玉兔号月球车设计质量137千克 [61]，能源为太阳能，能够耐受月球表面真空、强辐射、零下180摄氏度到零上150摄氏度极限温度等极端环境。月球车具备20度爬坡、20厘米越障能力，并配备有全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发X射线谱仪等科学探测仪器。
（概述图来源：月球与行星数据发布系统 [15]）
- 中文名
- 玉兔号
- 外文名
- YuTu或Jade Rabbit
- 所属国家
- 中华人民共和国
- 总设计师
- 孙泽洲
- 发射时间
- 2013年12月2日1时30分
- 着落月球
- 2013年12月14日21时11分
- 分离时间
- 2013年12月15日4时35分
- 中文拼音
- YuTuHao
- 设计寿命
- 3个月
- 工作状态
- 于2016年7月31日 停止工作
- 研制单位
- 中国航天科技集团公司
- 发射用火箭
- 长征三号乙运载火箭
- 所属类别
- 月球无人登陆探测车
- 发射地点
- 西昌卫星发射中心
- 着陆地点
- 月面虹湾
月球车，全称为“月面巡视探测器”，是一种能够在月球表面行驶并完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务的专用车辆。
世界首台无人驾驶月球车
1970年11月17日，世界上第一台无人驾驶的月球车由前苏联发射月球17号携带的月球车1号送上月球。在月面“雨海”地区着陆后，该探测器行驶了10.5千米，进行了10个半月的科学探测，考察了8万平方米的月面，直至携带的能源耗尽，于1971年10月4日停止工作 [26]。
世界首台有人驾驶月球车
1971年7月31日，美国“阿波罗15号”登上月球“雨海”地区的第二天，宇航员斯科特和欧文进行了航天史上首次有人驾驶的月球车行驶。两名宇航员驾驶4轮月球车，在崎岖不平的月球表面行驶了27.9千米，收集了77千克月岩样品，之后返回登月舱 [26]。
嫦娥三号探测器（左为着陆器，右为玉兔号巡视器）
嫦娥三号探测器（左为着陆器，右为玉兔号巡视器）- 立项研制
1991年，中国航天专家提出开展月球探测工程 [54]。
1998年，中国国防科工委正式开始规划论证月球探测工程，并开展了先期的科技攻关 [55]。
2004年3月15日，国防科工委任命五大系统总指挥及总设计师。
2004年11月19日，绕月探测工程领导小组召开第二次会议，审议并通过工程转入初样研制阶段 [56]。
随后中国研制单位着手开展包括“嫦娥三号”探测器和“玉兔号”巡视器的研制工作。
- 命名“玉兔”
2013年9月25日，为中国首个月球探测巡视器征名活动启动。新华网、腾讯网共收到名称方案19.31万件，2013年10月26日，来自社会各界的14位评审委员分别从文化内涵、航天事业、民族特征、创意等角度进行评审，经过多轮投票，最终选出玉兔号、探索号、揽月号、钱学森号、追梦号、寻梦号、追月号、梦想号、使命号、前进号10个名称进入为期一周的网友投票 [2]。经过10天的网上投票，共计收到有效投票3445249张。其中，玉兔号得票649956张，排名第一；钱学森号得票609631张，排名第二；揽月号、寻梦号、前进号、探索号、追梦号、梦想号、追月号、使命号分别排名第三至第十 [3] [16]。
2013年11月26日，国防科技工业局举行新闻发布会，宣布“嫦娥三号”月球车正式名称为“玉兔号” [22]。在中华民族神话传说中，嫦娥怀抱玉兔奔月。玉兔善良、纯洁、敏捷的形象与月球车的构造、使命既形似又神似，反映了中国和平利用太空的立场 [22]。
玉兔号月球车结构示意图
玉兔号月球车结构示意图
嫦娥三号着陆器巡视器成功分离的画面嫦娥三号探测器由着陆器和巡视器组成，承担中国航天器首次地外天体软着陆的重任。着陆器将携带玉兔号巡视器落月，然后“玉兔”号驶离着陆器在月面进行为期约3个月的科学探测。着陆器则在着陆地点进行就位探测。嫦娥三号任务是中国航天器首次地外天体软着陆，使用了多项新研产品和技术，创新性强，技术复杂，难度极高，风险巨大。
玉兔号移动部分：采用轮式、摇臂悬架方案，具备前进、后退、原地转向、行进间转向、20度爬坡、20厘米越障能力 [19]；
导航控制：携带有相机及大量传感器，在得知周围环境、自身姿态、位置等信息后，可通过地面或车内装置，确定速度、规划路径、紧急避障、控制运动、监测安全；
热控部分：利用导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、同位素热源，可使月球车工作时舱内温度控制在+55℃～-20℃之间 [44]；
测控数传：保证月球车与地球38.4万千米的通信以及与着陆器之间的通信；
”玉兔号“模型玉兔号月球车的肩部有两片可以打开的太阳能电池帆板，其下部是六个轮状的移动装置，“玉兔号”对“车轮”要求极高。研制中，科研人员经过四轮、六轮、八轮以及履带式等几十种方案比较，最终确定为“六轮独立驱动，四轮独立转向”的方案。“玉兔号”上装有一个地月对话通讯天线；头顶的导航相机与前后方的避障相机；负责钻孔、研磨和采样的机械臂 [18]。“玉兔号”实现了全部“中国制造”，国产率达100% [28]。
玉兔号相机拍摄的嫦娥三号着陆器 [62]
玉兔号相机拍摄的嫦娥三号着陆器 [62]基本参数 | |
|---|---|
长 | 1.5米 |
宽 | 1米 |
高 | 1.1米 |
总质量 | 137千克 [61] |
性能参数 | |
爬坡 | 20度 |
越障 | 20厘米 |
可耐受温差 | 330摄氏度 [28] |
玉兔号装有2台全景相机，它们安装在玉兔号桅杆的云台上，通过云台的旋转和俯仰实现对巡视区和着陆区的全景成像。每台相机由光学镜头、电子学、机箱的组成；波段范围为可见光，成像方式为彩色成像与全色成像交替切换，正常成像距离为等于或大于3米，用于着陆区与巡视区月表光学成像，巡视区月表地形地貌研究、巡视区撞击坑调查与研究、巡视区月球地质构造解析和综合研究 [20]。
在世界上首次应用的超宽带测月雷达安装在玉兔号月球车底部，可用于在巡视路线上直接探测30米内月壤结构和测量月面以下100-200米深处的浅层月壳结构，是前人从未做过的。
测月雷达有2个探测通道，1个用于探测30米深的月球土壤层结构是否分好几层，怎么分，有没有大石头；另1个探测100~200米深月球上部的结构。雷达随月球车一边走一边测，相当于一边走一边把地下切开一刀看看里面，看看这个月球土壤有哪几层，土壤里有没有大石块或是其它什么结构 [20]。
玉兔号月球车携带的红外成像光谱仪包括可见近红外和短波红外2个谱段，能获取可见近红外到短波红外的高分辨率反射光谱及图像，用于巡视区月表红外光谱分析和成像探测任务，完成巡视区月表矿物组成和分布分析，巡视区能源和矿产资源的综合研究。
用红外谱段可以非常精细地观测光谱，判断不同的物质。在月球车行进过程中，这台光谱仪能沿着行走方向成像，并探测月球表面物质的成分 [20]。
玉兔号月球车上的粒子激发X射线谱仪安装在机械臂末端，通过机械臂投放到探测目标附近，用于巡视区月表物质主量元素含量的现场分析，识别、鉴定岩石全岩成分、月壤全岩成分和矿物成分、能源和矿产资源的综合研究。它主要是通过X射线来分析月球矿物质化学成分，当需要探测时候，就主动发出射线。
玉兔号玉兔号月球车可以依靠自主导航，选路线、上下坡、避障碍，边走边“看”-探测，并把探测到的数据自动传回地球，帮助人类直接准确地了解38万千米外的月亮。玉兔号月球车底部安装了一台测月雷达，可发射雷达波探测20~30米厚的月壤结构，还可以对月球地表下100米深的地方进行探测。有限的时间，迫使玉兔号月球车高效工作——依靠各种先进设备，对月表进行三维光学成像、红外光谱分析，开展月壤厚度和结构科学探测，对月表物质主要元素进行现场分析，等等 [4]。
着陆地点
月球上有很多地方以“海”“洋”命名。嫦娥三号探测器降落选择的虹湾区位于月球北纬43度左右、西经31度左右，南北长约100千米、东西长约300千米。月球车探测的只是虹湾区的一部分，大约5平方千米。之所以选择在虹湾区落月是出于多种综合因素的考虑，一是这里比较平坦，落月比较安全，二是尚未有人类探测过，科学价值更高，三是能实现正面直接测控通讯，四是太阳光照较好，能保证探测器的太阳能电池板正常工作 [29] [59]。
嫦娥三号着陆器上的月基天文望远镜，在近紫外波段对各种天体变源的亮度变化进行连续监测，观测到23颗星象。玉兔号月球车上的全景相机在多点对着陆器进行成像，并对巡视器周围月面进行360度环拍，获取了多幅图像数据。测月雷达获得两个通道探测数据，分别探到了月表下140米内和10米内的浅层结构。这些科学探测数据为建立巡视探测区地形地貌、地质构造，物质成分和浅层结构于一体的综合地质剖面，以及区域地球化学与构造动力学研究打下了基础 [29] [42]。
玉兔号月球探测车在C1陨石坑周边进行了114米的地质实测，取得了丰富而珍贵的月球地质资料 [6]。众多科学家根据这些资料工作的成果，发表在了世界顶级科学期刊《科学》（Science）上 [6] [30]。由“玉兔”车携带的测月雷达探测到的数据显示，嫦娥三号着陆区表面下至少分为9层结构，这表明在那里曾有多个地质学过程发生，对于探索月球的岩浆演化历史和后期改造作用具有非常重要的意义 [7]。中国嫦娥探月工程实施以来，首次在国际顶级学术期刊上发表科学成果 [7]。
- 控制异常
玉兔号但是在第二次月夜休眠之前，因为月面环境比较复杂，有零下180度的温度等等的这些各种因素的影响，月球车的机构控制出现了异常，中国研制方组织专家进行排查。月球车上包含氢、氦、锂等至少40多种化学元素，在当天的实验阶段又涉及到另外的几种元素。自2013年12月14号嫦娥三号实现月面软着陆以来，着陆器和月球车已经完成了两个月昼夜期间的工作，也期待它恢复正常 [31]。
- 分析判断
玉兔号月球车运行了1个多月就无法移动，故障表明设计上有两处做得不到位。一是对月球环境有认识，但认识不到位；二是对可能出现的故障处理措施不到位。比较科学的解释是：
①由于月球车要轻小型化，所以设计得高度集成，相应部分没有备份；
②所有轮子的驱动机构控制电路都在一块板子上，有可能是一个驱动电路的电源有短路现象。根据地面的模拟试验和推测，由于轻小型化，导线很细，可能是在它行走过程中驶过一块大石头时，有条导线表皮被石头割破了，导线与月球车支撑体短路是最大可能性。但由于玉兔号在月面，难以验证，研制方在后续设计时已充分考虑了这点，并采取了措施。航天探索有很多未知数需要人类不断探寻，有很多问题需要重新认识 [11] [38]。
“嫦娥三号”结束第二次月夜的日子，玉兔号并未走出睡眠状态，探月工程新闻发言人2014年2月12号9点半称玉兔已全面苏醒，但仍存在故障无法移动 [8]。
2014年2月23日凌晨，嫦娥三号着陆器再次进入月夜休眠。此前，玉兔号月球车于2014年2月22日午后进入“休眠”状态 [9]。探月工程负责人表示，以前没故障时，“玉兔”可以在月球自由行走，但现状就是动弹不了。以后有可能“玉兔”在某种情况下能恢复正常。因此，“‘玉兔’会不停被唤醒，不停休眠，不停工作，等到完全丧失功能为止。
2014年7月，嫦娥三号探测器系统领导表示，“玉兔”已成功唤醒，但故障仍未排除 [10]。
张玉花介绍，“玉兔”号2014年1月开始出现机构控制异常，第二月昼期间“玉兔”号在行进中被石块磕碰“受伤”，随后“带伤”进入在月球上的第二个夜晚。2月中旬，第三月昼来临，科研人员想尽各种措施，呼唤“小兔子”醒来。就在人们觉得希望渺茫的时候，“玉兔”成功唤醒，张玉花称，“它比研制方预料的更棒更顽强” [10]。
“而着陆器身体状态也非常好。”“月球车出现故障，说明研制方对月球环境仍然缺乏了解，比如对月尘的认识非常不足。”吴伟仁说，月尘比地球上沙漠里的沙子要细小得多，精密的月球车只要有一点点月尘进入，就有可能造成短路，从而让其移动系统发生故障。除了移动系统外，月球车搭载的四大科学仪器运行正常。“‘玉兔号’的设计寿命是3个月，已经工作到第十个月了，算是超期服役。不可否认，它的功能也会随着时间的延长而逐渐衰竭。” [32]
2013年12月14日21时11分，嫦娥三号成功着陆在月球西经19．5度、北纬44．1度的虹湾以东区域，随即按计划开展了着陆器与巡视器分离各项准备工作。
着陆地点一个充满熔岩的火山口“巡视器移动到位。”4时06分，转移机构正常解锁，托举着巡视器轻轻展开、降落，接触月面，并在着陆器与月面之间搭起了一架斜梯。
随后，“玉兔号”沿着斜梯逐步而下。4时35分，“玉兔号”踏上月球，在月面印出一道深深的痕迹。着陆器监视相机完整地记录下这一过程，并及时将成像数据传回地面 [20]。标志着中国的第一辆月球车——“玉兔号”成功软着陆于月球雨海西北部（“虹湾着陆区”） [57]。
2014年2月10日，第一次玉兔号唤醒失败。
2014年2月12日夜，玉兔号月球车已全面苏醒，状态趋于好转，但是出现问题的“机构”仍然有待进一步恢复。
2014年3月14日6时42分，玉兔号月球车收到正常遥测信号，成功自主唤醒 [37]。
2014年4月，玉兔号月球车的理论设计寿命已满。
2014年7月，玉兔号带故障被唤醒。
2014年9月，中国研制方首次发布拍摄落月区全景图 [13-14] [32-34]。
2014年9月6日，玉兔号月球车进入第十个月昼工作期，超长服役7个月。
2015年12月23日，《科技日报》报道：玉兔号在月球发现新型岩石于30亿年前形成。该周出版的英国《自然-通讯》杂志23日公布的一则行星科学论文中，中国与美国科学家报告发现了月球表面的一种新型岩石，在过去的月球探测任务和月球陨石研究中均没有被采样过。
2016年7月31日，玉兔号月球车停止了工作。设计寿命为3个月的“玉兔号”超额完成了任务，超长服役两年多，圆了中国人着陆月球的梦 [24]。
月球重力约为地球的六分之一，表面土壤非常松软，凹凸不平，有石块、有陨石坑，还有陡峭的高坡。在该种环境中，月球车既不能打滑，更不能翻车。为了克服这些困难，“玉兔号”上有全景相机和导航相机，总计是四台。
通过相机“观察”周围环境，对月面障碍进行感知和识别，然后对巡视的路径进行规划。遇到超过20度的斜坡、高于20厘米的石块或直径大于2米的撞击坑，能够自主判断安全避让。月球车在月面“行走”风险重重，月壤细粒会大量扬起，形成月尘，一旦附着很难清除。月尘可能引起月球车很多故障，包括机械结构卡死、密封机构失效、光学系统灵敏度下降等 [25]。
中国研制方在月表形貌综合模拟试验控制室，为模拟月球环境，特地从长白山运回与月球表面物质成分相近的火山灰，并通过钢丝吊挂月球车，模拟微重力环境。经过测试，玉兔号在月面巡视时采取自主导航和地面遥控的组合模式，不仅可以自主前进、转弯、后退，还可以原地打转、横向侧摆，确保在危机四伏的月面上畅行无阻。
五星红旗展月球经历极低温度后，“月夜唤醒”是一个难题。科研人员为月球车设计了可伸缩的太阳能电池帆板 [26]。
白天工作时展开，夜晚则收起来，将仪器设备包在里面。这种“包裹式睡眠”，有助于保护各种仪器不被冻坏，确保月球车有剩余电力“自主醒来”，重新展开太阳能电池帆板迎接阳光 [4] [27]。
白天时，‘玉兔号’月球车的太阳能电池帆板还要调整角度，避免被阳光照射得太热。最热的月午，月球车还要进行‘午休’。玉兔号月球车设计寿命3个月，这意味着她要经历3个月球白天和3个月球黑夜。所有的工作，要在月球时间的“上午”和“下午”完成 [4] [43]。
要实现地球和月球共面轨道，基本就要求零窗口发射，根据地月运动规律，中国一般每月只有1至2次机会，每次有一个持续几天的窗口期，在此期间每天的发射时间精确到几点几分。
但是嫦娥三号与嫦娥一号、二号略有不同，嫦娥三号发射还要考虑落月的地点与时间。进入月球轨道后，嫦娥三号一边绕月飞行一边调整姿态准备降落。月球一昼夜相当于地球28天，夜晚最低温度达零下180度，为保证探测器有能源，看得清，且在一个比较适合的温度下工作，发射时就要考虑到能在白天落月 [39]。
在中国月球车着陆探测前，世界上发射并成功运行的月球车有5辆，其中两辆是无人探测月球车，均为苏联在20世纪70年代发射的月球车1号和月球车2号，三辆是有人驾驶的月球车，即美国阿波罗15号、阿波罗16号、阿波罗17号的月球车。
中国的玉兔号月球车也是无人驾驶月球车，质量约140千克，与苏联的月球车相比是“小个子”，小而精悍，既能完成任务也节约成本。无人月球车难度更大，因为上面有很多仪器，要保证在无人的状态下行驶，仪器能正常工作。
中国玉兔号月球车无论是材料、驱动系统的选择还是探测仪器，都比之前其他国家月球探测器更先进 [5]。玉兔号月球车是各种元素构成的。月球车上的材料、设备包含了至少40种化学元素，在地面试验阶段又涉及到另外7种元素。其使用了许多新材料和新工艺，是各种高技术的集成 [52]。
2013年12月23日凌晨，北京航天飞行控制中心曾控制机械臂进行投放测试，目的是为此次月壤元素成分探测以及其他科学探测工作做先期技术验证。
2014年1月19日，嫦娥三号探测取得阶段性成果 “玉兔”号探到月表下140米。在北京航天飞行控制中心遥操作厅，机械臂控制软件设计师荣志飞说：“此次探测的精度要求高，操作控制难度大，就如同控制38万千米之外的‘手’穿针引线，稍有偏差就会前功尽弃。 [40-41]”
2014年1月14日21时45分，在北京航天飞行控制中心精确控制下，玉兔号月球车展开机械臂，对脚下月壤成功实施首次月面科学探测。该次探测任务的成功，标志着中国突破了月面高精度机械臂遥操作控制技术，实现了38万千米之外的机械臂毫米级精确控制。
由于受玉兔号月球车活动维度限制和避障因素影响，“玉兔之手”完成对一个预定目标点的探测，一般要经过十七、八个操作步骤，几乎每一步操作都要经过极其精密的计算 [60]。
玉兔号月球车模型
2014年1月，由中国科学院、中国工程院主办，中国科学院学部工作局、中国工程院办公厅、中国科学报社承办，中国科学院院士和中国工程院院士评选，“嫦娥三号月面软着陆、玉兔号开展科学探测”被评为“瀚霖杯2013年中国十大科技进展新闻”第一位 [35]。
2014年1月1日，《中国首次落月成功纪念》邮票首发仪式在人民大会堂举行。国家航天局局长许达哲出席仪式并为邮票揭幕，副局长胡亚枫出席仪式并致辞。该邮票1套2枚，内容分别为嫦娥三号着陆器和玉兔号月球车，全套邮票面值为2.70元，是中国邮政集团公司为纪念嫦娥三号成功落月这一重大历史性事件，而特别发行的邮票。这也是中国邮政第九次以特别发行的方式安排邮票 [51]。
2014年5月28日，国家国防科技工业局向中国国家博物馆捐赠嫦娥三号任务玉兔号月球车1:1高仿真模型，供国博永久收藏 [53]。
玉兔号月球车纪念邮票
随着科学技术不断发展，人类重返月球的热潮兴起，新一代月球车也将出现。从人类的交通工具，可以想象未来月球车的模样――单人乘坐的月球摩托，双座多用途的月球车，客货两用的月球车，月球的拖挂车，月面轨道巴士，等等。乘坐不同的月球车，人类将实现漫游月球的梦想 [24]。
“玉兔号”在地面模拟试验中，充分展现出卓越的性能，它本领高强，能爬坡，能越障，能耐受300摄氏度温差，对它在月球上的表现充满信心 [21] [36]。（新华网 评）
截至2015年10月，玉兔号已成为在月球“活”得最久的人造探测器。不同于着陆器，玉兔号月球车能够在月球行走，中国公布的全世界第一幅月球地质剖面图，就是玉兔号所携带的科学设备拍摄的 [48]。（新华网 评）
嫦娥三号和玉兔号探月工程任务连续成功，创造了世界月球探测史的中国纪录。这一成就，凝结的是几代航天人的智慧和心血，依靠的是我们国家的综合实力，汇聚的是中国人民的整体力量，体现出的最重要意义就是进一步增强了全国各族人民坚持和发展中国特色社会主义的决心和自信 [49]。（习近平 评）
玉兔号月球车在月面探测 [58]
玉兔号月球车在月面探测 [58]
