月球车1号的传奇：人类首个外星探测车

斯伯丁

上文书讲到苏联人的月球16号终于实现了在月球上着陆，然后取样返回，尽管取样有点少，只有100克出头。不过苏联和美国还是各拿出3克月壤进行了交换，毕竟科学研究还是需要交流合作。美苏两国那时候还是有这个胸怀的。
苏联人当时对载人登月还是没有死心，难道拿不到第一名，我们就放弃载人登月吗？那前边花的那些功夫岂不是白费啦？不行，现在即便是搁置登月，也不意味着未来不会重启啊。所以，下一枚探测器月球17号的目标就定为把一辆辆月球车发送到月球表面，小车行驶范围要比固定的着陆器大多了。而且可以在月亮上转悠好几个月，不像美国人载人登月，上去3天就得打道回府。

所以，月球17号探测器本质上就是一辆月球车和携带月球车降落的底座。这两个东西结合起来起码有5.7吨重，只能用质子号运载火箭发射。月球车本身的重量达到了756公斤重。这是一个相当大的月球车。我们的玉兔号是个相当小巧的月球车，总重量只有140公斤，比当年苏联的这个月球车1号要小多了。苏联人一向是傻大黑粗不讲究。其实拉沃契金设计局在设计这辆月球车的时候还是蛮精巧的。
当时拉沃契金设计局的工程师们考虑过履带式，轮式甚至跳跃式等各种各样的方案。苏联人的坦克很不错，他们对履带车辆的设计很有经验，履带的越野能力显然非常强，但是对能量的利用率就太低了，说白了就是太费电，充一次电走不了多远。采用跳跃这种形式吧，当时的技术是达不到的。据说嫦娥7号探测器倒是可以携带一个机器狗上月球，到时候我们就可以看到机器狗在月球上乱蹦，不过这也是未来的事情。这还早着呢。
所以当时苏联工程师们只能选择轮式方案。但是你到底给这个探测器做几个轮子呢？他们分别提出了4轮6轮8轮等等不同的方案，最后他们选择了8轮方案。

首先，这个月球车主体外形像个圆型的浴缸，直径大概是2.2米。高度1.92米，体积是真不小。下边有8个轮子，一边4个，分左右两排，每个轮子都是金属笼子的结构，直径51厘米，这样可以最大限度的减轻重量。这8个轮子每个都有独立的电动机控制。只要这左右两边各有一个轮子电动机能工作，这个小车就能走。

月球车1号的第9个轮子

这个小车的轮子不带转向机构，只能靠两边轮子的差速来拐弯。这样比较省事。因为驱动轮有可能会发生打滑，也就是说轮子在转，但是车子并没有挪动。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9个轮子，这第9个轮子很小，没有驱动能力。这个轮子就是专门用来测量月球车的行驶距离和方向的。从后来拍摄的照片上看，两边两排车辙印，中间还有一行很细很细的车辙印，那就是第9个轮子留下的痕迹。

月球车1号的车辙印

为什么这个探测器要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，这个罐子里面是加了氮气的。罐子内部维持一个大气压的压力，这样的话，所有的仪器就可以保持和地面上类似的环境。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。
这个全封闭的罐子的顶上多加了一层活动顶盖，这个盖子可以打开，盖子内侧是太阳能电池板，如果到了月球的夜晚，这个盖子盖上以后还可以加厚保温层。当然有一些仪器必须装在探测器的外表，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，这就相当于月球车的眼睛。地面遥控人员必须靠这一对眼睛看到的景物来决定往哪边走。当然，苏联人还装了4台全景相机，不拍照打卡，那干啥来了呢，对吧。

角反器模型

另外，苏联从法国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，这样可就可以精确测量地月之间的距离。精确度到达了20~30厘米，对于38万公里这么长的距离，能达到这个精确度已经是很不错的成绩了。苏联从克里米亚的天文台，用一台口径2.5米的天文望远镜进行观测，获得了比较精确的数据。法国人和美国人也做了测试，但是没成功。
这个角反器只能在月球的夜晚工作。因为白天温度太高，这个角反器因为热胀冷缩会变形。你这里稍微变形一点点，反射回去的光束在38万公里的距离上产生的偏差就大了去了。望远镜就很难接收到反射回来的光子。

月球车1号的位置

这个角反射器纯粹是个光学仪器，不需要用电也不会有什么损耗。所以在多年之后的2010年，美国的月球卫星找到了早就停止工作的月球车1号，他们发现那个角反器还是闪闪发光。很容易用激光束跟踪这个月球车的位置。
苏联人还设想在月球上建立天文台。所以这个月球车1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。还带了辐射探测器和土壤贯入仪。所谓的“贯入仪”，就是拿铁棍往土里捅一捅，看看能捅到多深。
1970年11月10号，这个月球17号探测器顺利发射，也按照计划，开反推降落在了月球的表面的雨海地区。这个探测器主要就是一个底座，装了几个燃料罐和反推火箭发动机，显得扁塌塌的，顶上顶着这辆和月球车。然后底座放下两条长长的滑行坡道，这样的设计是不确定降落的地形，万一一边坡道顶着一块大石头呢？那就走另外一边呗。总之，这辆车在地面人员的遥控之下，慢慢开下了坡，来到了月球表面上。
当然了，这个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，所以无线通信是必不可少的。首先它必须有个全向天线，用这个天线可以很容易和地面建立通信联系，但缺点是通信速度太低，而且信号太弱。

定向天线和超窄波束天线

所以，月球车1号还得有一个定向天线，这个定向天线长的有点像蚊香。这个天线的方向性比较强，所以信号也就比较强，可以和地面建立快速通信。当然，探测器还有一个长得像大号弹簧的棒状天线。这个天线的波束特别窄，指向性特别强，可以完成和地面之间的高速通信。但是恰恰是因为这个天线的波束实在太窄了，要对准地球上的测控站必须非常精确，你稍微歪一点信号就收不到了。这就对地面的遥控人员提出了很高的要求。
月球上太阳出来了，那么月球车就可以开始到处溜达，月球上的黑夜，月球车就必须趴窝休息了。只要是月球车在行走，地面上就必须随时有两个人来操控这个月球车。一个负责开车，一个负责对着天线。正因为地球和月亮之间的距离太远，无线电通信有延迟，所以他们不可能像打游戏那样那么爽。他们每走一步都是小心翼翼的，必须谋划很久。天线稍微一歪就丢信号。这可不得慎重嘛。这事儿实际上是个体力活。一点都不轻松。

月球车1号的地面控制系统

月球上一个白天，相当于地球上半个月。为了不浪费宝贵的阳光，地面操控人员必须三班倒的监控月球车的行动。本来拉沃契金设计局预计这家伙能在月球上工作3个月，实际上工作了10个多月。算是远远超额完成任务了。月球车1号走的最远的一天是走了2公里。而且还经历了一次日食，地球恰好挡住了太阳，月球表面的温度从130度在三个小时之内就降到了-100度。好在月球车1号自己带了放射性热源，所以这家伙不会被冻死。
但是，放射性衰变是会不断衰减的。核材料一边衰变，一边放出热量。比如常用的钚238的半衰期是87.7年。也就是说，每过87.7年，就会用掉一半的钚。热量输出当然也就大大的降低了。好在87.7年是个足够长的时间段。
所以放射性热源选用哪种材料是有讲究的。半衰期长，那就说明衰变可以长期比较稳定的进行，热量可以稳定输出。但是，功率密度往往比较低。因为衰变发生太慢，要输出足够的热量，就需要一大坨放射性物质。这东西死老沉的。放在短期使用的航天器上不太合适。
另外，放射性衰变分三种，alpha衰变会释放出alpha射线，也就是氦的原子核，这东西容易挡住，几毫米的铅就足够挡住了。beta衰变会释放出高能电子，高能电子在撞上金属原子，或者急剧减速的时候会释放出X射线和伽马射线。这东西穿透力强，会影响别的仪器工作，必须加强屏蔽。当然，要是释放出中子，也是个麻烦事，中子会导致其他物质也变得有放射性。

二氧化钚材料用保温的石墨毯子包裹一会儿，自身释放的热量就足以把自己烧红

最常用的材料是钚238，功率密度是每克0.57瓦。辐射特别干净，几乎都是容易屏蔽的alpha射线。但是，钚238并不是一般性核反应堆的副产品，你要想获得这东西必须弄个专门的反应堆来制造。目前也只有俄国人还在造这个东西。一年的产量也不过才1.5公斤。
锶90的半衰期是28.8年，综合下来，功率密度0.46瓦/克。好处是比较便宜，这是核电站的副产品。
钋210是一种功率密度极高的材料，半衰期仅仅138天。这东西1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，而且是近乎纯粹的alpha衰变，屏蔽条件比钚238还要低。缺点就是寿命太短了，衰减太快。
镅241的半衰期达到了432年，你要是打算小功率长时间提供能量，这个东西比较合适。这东西也是核电站的副产品，屏蔽比钚238稍微厚点。功率密度只有钚238的1/4。
现在大多数都是用钚238，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，旅行者号会因为能源不足而无法正常工作。当然，伴随着放射性热源功率下降的还有热电偶的转换效率。电子元器件哪有不老化的呢，对吧。

橡树岭国家实验室

从1988年开始，美国就不再生产钚238这种材料了，他们所有深空探测器上如果需要用到这东西，就从俄罗斯买。就冲现在的俄美关系，俄国人是肯定不会卖的。所以没有办法，美国人只能重新启动了田纳西州橡树岭国家实验室的生产装置，重新生产了一点钚238。目前应该是勉强够用吧。如果不生产的话，后边那么多深空探测器就没得用了。
我们扯远了，还是扯回正题。月球车1号在月亮表面溜达了10个多月。一共332个地球日。等到放射性同位素消耗殆尽，这个探测器也就寿终正寝了。月球车1号在月面上一共行走了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，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。

月球车1号的行驶轨迹

毫无疑问，苏联人又一次取得了成功。这是人类第1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，那已经是1971年的事了。他们落在了苏联人的后边。而且美国人的有人驾驶月球车重量也只有210公斤。比苏联人的月球车1号轻多了。对了，我国载人登月要使用的月球车，现在也已经开始征名了，大家有兴趣的话可以去踊跃参加。
正因为苏联人的探测器比较大，动力也比较充足。所以才能在10个多月时间里溜达了那么远。这个探测器也变得标准化了，日后的苏联月球车，基本上都是长得差不多。
转过年来的1971年，又一个火星窗口期到来了。美国和苏联肯定也都不会放过这个窗口期。苏联会发射火星2号和3号，美国人会发射水手8号和9号。5月9号美国人先发射了水手8号，结果6分钟以后，火箭炸了，发射彻底失败了。苏联人也不顺，第二天5月10号，苏联发射了一颗探测器，结果没能离开近地轨道，最后获得的编号是宇宙419号。
苏联的手脚比较快，迅速在5月19号和28号发射了火星2号和3号探测器。美国人在5月30号发射了水手9号。这几颗探测器奔着火星就飞过去了。路上还得走6~7个月呢。

水手9号探测器

水手8号和9号是同一个型号，外观长得都一样。都是一个8边形的盒子。伸出4片太阳能电池板。外带一个1.4米长的拉杆天线和一个抛物面天线。8边型盒子的中心是发动机，进入环绕火星轨道，被火星的引力捕获，就得靠这个发动机来踩刹车才行。
在太阳能电池板的顶端，有4个小的氮气喷口，这是用来调整姿态的。航天器是通过电脑来控制，不过那个电脑的能力很差，只有512个字节的内存。不过这个东西完成一系列的指令也足够用了。
数据存储在一个磁带记录仪上。磁带总长度是168米，可以录下8个轨道。存储速度达到132kbit/s。和现在的电脑没法比，不过在当时也算是不错的配置了。起码可以存下拍摄的照片。从火星到地球的通讯速率非常的慢，只能先拍照片，然后慢慢往地球发送。
在太空飞行了167天以后。水手9号抵达火星。水手9号的引擎点火15分23秒，进行了刹车，水手9号顺利的被火星引力捕获，成为第一个被地球外行星捕获的人造天体。水手9号12小时34分钟就可以绕着火星转一圈。第二天，水手9号的引擎又开了6秒钟。轨道周期缩短到了不到12小时。
水手9号相比于以前的火星探测器是一个质的飞跃，因为以前的探测器无法实现刹车，无法长时间绕着火星转圈圈，只能一枪头买卖飞掠而过，能拍摄的照片就比较少。无法长时间的研究。现在实现环绕火星运行，那就可以好好的仔细观察一下火星了。

火星沙尘暴之上的阿斯克雷乌斯·蒙斯火山口

在经过几次轨道修正以后，水手9号准备开始对火星的拍摄工作。哪知道，这一次火星一点都不配合，传回的照片显得非常模糊。根本看不清楚火星表面的各种细节。整个画面上除了看到几座高耸的火山口，似乎也没有清晰的东西。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，既然火星不配合，那就只能傻等了。不知道这场超级沙尘暴什么呢时候才能尘埃落定。
等来等去，过了两个多月，沙尘暴这才减弱。尽管还没有完全消失，火星表面终于能看清了。水手9号马上就正式开始了拍摄工作。这一次水手9号带来的震撼远远超过了以前所有的火星探测器。有关这档子事儿，我们下回再说。