月球上的第一道车辙,为什么由地球上的五个人留下?

太空史上的今天——1970年11月10日,莫斯科时间17时44分(北京时间22时44分),苏联「月球17号」(Luna 17)探测器由质子-K运载火箭从拜科努尔81号发射位升空,携带「月球车1号」(Lunokhod 1)飞向月球。七天后的11月17日,这台八轮机器人驶下着陆器坡道,在雨海留下人类首道由遥控车留下的地外车辙。

月球车1号没有驾驶舱,驾驶席却并未空缺:地球上的五人小组看着回传图像、判读地形、发出短促指令,隔着地月之间的信号延迟,慢慢把车开进一片从未涉足的月面。

这不只是又一个世界第一。月球车1号让无人探测器第一次把仪器带离着陆点,使无人探测从「到达一点」变成「考察一片」。46年后的同一天,北京时间2016年11月10日,中国发射脉冲星试验卫星,探索借助遥远脉冲星信号辅助航天器定位的路径。一个要解决月面「怎么走」,一个试着回答深空「我在哪里」;它们都指向同一个难题:目标越来越远时,机器怎样少等一点来自地球的指令。

●从「落上去」到「走出去」

11月10日是月球17号的发射日,并不是月球车落月的日子。美国宇航局的任务年表显示,探测器于11月17日世界时3时46分50秒(莫斯科时间6时46分,北京时间11时46分)抵达月球,在雨海成功着陆,并于当日世界时6时28分(北京时间14时28分)部署月球车1号;它由此成为首辆在地球以外天体表面展开探测的机器人月球车。

彼时,人类已经登上过月球,但无论宇航员还是固定着陆器,能够直接考察的范围都十分有限。月球车的意义,就在于把观测和测量的能力带过地平线。

▲月球车1号的主体是一座带盖板的密封仪器舱,依靠八个独立驱动轮移动,搭载电视摄像机、X射线荧光光谱仪、贯入仪和激光反射器等设备。它是一台车,也是一座能在月面换地点工作的实验室。

原定寿命只有90天的月球车1号,最终工作了322个地球日,行驶10.54公里,传回逾两万幅电视图像和206幅高分辨率全景图;它还完成了25次月壤成分分析,并在约500处进行土壤贯入测量。

对今天的火星车而言,这些数字或许已不显惊人;但在1970年,能让一台无人设备在另一个天体上稳定行驶、持续传回科学数据,本身就是一次工程上的越界。

●方向盘为什么留在地球上?

「遥控」听起来很轻松,实际却接近一场慢动作驾驶。月球车1号由地面两班各五人的操作小组轮流控制,岗位涵盖指挥、驾驶、导航、天线和系统。地面小组必须面对最短约4.1秒的操控延迟:其中电波往返地月约2.6秒,其余则是按动操纵杆等所需的时间。

▲这段由苏联制作的月球车1号模拟影像,从驶下着陆器,到探测月表的过程。

这意味着,操作员无法像开遥控车那样看见障碍就立刻转向。他们必须先等图像回来,辨认前方的石块、坡度和轮迹,再给出一小段动作指令,随后等待新的画面确认结果。每一次转弯,都像跨越地月距离完成的一次协作:月面车辆只走几米,地球上的人却要用耐心把每一步接起来。

这套方式离今天的自主导航很远,却已经清楚地提出了行星探测的基本命题:移动不是给机器装上轮子就够了。你还得让它看得见、听得懂、熬得过月夜,并在通信迟滞和未知地形之间,始终保住下一步。

●同一天,中国试验另一种「找路」的方式

北京时间2016年11月10日7时42分,中国在酒泉卫星发射中心用长征十一号运载火箭发射脉冲星试验卫星XPNAV-1▲。按国家航天局公布的任务说明,它的首要目标是验证星载脉冲星探测器的性能指标和空间环境适应性,积累在轨实测脉冲星数据;中国空间技术研究院将其称为世界首颗专用脉冲星导航试验卫星。

用于这项试验的脉冲星,通常是高速旋转的中子星,能发出极有规律的脉冲信号。对于航天器而言,它们有望成为远在太阳系深处也可利用的天然「灯塔」。XPNAV-1本身并非一项在深空实际使用的自主导航任务,而是一项关键技术验证:先确认能否在轨稳定观测这些微弱信号,再谈把它们用于定位与导航。

它与月球车1号没有直接的技术传承,也无需强行放进同一条技术路线。但把这两个同日事件放在一起,能看出航天探索绕不开的两类问题:走到陌生地表之后,前方是什么;离开地球越来越远之后,自己又在何处。

中国的月面巡视则由「玉兔号」给出了更直观的回答。2013年12月14日21时11分,嫦娥三号着陆器在虹湾以东软着陆;15日4时35分,「玉兔号」巡视器驶抵月面。中国由此首次实现月面软着陆和巡视勘察。2019年1月3日,嫦娥四号与「玉兔二号」在月球背面展开巡视探测。着陆点、载荷和通信条件各不相同,但任务逻辑一以贯之:让科学仪器离开着陆器,去回答更多地点的问题。

●第一辆月球车,留下的不只是纪录

月球车1号最重要的遗产,并不只在「第一辆」的名号,而在于它把机动变成了行星探测的一项基本能力。固定着陆器能看清一个点,巡视器则能在多个点之间作出选择;而每向前多走一米,背后都要依赖感知、通信、能源、热控、路径规划和故障处置的协同。

今天的巡视器比月球车1号更智能、更长寿,也能在更复杂的通信架构下工作。但它们依然面对同样的底层约束:异星表面不会为探测器准备道路,地球也无法时时替它握住方向盘。

▲雨海上的那道车辙并不长,却改变了人类探测其他天体的方式。从那以后,一次成功着陆不再只是抵达某个坐标,而是有机会从那个坐标出发,走进更广阔的未知。

主要信源:美国宇航局科学网站《月球任务年表》;阿西夫·西迪基(Asif A. Siddiqi)《Deep Space Chronicle》(NASA SP-2002-4524,2002年6月)及修订本《Beyond Earth》(2018年);美国国家科学院空间研究委员会《A Scientific Rationale for Mobility in Planetary Environments》(1999年)第3章;国家航天局/新华社:长征十一号成功发射脉冲星试验卫星(2016年11月10日);中国空间技术研究院关于XPNAV-1的任务介绍(2016年);国家航天局:嫦娥三号着陆器与巡视器分离,「玉兔号」顺利抵达月面(2013年12月15日);国家航天局:嫦娥四号月球车命名「玉兔二号」(2019年1月3日)。延伸阅读:50年前的今天,1971年7月31日,阿波罗15号宇航员首次驾驶月球车(LRV),累计行驶时间3小时,总行驶里程27.8公里。这款轻型折叠电动车仅重210公斤,最高时速13公里/小时,最大续航里程92公里。由波音、通用汽车制造,4辆造价3800万美元。探月登月为啥瞄上月球南极?蓝色幽灵降临14天,打破商业探月魔咒