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文 | 學術頭條，作者 | 庫珀，編審 | 寇建超
迄今為止，許多載人和未載人航天任務都曾對月球近側半球進行了勘察，但對月球遠端仍然知之甚少，月球遠側，也就是通俗了解中的月之背面，總是充滿神秘色彩。
探測月球遠側具有更大挑戰性，因為在惡劣的地外環境和更遠的通信距離下，需要月球漫遊車進行有效的局部運動，以探索具有科學意義的月球地質特征。
2019 年 1 月 3 日，中國探月工程的嫦娥四号着陸器、“玉兔二号”月球車，成功在月球背面的南極-艾特肯盆地馮·卡門撞擊坑軟着陸，一舉創下了多個“第一”“首次”。比如：這是世界首次實作月球背面軟着陸和巡視勘察，同時也是首次在月球的高緯度極地區域着陸，也是首次月背與地球的中繼通信，在 2019 年 12 月，玉兔二号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、藍色為低地區，紫圈和灰圈分别為盆地的内、外壁範圍（來源：維基百科）
“玉兔二号”月球車所探測的區域，是太陽系中已知最大的撞擊坑之一，被公認為是月球上最大、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，而生存能力超強的“玉兔二号”也不辱使命，傳回了關于月球遠側風化層、隕石坑和岩石的十分豐富的資訊。
1 月 20 日，發表在權威科學期刊 Science Robotics 上的最新封面文章對“玉兔二号”月球車探測到的相關資訊進行了分析報告，暗示了月球遠側和近側表面地質的顯著差異，這些經驗可能将大大提高對月球遠側的了解，也對月球車的改進提出參考建議。
論文的主要研究人員來自哈爾濱工業大學機器人與系統國家重點實驗室、北京航天控制中心、航空航天飛行動力學科學技術重點實驗室、中國科學院航空航天資訊研究所遙感科學國家重點實驗室等。
新的探月篇章
在過去的幾十年裡，利用軌道飛行器或漫遊者探測器進行的行星探索一直在超越科學和技術的邊界，月球作為離地球最近的天體，具有潛在的可開發化學和礦物學資源，成為人類太空探測任務最重要的目的地之一。
美國阿波羅登月計劃曾将月球探測工作推向第一波高潮，自此之後先後有 20 個成功的登月者和探測器在月球的近端着陸。而玉兔二号的月球遠端探測，無疑又拉開了一個新的探月序幕。
圖｜着陸器和玉兔二号月球車（來源：Science Robotics）
“玉兔二号”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器人，在轉彎輪上配有四個轉向馬達，最大速度能力為 200米/小時，它可以爬上 20° 的斜坡，跨越高達 20厘米的障礙物，搭載了 4 個科學有效載荷以擷取高分辨率圖像和高精度資料，包括全景相機（Pancam）、可見和近紅外圖像光譜儀（VNIS）、探月雷達（LPR）和先進的小型中性粒子分析儀（ASAN）。
高可靠性的移動系統使玉兔二号能夠在設計的 3 個月壽命之外生存，在頭 2 年結束時其探測距離擴大到了 600.55 米，獲得了更豐富的科學見解，而截至目前，玉兔二号月球車已經行駛超過 1000 米。
在最初的兩年探索中，大約 16.46 千兆位元組的科學資料被傳回傳輸和分析，進而填補了月球背面地質知識的空白，加深了人們對月球形成和演化的了解。
研究人員展示了“玉兔二号”月球車收集的機車資料和圖像，這些資料和圖像重點揭示了月球背面的獨特特征，還介紹了車輪滑動和下沉的結果，以及使用車輪-地形互相作用模型對月球表土特性的分析。
通過對玉兔二号在隕石坑、岩石和地層中進行的科學研究進行全面回顧，更強大的探測車、科學有效載荷和複雜輪-地互相作用機制的理論難題被揭示出來，可能是未來開發月球探測機器人所必需了解的。
月球最大撞擊坑裡的情況
玉兔二号的行動主要由地面遙操作生成的上傳指令來控制，當然，它也可以在相對平坦的地形上以自主模式工作，使用其雷射探測或避險攝像頭（Hazcam）規劃可穿越的路線。
月球表土的實體性質強烈影響着玉兔二号的橫向軌迹、車輪滑動和下沉，進而可用于推斷切向和法向的地形特性。資料顯示，玉兔二号經曆了相對較小的車輪打滑和打滑，滑移率範圍為 −0.15 至 0.15，在沒有精确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｜玉兔二号的路徑和在月球背面的行進滑動（來源：Science Robotics）
玉兔二号留下的車輪痕迹提供了複雜移動期間所經曆的車輪滑移率的線索，通過提取痕迹單元，使用滑移率估計模型，能對基于清晰完整痕迹的細粒滑移率進行估計。
而基于此，對比嫦娥三号任務期間所獲得的相關資料，又能推斷出更多月壤實體性質。
圖｜與第一代玉兔号（B）相比，玉兔二号（A）的車輪土壤粘性現象不同（來源：Science Robotics）
研究人員對比分析，在嫦娥三号任務期間，玉兔号輪上的粘性細顆粒很可能是由于靜電粘附造成的，但在嫦娥四号任務期間，玉兔二号輪上的大塊月壤是不尋常的，車輪表面有 46% 以上被覆寫，這遠大于當時玉兔号車輪上的覆寫率（約 2%）。
是以，可以合理假設，在嫦娥四号着陸場，土壤的更大粘性是區域性的，而不是局部性的，且該區域月面風化層内聚力的增加可能是由于月面風化層中凝集物的百分比較高。
盡管玉兔二号沒有配備特定的土壤參數識别儀器，但可根據車輪—地形互相作用識别土壤的一些參數，關于月球表土特性，可根據車輪下沉量推斷着陸場周圍表土的正常承載特性。
根據牽引輪的地形力學模型和車輪-地形互相作用參數，研究人員預測了反映不同下沉條件下表土承載特性參數的曲線，基于此分析得出，玉兔二号着陸點的表土比阿波羅任務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幹砂和砂壤土。
圖｜土壤參數識别（來源：Science Robotics）
意想不到的物質發現
玉兔二号在月球背面對月球岩石、土壤、撞擊坑和從月球表面發射的高能中性原子進行了原位研究，任務的大部分主要科學目标已經完成，包括：
（1）月球表面的低頻天文研究；
（2）月球背面流動區域的淺層結構調查；
（3）月球背面流動區域的地形和礦物成分調查。
這些結果為後續的深入研究奠定了基礎。
在為期 2 年的冒險活動期間，玉兔二号還在一個 2 米深的隕石坑邊緣發現了一種意想不到的高反射率凝膠狀物質。經過兩次艱苦的接近嘗試後，觀察到了深綠色、閃閃發光的物質，顯示出其與周圍表土塊不同的形狀、顔色和紋理。該材料的外觀類似于阿波羅 15 号和 17 号任務中獲得的月球樣本 15466 和 70019，表明它可能是一種沖擊熔融角礫岩或玻璃塗層的粘結風化角礫岩，或許是由沖擊産生的焊接、膠結和粘結月球風化岩和角礫岩形成的複雜結構。
圖｜玉兔二号在穿越路線上遇到的隕石坑（來源：Science Robotics）
但是，由于靠近可能發生的機動故障，玉兔二号放棄了進一步勘探，因為沿着陡峭的火山口壁向下行駛，可能會因為車輪打滑而失控，即使能成功進入隕石坑，離開隕石坑也非常困難，在車輪嚴重打滑的情況下進行攀爬，很容易導緻車輪嚴重下陷，導緻徹底無法行走，尤其是在柔軟且可變形的月球表面上行進時。
針對這個問題，研究人員表示未來核心工作之一，是在車輪-地面互相作用過程中，對具有複雜特性（如凝固或流态化）基底的運動基本原理進行模組化，這依賴于“機器人實體學”的進一步研究和系統測試。基于動态顆粒入侵模型的新理論和基于機器人實體分析開發的月球漫遊者及非正常步态政策有望解決這些難題。
從周邊環境來看，月兔二号着陸點沒有表面巨石，但隕石坑很多，在 50 米行進範圍内可以定量地觀測到 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。從更詳細的全景立體圖像中，可以測量到距離月球車 10 米範圍内的 20 個隕石坑，深度均小于 0.6 米。
這些隕石坑具有廣泛的形态，主要可分為三類：第一類是嚴重退化的隕石坑，還有兩類是均勻分布或一側傾斜分布。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，是以，推斷它們來自同一組影響事件。在嫦娥四号任務中，幾乎沒有觀察到被風化層掩埋的相對較大的岩石，但随處可見一些小型岩石。
圖｜玉兔二号在穿越路線上遇到的岩石（來源：Science Robotics）
玉兔二号測量到的一種尺寸超過 20 厘米的獨特岩石被稱為橄榄石蘇長岩，分析其光譜圖（礦物成分與風化層相似）及其細到中等粒度的紋理，可能是相對較快的結晶作用的結果，或起源于撞擊熔融池。
玉兔二号着陸場的地下結構主要由低損耗、高孔隙、粒狀材料組成，并帶有各種大小的嵌岩，根據淺層表土和深層地質層中的雙通道 LPR 資料揭示，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，随後是來自不同月球地質時期的更多基底層。
在未來的探月任務中，通過大深度鑽孔和接觸測量進行的現場取樣有望加速月球外部環境中地層學研究的進展。
圖｜玉兔二号月球車離開嫦娥四号着陸器
下一代玉兔月球車值得期待
研究人員表示，從玉兔二号回報回來的資料來看，明确揭示了月球近側和遠側土壤性質的差異，這補充了人類對月球的了解。
盡管通過玉兔二号的探索可以對有趣的土壤粘聚力現象進行區域性分析，但仍需對月球表土的化學成分和實體性質進行深入研究，以便進行進一步分析，充分利用月球車的能力，預計将有更多重要發現。
深入了解月球遠側表面特性的意義重大，未來的月球探測器需要更強大的運動能力、更高的智能和先進的科學有效載荷。例如，腿機器人、混合輪腿機器人或栓系漫遊車可以考慮用于未來的月球隕石坑或洞穴探測。
此外，為了應對環境的未知性質，有必要開發更先進的實體智能（了解場景，超越純粹的幾何認知），讓月球車有效地選擇和瞄準感興趣的目标，在自主範式中進行一些探索，并增強自主情境實驗能力，通過更積極的探測政策進行保障性或穩定性探索評估。
在科學有效載荷方面，現場采樣和化學、實體和生物分析的各種有效載荷可與強大的執行器和先進資料處理子系統一起使用，以突破内容、深度和效率限制，滿足日益增長的綜合調查要求。
研究人員展望，多學科知識有望結合起來，對月球車進行全面改進，以便在未來的自主探索中發現對月球的全新見解。
參考文獻：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj6660