当制造商开发新的动力系统时,经常在地球上最极端的条件下对其进行测试。例如,全电动劳斯莱斯Spectre经受了低至零下40摄氏度和高达50摄氏度的温度,保证了在极端情况下的续航里程。这种极端的气候对于纯电动汽车至关重要,因为电池在太冰冻或过热的温度下会损失很多效率。
然而,地球上没有任何气候可以与月球的强度相比。白天温度高达120摄氏度,夜间为零下130摄氏度。那么早在20世纪70年代,NASA是如何成功建造出能够在如此极端条件下运行的电动月球车的呢?
尽管从阿波罗计划一开始就在研制月球车,但第一辆月球车(正式名称为月球车(LRV))直到1971年第四次载人登月阿波罗15号才发射升空,LRV的最终目标很简单:增加宇航员可以探索的区域,并帮助将月球岩石运回月球着陆器。
然而,航天使简单的需求变得难以满足。
减轻LRV重量的需要需要极其高科技的结构。铝和钛的大量使用使LRV的整备重量降至208公斤,尽管如此,其有效载荷仍超过453公斤,还必须可折叠才能存放在登月舱上;当准备发射时,折叠起来只有大约50厘米的厚度。还配备了有镀锌的编织钢网轮,以避免在岩石上爆裂。工程师还为其配备了独立的四轮驱动和四轮转向,以实现最大的牵引力和机动性。
LRV的动力很小,因为LRV在较轻的月球引力场中重量仅为34公斤,最大输出功率只有1马力,由四个四分之一马力串绕直流电机驱动四个车轮。每个电机都有自己的谐波传动装置,齿轮减速比为80:1,以提高扭矩和响应。电机外壳加压至7.5PSI,以防止灰尘进入外壳并损坏电刷。它的官方最高时速为12公里/小时,但在阿波罗17号登月期间,宇航员尤金·塞尔南将满载月球岩石的有效载荷从山上推下来,最高时速突破了17公里/小时。
LRV最初的预算只有1900万美元;成本超支使最终费用达到3800万美元。
由于LRV输出功完成使命最终会留着月球上,率较低,因此需要一种轻便、紧凑的电池组,而不是大型高容量电池组。LRV完成使命后,最终会留着月球上,因此电池也不需要充电。使用了一对36V、4.1千瓦时的银锌电池,与现代汽车80+kWh的电池组相去甚远。银锌电池只能进行最低限度的充电,可持续使用10-50次循环。然而,该电池拥有在锂电池发展之前现有电池中最高的能量密度,约为220Wh/kg(而现代锂离子的能量密度为270Wh/kg)。在20世纪70年代,银锌成为美国和苏联航空航天电池的黄金标准。
正常操作期间,这对电池的总可用里程额定为91公里,其中一个电池为前轮供电,一个电池为后轮供电。双电池设计是为了冗余而设计的,如果一个电池耗尽,另一个电池仍然可以为整个LRV供电,提高了安全的可用范围。NASA工程师也不允许宇航员将LRV驾驶到比着陆器步行距离更远的位置,以防发生完全故障,只能在9公里的半径范围内运行。LRV在一次任务中行驶最远的距离是最后一次载人登月阿波罗17号,宇航员在三天的探险中行驶了大约35公里。
出乎意料的是,温度控制具有挑战性。银锌电池在寒冷的温度下表现不佳,但LRV只适合在15个地球日的农历白天使用,这意味着防止过热成为了首要问题。在这两周的时间里,月球表面本身的温度可以达到比沸水还要高的温度,但由于月球没有大气层,局部温度变化很大,主要取决于直接暴露在阳光下的时间。电池的最高工作温度额定为52摄氏度,最高极限温度为60摄氏度,如果在光天化日之下暴露太久,就会迅速超过该温度。
这个问题在运输过程中很容易解决:LRV折叠平放在月球着陆器的外侧。当着陆器绕月球运行时,会缓慢旋转,将直射阳光均匀地分布到每一侧,使温度保持在可控范围内。然而,在月球表面,太阳光线无法躲避,电池的温度很快就会超过60摄氏度的极限。
为了解决这个问题,两种电池都配备了无源散热器。工程师没有使用传统的主动液体冷却系统,而是使用熔融石英镜来反射尽可能多的光并消除尽可能多的热量。当轻轨飞行器移动时,镜子上会覆盖防尘罩,以防止极细的月壤覆盖镜子,从而破坏镜子反射光和辐射热的能力。
在某种程度上起作用了。在阿波罗15号上,短途旅行和较低的太阳角度使电池保持在正常温度范围内,但在阿波罗16号上,着陆地点的温度更高。更糟糕的是,一场早期事故导致LRV失去了挡泥板。火星车走到哪里,细小的灰尘就跟随着它,覆盖了所有东西,包括镜子。即使在移除隔热罩并擦掉镜子后,电池也无法在冷却,因为月球土壤保留热量的效率太高。将轻轨车停在阴凉处可以稍微冷却电池,但如果它在阴凉处停留太久,极冷的天气会损坏电子元件。
任务控制中心让宇航员从一块电池切换到另一块电池供电,试图让每块电池冷却更长时间。尽管如此,到阿波罗16号第三天的最后一次旅行时,LRV电池还是超出了其最高温度,在任务结束时达到了62摄氏度。幸运的是,尽管天气炎热,LRV电池仍能正常工作,宇航员无需步行回家。在阿波罗17号上,仔细控制灰尘,并将LRV停放在距离月球登陆舱更远的地方,使电池温度保持在可接受的范围内。
虽然美国国家航空航天局(NASA)计划通过阿耳忒弥斯项目让人类重返月球,但目前还没有官方消息说明下一个将是哪款汽车。尽管有很多竞争者,其中一个是由Ultium驱动的通用汽车/洛克希德联合项目。虽然Ultium的未来仍悬而未决,但无论接下来穿越月球的任何车辆都可能会像陆地电动汽车一样使用锂离子电池,并具有类似的温度管理策略。新的月球车很可能也具有远程控制功能,就像今年晚些时候发射的NASAVIPER月球车探测器一样。
无论如何,工程师仍然需要应对的一件事是什么?灰尘……灰尘永远不会改变。