国産最先端の「電気自動車」の速度は時速わずか0.2キロ？

2023年「中国科学普及青年スター創出コンテスト」の受賞作品

著者: 高俊文

従来の燃料車の時代では、パワーを上げるにはエンジンの排気量を増やす必要がありました。一般的に、排気量が大きいほど車の価格は高くなり、当然ですが、燃料消費量も増えます。今日、電気自動車は急速に発展しています。電気自動車はエネルギー変換において本質的に利点があるため、出力を増大させることが非常に簡単になりました。強力なパワーを得るためには、高出力モーターを装備するだけで済みます。電気代も比較的安価です。地球外38万キロには、パノラマカメラ、赤外線イメージング分光計、中性原子検出器などの機器を搭載した国産電気自動車があるが、馬力は1馬力未満で、設計速度は時速0.2キロメートルと、アリよりも遅い（アリの這う速度は一般的に時速0.5キロメートル）。それはどんな車ですか？それは、月の裏側を走る電気自動車、月面探査車「玉兔2号」だ。

月面探査車とは何ですか?機能は何ですか?

月面探査車。科学的には月面探査機として知られています。 2019年1月3日、嫦娥4号は玉兔2号とともに月面の裏側に着陸することに成功し、月面で活動する世界初の月面探査車となった。数え切れないほどの昼夜を地球に寄り添ってきた衛星である月は、人類が深宇宙へ進出するための第一歩であり、宇宙大国がその力を誇示する場でもあります。 2023年9月現在、月面には旧ソ連から2台、アメリカから3台、中国から2台、インドから1台、合計8台の月面探査車が存在している。

月面探査車は、そのエネルギーと電力のほぼすべてが太陽光発電から得られるため、実際には月面を移動する「電気自動車」です。これらの「電気自動車」は機能や用途が異なるため、デザインも異なります。例えば、我が国の「玉兎2号」は、月面を「歩き、見る」ことができ、探査ミッションを懸命に遂行できる知能「ロボット」のようなものです。一方、米国の月面探査車は、宇宙飛行士が運転して素早く移動し、より広範囲の活動ができる月面の「移動車両」に近いものである。

電気自動車の「三電」の観点から月面探査車を見る

従来の燃料車と比較して、電気自動車（純電気自動車）の構造は主に電気駆動制御システムを追加し、エンジンをなくし、バッテリーが電気を出力してコントローラーを介してモーターを回転させ、伝動システムによって前進または後進させます。電気自動車の性能を比較したい場合、モーター、バッテリー、電子制御という「3つの電気」パラメータに注目する必要があります。

「3つの電気」のモーター：パワー

電気自動車の駆動モーターには通常、シングルモーター、デュアルモーター、クワッドモーターなどがあります。理論的には、モーターの数が多いほど、パフォーマンスは向上します。これまでのところ、月面上のすべての月面探査車は電気モーターによって駆動されています。長年にわたり、電気モーターの技術は比較的成熟してきました。誰かがきっとこう尋ねるだろう。「なぜ玉兎2号は4年以上もの間、わずか1,455メートルしか移動していないのか。つまり、1日の走行距離は1メートル未満だ」うちのモーターが良くないのでしょうか？もちろん違います。

月面探査車「玉兔2号」は6つの車輪と6つのモーターを搭載している。チタン合金の編み込みメッシュホイールには爪が装備されており、一定の「オフロード」性能を備えています。さらに、4つのステアリングモーターを搭載し、その場で方向転換が可能で、月面の複雑な地形にも容易に対応できます。月面の昼と夜の間の300度以上の温度差を克服するために、すべてのモーターはシームレスな設計を採用し、大きな温度差の下での信頼性を確保し、月の塵がモーターに入るのを効果的に防ぎます。運転速度が「遅い」理由としては、主に以下のことが挙げられます。

タスクの性質によって速度が決まる

玉兎2号はスピードレースを目的として月に行くのではない。具体的な走行速度は、実行しているミッションによって決まります。特筆すべきは、月の裏側という人類がまだ足を踏み入れたことのない場所で作業するのは今回が初めてであり、一歩一歩を踏み出す前にはっきりと検知する必要があることだ。また、運転中はさまざまなクレーターにも注意が必要です。柔らかい月の土の下には岩が隠れている可能性があるので、あまり速く運転しないでください。その用途から判断すると、米国の有人月面探査車はまさに移動輸送手段である。例えば、アポロ17号の月面車の最高設計速度は時速12キロメートルだったが、宇宙飛行士は一度「速度超過」して時速18キロメートルで走行したことがある。

車両全体のエネルギー消費分布

玉兎2号は、車両の駆動モーターのほか、多数の計器や機器も搭載している。電源（バッテリー）の電力が一定の場合、他の負荷が動作しているかどうかがモーターの電力に影響し、車の走行速度に影響します。夏に車を運転中にエアコンをオンにしたときと同じように、コンプレッサーの介入によりエンジンのパワーの一部が奪われ、車両全体のパワーに一定の影響を与えます。また、月面探査ミッションの精度を確保するため、機器の稼働時には月面探査車が停止したり移動したりするため、全体の移動速度にも影響が出ます。

月の環境要因

また、移動速度は月面の環境特性にも関係します。月の重力は低く（地球の約6分の1）、大気もありません。玉兔2号の重量は135キログラムで、史上最軽量の月面探査車だ。速すぎると、上に「飛んで」しまう可能性があります。さらに、月面の塵は車輪によって簡単に巻き上げられ、車両全体の機器の動作を脅かす可能性があるため、速度をそれほど速くする必要はありません。

バッテリー（エネルギー）

今日の民生用電気自動車では、通常、三元リチウム電池またはリン酸鉄リチウム電池が使用されています。前者は同じ体積で高いエネルギー密度と高い充電効率を持ちます。後者は充電サイクル数が多く、三元リチウムよりも高温に耐性があります。玉兎2号には2種類のバッテリーが搭載されており、1つは日常の動作に使われる太陽電池、もう1つは低温でも暖かさを保つ熱同位体バッテリーです。これらはそれぞれ異なる機能を持ち、昼夜交代で相互に変換して動作に必要な電気エネルギーを得ることができます。

太陽電池

「玉兔2号」のエネルギーは主に太陽エネルギーから得られます。日中は2枚のソーラーパネルが展開され、回転モーターによって角度が調整され、常にひまわりのように太陽の方を向きます。太陽電池がすべての機器に電力を供給し、月面探査車は作業を開始できます。しかし、月夜（月の自転と公転はともに27.32日で、その半分は昼間）になり、太陽エネルギーを受け取れなくなると、ソーラーパネルを折りたたんで機器を低温から守り、翌日まで待つ必要があります。そのため、「Yutu」は通常、半月働いて、さらに半月休みます。

同位体電池

月面では温度差が大きいため、月面探査車には大きなバッテリー要件が課せられます。 「玉兎2号」の設計は月夜の状況を十分に考慮しており、プルトニウム238をベースとした同位体温度差電池（別名「核電池」）というブラックテクノロジーを搭載していた。この物質は半減期中に熱線を継続的に放出し、同位体から放出される熱エネルギーを熱電変換器を介して電気エネルギーに変換し、月夜に検出器に2.5W以上の電力を供給し、加熱装置の動作をサポートし、内部温度を維持し、低温による損傷を防ぎます。

インドの最新の月面探査車「スマート」は1日約8メートル移動できるが、設計寿命はわずか14日間だ。設計当初、インドの研究者らは月面で夜を過ごすことを計画しておらず、設計と運用の難易度を下げるために多くの装備を放棄した。中国の「玉兎2号」は、極低温環境でも動作し続けることができる。実寿命は設計寿命をはるかに上回り、優れた耐寒性と安定性を実証しています。

「3つの電気」の電子制御：制御

電気自動車の宣伝では、自動運転機能（現在はほとんどがL2レベル）に言及することが多いが、これは特定の状況下で車両が部分的な自動化（自動巡航、車両追従、ブレーキなど）を実現できることを意味する。操作は基本的に車両側で完結し、ドライバーは周辺の監視を担当しますが、いつでも車両を引き継ぐ必要があります。これらの機能を実現するには、カメラ、レーダー、センサーなど多数のセンサーから周囲の環境データを収集し、車載コンピューターで処理して車両の走行を制御することが必要です。 「玉兎2号」には多くのセンサーやカメラも搭載されている。月面を巡回する際、地上遠隔操作と自律航行の2つのモードを採用できます。

地上遠隔操作モード

上部に設置されたナビゲーションカメラは月面探査車の目に相当する。月の写真や映像を撮影し、「鵲橋」中継衛星を通じて地上に情報を送信できる。研究者らはデータ分析を経て、衝突クレーターの幅や深さ、岩石の大きさや距離など、月の地形の具体的な条件を判定し、「玉兔2号」の「オフロード」能力（20度の登坂、20センチの障害物横断）と組み合わせ、安全な走行経路を計画した。

自律航行モード

Yutu-2 は、主にフロントエンドのレーザー検出と障害物回避カメラを通じて自律的に航行することもできます。前者は、車両前部のレーザー ドット マトリックス デバイスを使用して、2 列のレーザーを表面に投影し、前方の地面の平坦度を判断します。後者は障害物回避カメラの画像を使用して、区間ごとの道路状況の平坦度を識別し、目標地点に到達するまで 0.5 メートルごとに計画を再実行します。

結論

月面探査車「玉兔」の到着から月面裏面への「玉兔2号」の着陸まで、中国は月探査において大きな進歩を遂げ続けている。 2023年1月3日現在、玉兔2号は1,455メートルを航行し、大量の探査データを送信し、月の裏側に関する知識のギャップを埋め、月の形成と進化に関する理解を深めています。また、月面上で最も長い稼働時間を誇る月面探査車としても長年にわたり活躍してきました。

私たちは過去を振り返るよりも、未来を想像することを好みます。中国の有人宇宙計画は先日、中国の有人月面着陸の予備計画を発表し、2030年までに月面着陸を達成し、科学探査を行う計画だ。月は人類が他の天体に着陸するための中継基地となる可能性が高い。近い将来、より多くの中国の宇宙船がより深い宇宙に飛び立ち、より多くの未知の世界を探索し、より多くの中国の奇跡を生み出すと信じています。