动态颗粒入侵模型的新理论和基于机器人物理分析开发的月球漫游者及非常规步态策略有望解决这些难题。

从周边环境来看,月兔二号着陆点没有表面巨石,但陨石坑很多,在 50 米行进范围内可以定量地观测到 88 个撞击坑,直径从 4.68 米到 61.83 米不等,其中,约 60% 以上的陨石坑直径小于 10 米,直径大于 20 米的陨石坑十分罕见。从更详细的全景立体图像中,可以测量到距离月球车 10 米范围内的 20 个陨石坑,深度均小于 0.6 米。

这些陨石坑具有广泛的形态,主要可分为三类:第一类是严重退化的陨石坑,还有两类是均匀分布或一侧倾斜分布。高分辨率观测表明,一些时间比较近的陨石坑几乎全部朝向西北方向,因此,推断它们来自同一组影响事件。在嫦娥四号任务中,几乎没有观察到被风化层掩埋的相对较大的岩石,但随处可见一些小型岩石。

图|玉兔二号在穿越路线上遇到的岩石(来源:Science Robotics)

玉兔二号测量到的一种尺寸超过 20 厘米的独特岩石被称为橄榄石苏长岩,分析其光谱图(矿物成分与风化层相似)及其细到中等粒度的纹理,可能是相对较快的结晶作用的结果,或起源于撞击熔融池。

玉兔二号着陆场的地下结构主要由低损耗、高孔隙、粒状材料组成,并带有各种大小的嵌岩,根据浅层表土和深层地质层中的双通道 LPR 数据揭示,研究人员分析得出在月球 328 米深处至少可以检测到 5 个地层,其中 38 米至 52 米之间可能存在均匀的基底层,随后是来自不同月球地质时期的更多基底层。

在未来的探月任务中,通过大深度钻孔和接触测量进行的现场取样有望加速月球外部环境中地层学研究的进展。

图|玉兔二号月球车离开嫦娥四号着陆器

下一代玉兔月球车值得期待

研究人员表示,从玉兔二号反馈回来的数据来看,明确揭示了月球近侧和远侧土壤性质的差异,这补充了人类对月球的理解。

尽管通过玉兔二号的探索可以对有趣的土壤粘聚力现象进行区域性分析,但仍需对月球表土的化学成分和物理性质进行深入研究,以便进行进一步分析,充分利用月球车的能力,预计将有更多重要发现。

深入了解月球远侧表面特性的意义重大,未来的月球探测器需要更强大的运动能力、更高的智能和先进的科学有效载荷。例如,腿机器人、混合轮腿机器人或栓系漫游车可以考虑用于未来的月球陨石坑或洞穴探测。

此外,为了应对环境的未知性质,有必要开发更先进的物理智能(理解场景,超越纯粹的几何认知),让月球车有效地选择和瞄准感兴趣的目标,在自主范式中进行一些探索,并增强自主情境实验能力,通过更积极的探测策略进行保障性或稳定性探索评估。

在科学有效载荷方面,现场采样和化学、物理和生物分析的各种有效载荷可与强大的执行器和先进数据处理子系统一起使用,以突破内容、深度和效率限制,满足日益增长的综合调查要求。

研究人员展望,多学科知识有望结合起来,对月球车进行全面改进,以便在未来的自主探索中发现对月球的全新见解。

参考文献:
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj6660

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