在月球上行驶的第一辆汽车 Lunar Roving Vehicle 的故事

月球漫游车, 即“月球车计划”的四轮电动漫游车, 由波音担任主承包商, 通用汽车旗下子公司德尔科电子提供动力系统支持, 仅用17个月便完成研发, 随阿波罗15号任务于1971年7月31日登上月球表面, 是一款电池驱动的车辆. 这款车空载质量为210 kg, 续航里程92 km, 代表了电动汽车历史上最不寻常的里程碑: 它是在地球上没有任何道路、充满极端温差和磨损性粉尘的表面上运行的第一款也是迄今为止唯一一款专门批量定制用途的电动载具.

为什么要送一辆电动车去月球?

这个问题应该反过来问: 月球上还有其他选择吗? 月球的大气层薄到几乎可以忽略不计, 因此外燃内燃机既需要携带燃料又需要携带氧气; 这会彻底摧毁质量预算. 而电力驱动仅受所携带能量的限制, 活动部件少, 并且在接近真空的环境中不会产生任何排气问题. 因此, 月球车采用电力驱动并非出于环保考虑, 而是纯粹工程上的必然选择.

这一选择在历史上也有深厚根源. 19 世纪末,约百分之四十的汽车是电动的; 这些安静、无异味且无需手摇曲柄的车辆在城市使用中明显领先于燃油车. 月球车的概念甚至先于文学作品出现之前就已诞生: 1959年, 格奥尔格·冯·蒂森豪森设计了一款非充气式弹性车轮、四轮驱动的月球漫游车概念. 因此, LRV并非诞生于电驱动技术的衰落时期, 而是恰恰诞生于这项技术与最极端需求相遇的时刻.

17个月造出月球车: 波音与通力的合作

NASA的正式批准于1969年5月下达; 招标公告则于1969年7月11日, 即阿波罗11号着陆前几日发布. 波音、本迪克斯、格鲁曼和克莱斯勒提交了投标, 1969年10月28日波音被选为主承包商. 首份合同采用成本加激励奖励模式, 金额为1900万美元, 首次交付日期定为1971年4月1日. 由于材料成本上涨和设计变更, 最终成本升至3800万美元; 按今天的价值约合3.02亿美元. 这一超支引发了批评, 但该数字与NASA最初的预估相近.

分工十分明确: 波音负责电子和导航系统; 通用汽车位于圣巴巴拉的防务研究实验室则开发了由车轮、电机和悬挂组成的行驶系统. 塞缪尔·罗马诺和费伦茨·帕夫利奇斯等人才在这个团队中工作; 帕夫利奇斯的弹性钢丝网车轮设计获得了NASA的特别嘉奖. Saverio Morea 担任项目经理. 其成果成为汽车工程与航空工程以如此速度协同合作的罕见典范之一: 从概念到月球表面仅用 17 个月,而且具备无需重大故障即可完成全部任务的可靠性.

共制造了四辆飞行车. 其中三辆前往月球,第四辆在 Apollo 18 计划取消后进入备件库. 除此之外,还制造了静态模型、工程模型、两台 1/6 重力模型、1-g 训练器、质量模型、振动测试装置和鉴定测试装置. 低重力测试通过 KC-135A 飞机的抛物线飞行进行; 这些测试还表明,为限制灰尘污染,车轮挡泥板是必不可少的.

技术规格: 每轮一电机

LRV的驱动架构是当今现代电动汽车中"每轮一电机"方案的最纯粹形态. 四个车轮各配备一台功率为 0.25 hp (190 W)、转速 10,000 rpm 的串励有刷直流电机; 每台电机通过 80:1 的谐波齿轮驱动车轮. 若某台电机发生故障,可拔出插销,使车轮进入自由旋转状态; 也就是说,单一故障不会使车辆无法行驶. 转向系统在前部和后部分别使用独立的 0.1 hp (75 W) 直流电机; 采用 Ackermann 几何结构,转弯半径最小可达 3 米.

能量来自 Eagle-Picher 生产的两组 36 伏银锌一次电池; 每组容量为 121 安秒,总续航里程定义为 92 公里. 这些电池不可充电,但这不是缺陷,而是设计决策: 车辆不会从月球返回,因此选择了单次使用、可靠且具有高能量密度的化学电池,而非充电基础设施. 前端设有独立的 36 伏接口,用于通信中继单元和电视摄像机.

月球环境最严苛的条件之一是热管理. LRV 没有主动冷却系统; 取而代之的是采用相变蜡热电容组和朝上的反射辐射面进行被动冷却. 行驶过程中散热器由防尘罩遮盖,停车时宇航员用手刷清理灰尘. 这一简单而有纪律的解决方案,使电子设备在月球白昼灼热的温度下保持运行.

针对月球环境的车架与车轮设计

底盘由 2219 铝合金管材制成,是一个中部铰接的三段式可折叠车体. 可折叠并非偶然,而是携带的必然要求: 车辆被折叠后放置在登月舱的 Quadrant 1 隔舱中. 宇航员登上月面后,通过一套绳索和带制动滑轮的系统,以基本自动化的流程展开车辆并将其放至地面. 满载状态下离地高度仅有 36 厘米; 较低的重心降低了在崎岖地形上翻车的风险;

轮胎问题在月球上不存在传统意义上的困扰: 轮胎无法充气,橡胶也无法承受极端温差. 解决方案是由 0.033 英寸钢丝编织、镀锌的金属丝网车轮; 覆盖接触面一半的钛制人字形花纹提供抓地力,而直径 25.5 英寸的钛制挡泥板则保护车体免受撞击. 控制系统被简化为一根 T 形操纵杆: 向前推是油门,左右移动是转向,向后拉是刹车,推到最末端则是驻车制动.

任务任务数据与月球纪录

三辆车总计平均各无故障行驶了约 30 公里. 导航由方向陀螺仪、车轮里程计和一台计算机组合实现; 由于在月球上太阳在天空中的移动速度约为每小时半度,宇航员在需要时还能借助简单的太阳-阴影装置进行手动定向. 根据安全预案,如果漫游车发生故障,乘员必须能够步行返回登月舱; 这一步行限制在已验证的可靠性基础上,在阿波罗 17 号最长的一次行驶中被放宽.

尽管设计最高时速为 10 公里/小时,阿波罗 17 号上仍达到了 18 公里/小时 的速度; 这一非官方月球速度纪录以 Eugene Cernan 的名字命名. 任务结束时,Cernan 将漫游车停放在远离Mission Control远程操控的电视摄像机的位置,以便拍摄其起飞过程,第三次尝试时升空画面被成功记录下来.

故障、修补与留在月球上的三辆车

与所有工程产品一样,LRV 也在实地条件下经受了考验. 在阿波罗 16 号任务中,John Young 在第二次月面行驶时撞到了后挡泥板延伸板; 飞溅的月尘覆盖了乘员、控制台和通信设备,电池温度和功耗随之上升. 在阿波罗 17 号任务中,Cernan 用锤子手柄碰坏挡泥板后,用胶带固定未能奏效; 乘员在第二次行驶前,利用月面地图、布基胶带和从着陆器上取下的夹子制作了一个备用挡泥板. 那些地图如今陈列在 National Air and Space Museum 中; 也就是说,一辆在月球上用胶带修好的电动车的部件,成为了太空历史博物馆的展轴.

三辆漫游车都被留在了月球上. 其原因是一个简单的物理问题: 只有登月舱上级能够进入轨道,每增加一公斤重量都意味着多消耗一份燃料. 而在地球上,测试车和训练器在多家博物馆展出: 振动测试装置位于亨茨维尔的U.S. Space & Rocket Center,1-g训练器位于约翰逊航天中心,鉴定测试装置位于国家航空航天博物馆,工程模型则位于西雅图的飞行博物馆. LRV-3在2009年和2011年的飞掠中被月球勘测轨道器重新拍摄; 2020年,华盛顿州宣布曾登月的月球车为历史地标.

LRV在电动汽车历史中的位置

LRV在电动汽车那不间断却起伏跌宕的历史时间线上,占有独特的一席之地. 19. 世纪末,电动车在城市中已是寻常景象; 1897年,伦敦甚至已开通了首个电动出租车服务. 但燃油车在续航和成本的天平上占据了上风,随着电动启动器和福特Model T的压力,电动车被推向了边缘. 整个二十世纪,这项技术靠着几次零星的尝试和GM EV1等短命项目艰难维系; 随着锂离子电池的成熟,以及2008年Tesla Roadster证明了锂离子电动跑车可以合法上路并量产,这一领域重新焕发生机.

这条时间线上,LRV给我们的启示是: 电力驱动的命运并不仅仅取决于电池化学; 当正确的任务定义与正确的任务曲线相结合时,电动汽车即使在最严苛的环境中也能展现卓越性能. 在月球上,续航被限制在92公里,也没有任何客户需要充电基础设施; 尽管如此,车辆仍然顺利完成了全部任务,没有出现重大故障. NASA如今正在开发的Lunar Terrain Vehicle项目,作为这一遗产的正式继承者,正以新一代电池延续着同样的逻辑.

结论: 月球上静候的一个里程碑

Lunar Roving Vehicle以17个月的开发周期、3800万美元的最终成本以及在三次任务中无可挑剔的实地表现,成为工程纪律所能达成目标的可量化证明. 每个车轮独立直流电机、银锌电池、金属网车轮和基于蜡的被动冷却: 这些设计没有一项是为了炫技,而是对月球所施加限制的直接回应. 今天,三辆车仍然停在月球表面上; 它们位于电动汽车历史上最遥远的地方,在太阳辐射和微陨石的侵袭下,继续着无声的耐久性考验.

参考资料

• Lunar Roving Vehicle
• The Apollo Lunar Roving Vehicle
• The Lunar Roving Vehicle - Historical Overview (S.F. Morea)
• Mobility Performance of the Lunar Roving Vehicle - NASA TR R-401
• Lunar Roving Vehicle Qualification Test Unit
• The Boeing Company wins NASA contract for lunar rover
• NASA's Lunar Rover: Everything You Need to Know