載人月球車設(shè)計研究

黃紹帥　楊建國　茍志明

摘要：本文通過對載人月球車設(shè)計的意義、現(xiàn)存問題、設(shè)計實例與設(shè)計思路分析進行設(shè)計實踐，對月球車續(xù)航能力、情感化設(shè)計、車體結(jié)構(gòu)等問題進行了研究，提出了以后羿之弓、傘骨收縮相結(jié)合的意象為基礎(chǔ)，拱形結(jié)構(gòu)作為支撐的“義”號載人月球車方案;解決了現(xiàn)有月球車的諸多問題，使得月球車更加符合中國載人航天的需求。

關(guān)鍵詞：載人;月球車;設(shè)計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）05-0159-02

1載人月球車概述

載人月球車是作為航天員在月球表面活動及探測的重要工具，載人月球車可以使航天員更加方便地移動和存放月球上的各類標本。載人月球車裝有傳輸設(shè)備和攝像機，向地球發(fā)回記錄的影像和數(shù)據(jù)。目前已發(fā)射的所有月球車均為輪式月球車，分為4輪、6輪、8輪等幾種方式。至今我國發(fā)射的載人月球車和中國的“玉兔號”“玉兔二號”。

2載人月球車設(shè)計的意義

載人探月工程不僅會推動科學(xué)的進步，也將帶來一系列的世界范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)升級，最終造福人類命運共同體。載人月球車是月面宇航員大范圍人工探測的關(guān)鍵，負責(zé)月面宇航員高速移動、物資運轉(zhuǎn)、應(yīng)急救援等重要工作，能更好實現(xiàn)著陸點、居住艙、采樣探測區(qū)之間配合，在保證宇航員的安全、開展月面采樣探測、提高宇航員搜索效率等多方面發(fā)揮著不可或缺的作用。因此，設(shè)計出一款可靠、可行的載人月球車將成為載人探月工程中的關(guān)鍵一環(huán)。

3載人月球車的現(xiàn)存問題

目前載人月球車存在以下幾方面問題：（1）低重力環(huán)境下存在安全問題。在1/6g地球重力下高速行駛時，車體起伏與在地面相比較大，當高速移動時遇到障礙時，由于慣性原因，車輪會暫時騰空，造成車輛的危險;同時高速行駛時可能產(chǎn)生的側(cè)翻、碰撞等問題，也會對探月任務(wù)造成阻礙。（2）車輛緩震不理想。由于月球車開放的框架式結(jié)構(gòu)，載人月球車在高速穿越崎嶇路面和斜坡時顛簸嚴重，會對航天員的安全構(gòu)成威脅，而且過度地顛簸也會對月球車本身的部件和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生威脅。（3）故障應(yīng)急方案不完善。如果沒有故障應(yīng)急措施，航天員的艙外活動被限制在距離著陸艙5 km的范圍內(nèi)，以確保能夠步行回艙。月球上的環(huán)境十分極端，在駕駛時的容錯率也尤為關(guān)鍵。

4載人月球車設(shè)計實例分析

月球漫游車（LRV）是一種電動車輛，設(shè)計用于在月球的低重力真空中運行，能夠穿越月球表面，使阿波羅號的宇航員能夠擴大他們的地表外活動范圍。三輛漫游車在月球上行駛，每個漫游車被使用三次，每天一次，每次任務(wù)持續(xù)三天。

4.1載人月球車的結(jié)構(gòu)

月球漫游車的質(zhì)量為210kg，可在月球表面再承載490kg的載荷。車架長4.1m，軸距2.3m。最高高度為1.14m。車架由鋁合金221 9管焊接組件組成，車架由3部分底盤組成，車架中心鉸接，可折疊懸掛在登月艙第1艙。它有兩個并排的可折疊座椅，由管狀鋁制成，配有尼龍帶和鋁制地板。座位之間安裝了扶手，每個座位都有可調(diào)節(jié)的腳凳和尼龍搭扣安全帶。一個大的網(wǎng)狀碟形天線安裝在探測車前部中心的桅桿上。懸架包括一個上下扭力桿的雙水平叉骨和底盤與上叉骨之間的阻尼單元。滿載的LRV有36cm的地面間隙（如圖1）。

4.2載人月球車攜帶的設(shè)備

（1）搭載的記錄與通訊設(shè)備。配備了一臺電視攝像機、一臺機載16mm遙控相機，拍攝畫面直達休斯頓，前衛(wèi)的行車記錄儀設(shè)計信號是通過高低增益的2個天線和地球進行通信。（2）導(dǎo)航系統(tǒng)。合陀螺儀和行駛距離存儲計算功能的導(dǎo)航系統(tǒng)，顯示和登月艙的距離和方向;在中控臺頂部，還有一個類似日晷的裝置，可以根據(jù)太陽的方位角，人工判定月球的參考方向，確保導(dǎo)航儀的準確性，防止宇航員在月球走失。（3）溫度控制系統(tǒng)。柔性熱帶將電器產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)移到可融性蠟進行儲熱，蠟熔化時將電子設(shè)備保持在恒定溫度，當停車歇息時，打開防塵罩，融化的蠟通過頂部的空間輻射散熱器進行放熱，蠟固化以重復(fù)使用。當電池溫度達到安全的45℉，雙金屬彈簧自動關(guān)閉防塵罩。

5載人月球車設(shè)計思路

5.1動力系統(tǒng)設(shè)計

月球車—般用蓄電池來驅(qū)動，并使用太陽能充電板來輔助供電。尋找一種體積小且供能強的動力源對月球車的設(shè)計非常重要。由于運載火箭的發(fā)射成本限制，月球車的體積必須被嚴格限制，所以電池的位置必須被合理地設(shè)計，并且在折疊之后不能影響其正常功能。

5.2折疊設(shè)計

月球車跟隨登月艙登月，除了人員的登陸倉和推進系統(tǒng)，剩余空間較小，所以月球車的折疊機制對于減小火箭發(fā)射成本，提高發(fā)射成功率具有重要意義，所以月球車的折疊問題皆須考慮。

5.3安全性能設(shè)計

（1）防震防翻性能。月球上充滿細小的月塵和隕石沖擊坑，大塊的月巖都是制約月球車的因素，故考慮到宇航員和搭載儀器的安全，月球車的防震防滾等性能都應(yīng)進行重新設(shè)計。（2）防塵性能。由于月球上沒有風(fēng)和流動的水，塵埃顆粒大多又尖又鋒利，而且因為低重力原因，月塵會在空中漂浮更久，因此會對探月的儀器設(shè)備產(chǎn)生嚴重的磨損。必須使用強度較高的材料將易磨損的部分保護住，才能保證載人月球車和航天員在月表的安全。

5.4溫控設(shè)計

月球從127℃到-232℃的巨大溫差對月球車的溫控設(shè)計產(chǎn)生了巨大的挑戰(zhàn)，而真空條件下部分部件可能出現(xiàn)的冷焊現(xiàn)象也會對月球成車的安全造成威脅。

5.5結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于月球上特殊的移動機構(gòu)和月面環(huán)境，月球車和地球上的車輛有所不同，底盤和輪胎等都需要研究設(shè)計，這也是月球車能否成功完成任務(wù)的重要因素。

6“乂”號載人月球車設(shè)計實踐

6.1質(zhì)量功能匹配

通過質(zhì)量功能匹配確定了需求和相應(yīng)產(chǎn)品或服務(wù)性能之間的聯(lián)系，按照需求對月球車的各項性能重要程度做了排名，對以后的設(shè)計過程起到了指導(dǎo)作用（如圖2）。

6.2頭腦風(fēng)暴與草圖設(shè)計

該月球車名稱為“義”，“義”號月球車整體意象選用弓箭，不僅因為后羿射日是華人中代表著力量速度，而且也能超越地域限制。弓箭在大家的認知有較為一致意義，拉滿弓時，飽滿的曲線給人蓄勢待發(fā)之感。折疊功能是模擬傘骨的運動過程，為月球車的折疊方式，提供了另一種可能性。

6.3設(shè)計呈現(xiàn)

“義”號月球車最終車體呈現(xiàn)圖示效果（如圖3）。從側(cè)面看，車身形成了“弓”的形狀，月球車的框架為x形，在起到一定保護作用的同時，也使結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。兩個拱形架的開合角度增大，視野擴大。車身下改成由四根金屬桿鏈接中軸行程底部的支撐架與座椅旋轉(zhuǎn)器結(jié)合的輕便底。材質(zhì)選擇采用碳纖維與韌性基體樹脂復(fù)合所制韌性CFPR，型號為T800H/3900-2。座位通過座椅旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)，讓宇航員在側(cè)面上下車，借助在中軸、中部圓盤進行旋轉(zhuǎn)。操作臺是分兩部分，一位控制車輛行進，一位控制儀器。在座位的防護裝置方面，在座椅上直接設(shè)置環(huán)形肋架，為宇航員駕駛時提供一定的保護和緩沖。兩個座位背對放置，中間放有便攜式工具包，可供緊急使用，增加了駕駛時宇航員的安全性與實際應(yīng)用時可靠性。車身圓盤部分設(shè)有儀器搭載平臺，儀器裝卸簡單。整體線控包裹在框架之中，減少裸露，增加安全性。裝卸儀器位于座椅旋轉(zhuǎn)器上座椅兩側(cè)放置儲物箱的方式，減少了揚塵進入的可能，增大了儲物空間，以及拿取和裝載的便利。由內(nèi)部彈性阻尼器、鋁合金的組合式輪轂和金屬絲網(wǎng)胎面組成的車輪，具有高韌性、高強度、低密度的特點，能較好適應(yīng)月球表面的特殊地形與土壤環(huán)境，同時也能夠很好地提高載人月球車的移動能力。在車輪處單獨設(shè)有減震器和驅(qū)動裝置，四個輪子獨立供能。折疊方式選用了傘骨折疊的方式，縱向折疊，壓縮空間。

7結(jié)語

載人月球車是月面宇航員大范圍人工探測的關(guān)鍵，在保證宇航員的安全、開展月面采樣探測、提高宇航員搜索效率等多方面發(fā)揮著不可或缺的作用。本文針對月球車現(xiàn)存的諸多問題，提出了載人月球車的設(shè)計思路，滿足了新時代中國載人探月工程的需求。希望對我國的載人探月工程具有推動作用。