嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

9月16日,中國國家航天局與阿聯酋穆罕默德·本·拉希德航天中心簽署月球探測諒解備忘錄,意味著阿聯酋“拉希德二號”月球車將搭乘嫦娥七號任務實施月球表面巡視探測活動正式啟航,未來雙方將共享“拉希德二號”的探測成果。

嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

嫦娥7號的任務清單:發現一個非常奇特的飛行器

本來是一箇中阿合作的熱點,卻意外地披露了嫦娥7號探測任務的詳細資訊,大致如下有幾大項,大致如下:

探測器組成:

軌道器、著陸器、中國巡視器、阿聯酋巡視器、飛躍探測器、中繼星等六部分;

著陸地:月球南極,對月球極區地形地貌、物質成分、地質構造、空間環境、蘊藏資源等綜合性探測;

技術驗證:驗證ILRS關鍵工程技術,極區精細勘查、高精度定點著陸、極端環境下月面探測器壽命及可靠性驗證等。

中繼星:執行軌道為

300×8600km×54。8º,軌道週期8小時,2/3時間在月球南極上空;

觀測地球的磁場磁尾和等離子體層,測試基線達40萬千米的月地VLBI測量系統;

飛越探測器:

具備反覆起飛和著陸、月面飛行和爬行的功能,永晝區完成充電後,飛入月球南極撞擊坑底部的永夜區探測坑中水冰和揮發性物質分佈和豐度,完成後再返回到陽光下充電;

嫦娥7號是4號月面著陸器的升級版,從上文的清單中也可以看到,比4號帶的東西那是多了去了,除了中國的巡視器以外,居然還和阿聯酋合作攜帶了對方的一個巡視器,並且原本在2024年實施的計劃推遲到了2026年,表示阿聯酋石油這巨佬這錢是給足了。

嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

另一個值得一看的是中繼星,上一次是2019年的嫦娥4號在月球背面著陸,為此還專門發射了一顆中繼衛星“鵲橋”定位在了地月系L2點的光環軌道上,為月球背面的嫦娥四號與地球之間中繼了通訊。

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這次在月球南極著陸卻沒有繼續選擇在L2的光環軌道,而是在一條8小時的大橢圓軌道,這條軌道有點像地球上的莫尼亞軌道,遠月星下點位於月球南極,那麼這條軌道上執行的衛星大部分時間對南極都是可見的,而到了近月點,由於速度很高,很快就會越過近月點,繼續回到遠月點為南極通訊中繼。

嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

因此在這條軌道上中繼的通訊是會有中斷的,當然這也沒什麼大問題,一天之內有2/3時間能保持通訊已經足夠使用了。

飛越探測器:最神奇的小玩意兒

大家最關心的話題來了,嫦娥七號上除了搭載中國和阿聯酋的兩臺巡視車外,還搭載了一個飛越探測器,比較神奇的是這個飛越探測器是這樣工作的:

可以重複起飛和著陸、月面飛行和爬行的功能,永晝區完成充電後,飛入月球南極撞擊坑底執行探測任務,完成後再飛回到陽光下充電

飛越探測器具體尺寸未知,但官方給出的飛越探測器載荷“月壤水分子分析儀”的功能指標要求中重量必須小於8。5千克,而根據整個探測器比例,這個飛越探測器可能達到了上百千克。其工作過程是:

永晝區充電-飛行到陰影區工作-電量告警時在飛回來充電-再飛回去工作

問題來了,月球表面不像火星表面的“機智號”那樣可以使用螺旋槳作為動力,充電再飛行,到底是什麼技術?

嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

外媒猜測嫦娥7號飛越探測器: 究竟是何技術?

小型飛越探測器的壽命為6個月,在壽命期內電池充電怎麼也得上百次吧,假如使用火箭發動機的話,這飛來飛去耗能無數,到底用的是什麼方式?這個訊息在小藍鳥上也有很多老外關注,比如有位老外就留言表示:EmDrive?

嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

比較關注火箭以及驅動器引擎的朋友應該對這個名詞不陌生,因為它在國內有一個超級響亮的名字“無工質電磁推進引擎”,這種引擎的工作原理大致是這樣的:

嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

在一個射頻腔體內引入高功率微波,這些微波在一個錐體射頻腔內反射後會朝兩個方向射出,兩者的淨輻射力之差就是淨推力,似乎不難理解是吧,但它注入的卻是用電產生的微波,儘管電磁波具有能量,但它卻不屬於牛三定律的範圍,因為電磁波不是一種力!

嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

然而它就是詭異的產生推力了,儘管推力很微弱,但仍然在可以測量的範圍,在沒有空氣阻力的太空這種推力不可小覷,因為它特別適合在宇宙空間中飛行,原因很簡單,發射電磁波不會損耗本身,它產生推力時無需排出“工質”,也就是這臺發動機不需要搭載燃料,只要有電就行,而電源在太陽系的木星軌道範圍內,只需要幾片太陽能電池即可。

嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

幸虧它只“違反”了動量守恆定律,但卻沒有違反能量守恆!這種發動機最早是

Robert Shawyer在2001年設計的,當時沒有人相信這種發動機,幾乎就無人關注,2008年時

西安西北工業大學

(NWPU)的楊娟教授的研究團隊對這種引擎做了比較深入的研究,表示無法測得可測量的推力。

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不過2016年NASA的

高階推進物理實驗室的

Harold White

小組測試表示測到了微小的推力,同年

中國空間技術研究院

通訊衛星處陳嶽表示將在軌測試,但後來沒有更進一步的訊息。

不過

德累斯頓科技大學的

Martin Tajmar

小組於2015年開始測試原型,2021年時得出結論稱是誤報。

嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

因此到目前為止這種發動機到底有沒有推力還是個未知數,因此不太可能應用到飛越探測器上,而且EmDrive的推力是千瓦/微牛級別,根本無法推動如此大的探測器從月面起飛。

究竟是什麼發動機:霍爾電推還是化學發動機?

除了有人猜測EmDrive外,還有朋友猜測更接近現實的霍爾推進,這種驅動器的原理是用電場加速電離後的工質,獲得極高的排氣速度,從而達到很高的比衝,基本上霍爾電推可達1500s以上(離子電推可達3000s以上,但推力比較低)。

嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

比衝從另一個角度可以理解為單位質量燃料的利用率,簡單的說就是產生同樣的推力比衝高的更“省油”,而用化學燃料發動機,就算最高的氫氧機也達不到500s,假如使用霍爾電推進,確實有可能堅持那麼久,但霍爾電推的千瓦/幾十毫牛級,比EmDrive是高不少,但仍然可憐巴巴的,根本就沒發用這種推進器在月面上起飛,不過在軌航天器維持軌道還是可以的。

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最有可能的還是化學火箭發動機

化學火箭發動機是氧化劑和燃料在燃燒室做功後從噴口排出形成推力,一般多次點火的火箭發動機燃料大都用偏二甲肼而四氧化二氮,這種發動機比較容易多次點火,技術要求也比較低,可靠性更高。

嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

不過在小型探測器上配置一套化學能發動機(估計也只能上擠壓迴圈),還必須有姿控發動機,這個複雜度就高了,儘管技術上並非不能實現,只是複雜度不是一般的高,會增加整個系統故障率。

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另一個則是高壓氮氣罐,這個不容易出錯,但從理論上看,高壓氮氣罐的比衝更低,一個幾十公斤的高壓氮氣罐也用不了多久,這要在6個月壽命期內起飛降落多次難度實在太大。

嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

另外對作業過程的描述有個月面的

爬行的功能,不知道說的是向蜘蛛類的爬行還是輕輕挪動,因為從機構的來看似乎看不到履帶也沒有輪子,只有四個撐腳,而在撐腳上方似乎有行動機構,居然還真能爬,真是天才設計,只是不知道它爬行的範圍到底有多大?

嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

這個6只長腳的機構比履帶式的地形適應能力明顯要高很多,如果遭遇障礙物可以跨越,不像履帶式只能繞行,而且如果遭遇複雜地形,履帶式只能眼睜睜的看著沒法行動,而這種像帝王蟹腳這樣的機構,地形適應能力要高得多!誰說中國工程師沒有創造力,這個筆者看來就比NASA的工程師腦子好使多了。

嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

那麼基本上可以推測這個電池主要是為在陰影區探測時保溫、以及爬動和搭載的月壤水分子分析儀以及通訊等供電了,不知道電池是多大容量的,假設一次充電能供給使用一週以上,那麼在6個月週期內需要起飛降落48次以上,就算距離不遠這個能耗也是非常可觀的!

嫦娥7的天才設計:月球第一個自由飛行器

從這個角度來分析,似乎化學能火箭真的很難完成如此大量的工作能耗!不過中國的科學家已經提出了這個計劃,那麼一定是已經想到了解決辦法,只是目前還沒有公佈!如果這個飛行器成功,那麼它將成為第一個在月球自由飛行的飛行器(迄今為止,在月球的飛行器不是起飛就是降落,沒有所謂的自由飛行)!