像袋鼠一樣蹦跳的月球探測器

2018-02-27 05:05遲惑

太空探索 2018年2期

文/ 遲惑

說起月球車，人們第一個想到的就是裝著4個輪子或者6個輪子，頂著一根光電桅桿，在月球表面慢慢爬行的無人車。如果看到一個方盒子在月球上一蹦一蹦的，很多人或許會說“這是什么鬼？！”

來自阿波羅和袋鼠的創(chuàng)意

其實，在月球上蹦跳是個腦洞與實踐相結(jié)合的創(chuàng)意。早在1967年，美國科學(xué)家凱普蘭和瑟菲特就設(shè)想了一種奇異的月球探測器“月球跳躍者”（Lunar Leaper）。它是兩個球體，一個球體是駕駛艙，一個是設(shè)備艙。兩球之間夾著一根長長的桿子，靠球體和桿子之間的相對運動來蹦跳著前進。當時，這個想法完全沒有進入人們的視野，因為阿波羅工程正在緊鑼密鼓地進行著。而當1969年人類第一次踏上月球，航天員們自己發(fā)明了月球徒步法——像袋鼠一樣蹦著走。之所以殊途同歸，是因為月球上的重力只有地球的六分之一，而且?guī)缀鯖]有大氣可言。蹦跳著前進既省力又方便。

多數(shù)人看到航天員們在月球上蹦跳，只是新奇一下就放過了，但澳大利亞科學(xué)家們卻產(chǎn)生了新的想法。就算他們想不到，全澳有3600萬只袋鼠肆無忌憚地蹦跳在市郊、鄉(xiāng)村，還經(jīng)常蹦跳著穿過高速公路，時刻提醒他們：用蹦的行不行？

于是，澳大利亞昆士蘭州理工大學(xué)的科學(xué)家們設(shè)想了一種叫做LunaRoo的探月機器人，它的工作原理很容易理解，就是用一根彈簧推動著探測器、帶著相機，在月球上蹦跳。LunaRoo這個詞匯也和袋鼠的英語kangaroo的構(gòu)詞法近似，我們可以把它叫做“月球袋鼠”。然而還要強調(diào)的一點是，kangaroo在澳大利亞土著人的語言中是“我不知道”的意思，那么LunaRoo會知道些什么呢？

▲ “月球袋鼠”在月球表面蹦跳的藝術(shù)想像圖

為什么要蹦

輪式月球車已經(jīng)有很長的歷史。無論是在早期的無人任務(wù)中，還是在阿波羅探月期間，抑或是90年代以來的新一輪探月熱潮中，輪式月球車都是主力探測器。中國也部署了“玉兔”月球車，在很長時間里都是網(wǎng)紅。那么，探測器為什么要蹦跳？

▲ 蹦跳機構(gòu)試驗

首先是站得高就能看得遠。由于火箭運力的限制，能送上月球的月球車體積都不會太大，因此光電桅桿的高度也是有限的。這就限制了輪式月球車的視野。如果能把相機送上更高的高度，就可以觀測到更加廣闊的范圍。這樣的拍攝往往是環(huán)月探測器的視野和視角所無法替代的。根據(jù)計算，在月球上，從1米高度觀察，可以看到1.8千米遠。而從20米高度觀察，可以看到8.2千米遠。

其次是越障能力強。一般來說，輪式車很難越過比自己輪子更高的垂直障礙物。對于電機功率有限的輪式月球車來說就更是如此，因此無人的輪式月球車需要植入避障算法，遇到大一點的巖石就要繞著走。而對于蹦跳機器人來說，只要彈跳能力夠強，跳過比自己高幾倍的障礙物不是什么問題。況且月球上重力比較小，跳高成績會比地球上好很多。

按照設(shè)想，“月球袋鼠”并不是單獨執(zhí)行任務(wù)的，它要和固定式探測器、輪式月球車相配合，一起從地球發(fā)射，然后一起降落在預(yù)定地點?！霸虑虼蟆钡捏w積和功率限制了它的通信能力，因此它拍攝的圖像要通過固定式月球探測器中轉(zhuǎn)才能發(fā)揮地球。當然，“月球袋鼠”也可以為輪式月球車起到很大作用。我們在前面說到，輪式月球車遇到大一點的障礙物就必須繞著走。但是障礙物后面有什么？是不是有懸崖、陡坡或者其他的危險地形？有沒有環(huán)月探測器沒能拍清楚的障礙物？“月球袋鼠”可以先蹦上半空，為這些問題提供給解答，也為輪式月球車規(guī)劃路線提供參考，擴大后者的活動范圍。當輪式月球車越走越遠，“月球袋鼠”也可以一躍而起，在固定式探測器、輪式月球車之間中轉(zhuǎn)信息。

一條腿的“月球袋鼠”

袋鼠是四條腿的動物，前腿弱、后腿強，還有一條強壯的尾巴來作為平衡。但是人類目前還沒有制造出能夠完全模仿袋鼠運動的機器人，而且對于“月球袋鼠”的發(fā)起者來說，也沒有那么多經(jīng)費去搞這樣復(fù)雜、這樣大的機器人，于是他們提出的“月球袋鼠”只有1U立方星大小，適合于搭載發(fā)射。

▲ 圖像拼合算法

這個方塊形“月球袋鼠”的質(zhì)量只有1.3千克，但是可以在月球上達到20米的蹦跳高度！它的有效載荷是裝在頂部的兩臺相機。而用來蹦跳的腿，就只能在這個10厘米見方的小塊里占據(jù)很小的空間。所以，昆士蘭理工大學(xué)的發(fā)明家們只給它設(shè)計了一條腿。嚴格來說，這條腿是一個伸縮機構(gòu)，下面有一個方型的抓地板。伸縮機構(gòu)以彈簧為動力，釋放彈簧，“月球袋鼠”就跳躍起來。作為一個創(chuàng)新型號，如果“月球袋鼠”能夠得到飛往月球的機會，只要蹦跳一次就算任務(wù)成功。不過團隊還是希望能夠做到更多。按照設(shè)計，發(fā)射時彈簧是壓縮起來的，這樣至少可以保證第一次釋放的成功。當?shù)谝淮伪奶Y(jié)束后，將由一臺大扭矩電機帶動一個絲杠機構(gòu)，再次壓縮彈簧，為下一次蹦跳做準備。

這樣的機構(gòu)，能放進一個立方星嗎？月球表面的重力加速度是1.622米每二次方秒，按照1.33千克的質(zhì)量計算，如果要讓它跳躍到20米高度，初速度需要達到8米每秒。那么就需要在彈簧力儲存43焦耳的能量，根據(jù)所選擇的彈簧，需要用1702牛頓的力量壓縮?？紤]到絲杠系統(tǒng)的作用，這個數(shù)字還是可以達到的。

為了滿足強度需求，“月球袋鼠”的整個結(jié)構(gòu)是用鈦合金制造的，只有少部分高強度零件采用了不銹鋼。

電機自然需要用電，月球上沒有大氣層，強烈的陽光可以直接照射在表面上。這為探測器采用太陽能發(fā)電創(chuàng)造了良好的條件。陽光照射到月球上的能量強度大約是1000瓦每平方米，假設(shè)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率是20%。那么，如果僅僅在“月球袋鼠”的上表面貼太陽電池，1平方分米的面積可以實現(xiàn)兩瓦的輸出，24小時可以發(fā)電172.8千焦，給馬達供電來壓緊彈簧是足夠的。況且，這樣的試驗項目，一天能蹦一次就算頻率很高了。

落地要站穩(wěn)

其實對于“月球袋鼠”來說，跳起來不是什么大問題，怎么落地才是麻煩。首先，本體在半空中要保持平衡，如果歪著或者倒著落地，就會摔壞設(shè)備，也無法進行下一次蹦跳了。

因此，團隊考慮在“月球袋鼠”內(nèi)部設(shè)置一些機構(gòu)，用來控制空中飛行的姿態(tài)，讓它以平穩(wěn)的方式降落在月面上。考慮到陀螺、反作用飛輪和動量輪用于衛(wèi)星姿態(tài)控制已經(jīng)是很成熟的技術(shù)，“月球袋鼠”在空中保持平衡不會是很困難的任務(wù)。

落點的地形也會影響落地姿態(tài)，落在平坦的月面上當然皆大歡喜，如果有塊石頭怎么辦？地面松軟、不平整怎么辦？團隊考慮，可以先實施一次原地蹦跳，拍攝照片。從照片中選擇一個合適的落點位置，再上緊彈簧，向那里蹦去。有關(guān)的避障算法倒是現(xiàn)成的，從無人水下潛航器那里就可以借用。

團隊還考慮到了極端的情況——“月球袋鼠”終于摔倒了。如果沒有人類干預(yù)，它自己不可能站起來。這時候，它還是可以運動的，用唯一的那一條腿橫著蹬踏月面，在月球上爬行！

拍照要清晰

說到這里，我們已經(jīng)可以發(fā)現(xiàn)，“月球袋鼠”實際上是一個低成本的小項目，研制單位沒有太多經(jīng)費可以投入。實際上，團隊僅僅是向大學(xué)申請了一筆錢。雖然昆士蘭州理工大學(xué)的校長對此很支持，學(xué)校在機器人領(lǐng)域也很有建樹，但畢竟不可能采取國家航天局那種財大氣粗的玩法。所以，團隊盡一切可能采用成熟的商業(yè)現(xiàn)貨，最好是消費級的產(chǎn)品。

至于圖像拼合算法，那更是非常成熟，衛(wèi)星遙感界早就解決了各種關(guān)鍵技術(shù)和算法，直接拿來就可以了。火星車上的一些避障算法，也可以用在“月球袋鼠”上。根據(jù)這些算法可以得到一張網(wǎng)格狀地圖，輪式月球車可以行駛的區(qū)域用藍色標注，不能去的地方標注成紅色。

▲ 蹦跳機構(gòu)樣機

▲ 三維導(dǎo)航地圖

“月球袋鼠”的拍攝工作，都是在運動中完成的。根據(jù)運動方程可以知道，在剛剛起跳和剛剛著陸的時候，運動速度是最快的。這就給拍攝和圖像處理算法帶來了一定難度——誰都知道，相機一晃就拍模糊了。不過他們還真的從消費市場找到了這種解決方案。團隊根據(jù)月球的重力加速度測算出了不同蹦跳高度下的運動方程，發(fā)現(xiàn)市售的運動相機完全可以滿足拍攝需求，于是就找來這么一個設(shè)備裝進了樣機里。

蹦跳著照相也帶來了另一個問題?！霸虑虼蟆敝挥?0厘米高，相機到月面的高度也就是幾個厘米。雖然月球上沒有大氣，不會持續(xù)揚塵，但是起跳和落地時激起的灰塵還是有可能污染鏡頭。如果設(shè)計一個鏡頭清潔機構(gòu)，就超過了重量限制。所以，團隊設(shè)計了一個鏡頭蓋，與彈簧聯(lián)動。釋放彈簧起跳的同時，蓋子打開，當落到地面時再蓋上。只要機械加工精度有保證，這樣的機構(gòu)可靠性是有保證的。