高折展比載人月球應急返回車設計與分析

王 康，齊迎春，梁常春，申 彥，鄒 猛*

（1.中國空間技術研究院 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2.吉林大學 工程仿生教育部重點實驗室，吉林 長春 130022）

1 引言

隨著美國重返月球計劃的提出，歐盟、英國、印度、俄羅斯和日本也都提出了無人或載人登月探測計劃［1-3］。在月球探測時，月球車是重要的探測、巡視、移動、工程和載荷平臺［4-5］。各國對無人月球車和載人月球車都進行了大量的預先研究［5］。目前月球車研制主要以無人月球車居多，載人月球車則相對較少，這主要是由于載人月球車要求更高的綜合研發技術和發射承載能力。在移動系統方面，月球車移動系統目前仍以輪式為主，履帶式、腿式和復合式移動系統較少［6］。

無人月球車主要包括NASA 和凱耐基梅隆機器人研究所合作研究的月球車Scarab，揮發物探測與極地探索月球車（Volatiles Investigating Polar Exploration Rover，VIPER）、NASA 研制的主要用于發現水資源的K-REX 月球車等［7-8］。

美國NASA 的LRV 作為第一輛載人月球車，由波音公司和通用公司制造（子承包商），隨著Apollo15、16 和17 在1971～1972 年成功著陸月面并實現巡視探 測［1，5，9］。Chariot 是美國NASA 為了重返月球在2007 年開始研制的新一代模塊化載人月球車移動系統平臺。Chariot 在研制過程中，充分吸取了美國第一代月球車LRV研制的經驗和教訓，采用了全新的設計理念和模式，以滿足開放式和帶密封艙的月球車對移動系統的需求［10-11］。ATHLETE（All-terrain，Hex-Limbed，Extra-terrestrial Explorer）是 由NASA的JPL 實驗室、斯坦福大學和波音公司于2005 年3 月開始聯合設計的一款六足式月球車移動平臺，共研制了兩代原型樣機［12-16］。日本Toyota 公司與JAXA 合作，面向2029 載人登月設計了一款帶加壓艙的月球車。為了實現2037 年載人探測火星計劃，NASA 設計了新型帶加壓艙火星車Manned Mars Expedition Rover（MER）［15］。

根據調研可知，除了美國NASA，國外載人月球車研制主要以概念設計為主，還沒有開展工程研制和驗證試驗。美國具有LRV 研制的成功經驗，目前月球車研制主要面向大型載人月球車和帶加壓艙載人月球車［1，16-17］。

從遠距離觀測到無人平臺探測，從載人落月返回到載人月球車探索再返回，人類針對月球探索的越來越深入，未來很可能在月面長時間停留研究，這就需要能夠滿足宇航員安全折返和拓展探測范圍的載人月球應急返回車輛［1，5］。無加壓艙月球車或帶艙月球車研究是各國關注的未來月球車的研究熱點，但對于由于意外引起的宇航員返回需求，或單人宇航員近距離機動需求的“應急返回車”概念及方案尚未被提出。基于小尺寸、低質量、靈活性等特征，解決短距離、低承載、機動性移動需求的小型月球車研究較少。為此，本文提出了一種折疊式載人月球應急返回車設計。

2 結構設計

可折疊載人月球應急返回車作為一個獨立的模塊，可放置于載人月球車后部，如圖1 所示。該裝置主要作為應急生保，也可以作為短距離航天員移動工具（輕量化），在基地周邊進行活動。

圖1 應急返回車應用場景Fig.1 Application scenario of emergency return vehicle

應急返回車設計的設計要求為：（1）承載質量≥90 kg；（2）包絡尺寸≤600 mm×500 mm×400 mm；（3）轉向能力為需具有行進間轉向能力；（4）越障能力≥10 cm；（5）爬坡能力為軟地面不小于8°，硬地面不小于10°；（6）最大速度不小于10 km/h。

如圖2 所示為應急返回車概念設計，應急返回車采用四輪結構，由后輪驅動，前輪轉向，四輪全部采用擺動展出式結構；選用宇航員乘坐駕駛模式，并提供了宇航員腳踏板。此外，為了增加整車穩定性，車身采用了主梁伸縮結構，后橫梁伸長結構。展開后車輛底盤水平尺寸能有效地包絡宇航員水平向展開范圍。同時，利用座椅、手柄、安全帶以及前梁中設置的腳蹬，保證宇航員在車上相對固定。

圖2 應急返回車概念設計Fig.2 Concept design of emergency return vehicle

基于四輪結構和座椅式駕乘方式，以宇航員安全性和可操作性為基準。采用了折疊、伸展結構，取消了宇航員不方便進行操作的組裝、展開和調節等環節。

根據已知宇航員（包括宇航服）的束縛和安全保障結構及細節，方案以框架+尼龍帶形式，提供駕駛座椅坐面及靠背。同時提供兩側扶手限制宇航員左右晃動，如圖3 所示。

圖3 應急返回車渲染效果Fig.3 Rendering effect of emergency return vehicle

后輪作為主驅動，采用輪轂電機方案，直接安裝于后輪上，通過后支臂，推動車輛行進。輪轂方案可大大減少應急返回車結構空間，提高整機可靠性。前輪轉向直接地采用轉向電機方式，利用2 個轉向電機直接控制兩側前輪轉向，取消了常規轉向機構的推拉桿。

考慮到使用用途和結構尺寸限制，應急返回車取消了操作面板、儀器儀表等裝置，只保留了宇航員手控手柄。全部的操控都由宇航員手動控制，操作響應的反饋信息都直接接入到宇航員信息系統中。應急返回車整車結構示意圖如圖4。

圖4 應急返回車結構Fig.4 Emergency return vehicle structure

3 折展分析

為了滿足發射空間對應急返回車的要求，結合月面環境下宇航員操作可行性和可靠性，以簡便和可靠為目標設計了應急車的折疊方案。同時，考慮到載人月球車后部的空間限制，該應急返回車的折疊狀態設計采用除球體之外最省空間的立方體結構，如圖5 所示。

圖5 折疊狀態結構Fig.5 Folded state structure

應急返回車展開的主要過程分為：（1）車輪展出環節：包括伸展、旋轉方式；（2）底盤伸展環節：主要為前懸掛伸展，以及車底盤踏板的展開；（3）座椅展開環節：以座椅的展開為主；（4）操作臺展開環節：手控手柄位置抬升。以上所有展開過程，均以旋轉折疊或抽伸等方式實現，避免繁瑣的裝配組裝過程。圖6 為應急返回車展開過程示意圖。

圖6 應急返回車展開過程Fig.6 Expanded process of emergency return vehicle

圖7 為后梁伸出電動結構設計方案。后梁內部安裝雙螺紋推桿，配套的雙側螺桿螺母固定在后輪扭臂柱上，通過電機的正反轉，實現雙側的后輪扭臂柱向外或向內移動。

圖7 后梁伸出電動結構Fig.7 Rear beam extension electric structure

后輪可在內部雙頭推拉桿的作用下，實現不同輪距調整，如圖8 所示。由于采用了絲杠推拉桿，基于螺紋螺母的配合關系，在電機停止狀態下，推拉桿可自行鎖止，保證應急返回車展開后機構鎖緊。后輪伸展雙向電推桿參數為：推力為300 N，行程為300～600 mm，速度為50 mm/s，鎖緊力為300 N。

圖8 后輪伸展結果Fig.8 Rear wheel extension result

如圖9 所示，應急返回車主梁的伸縮也采用電動推桿方式，主梁的伸長有助于加大應急返回車軸距，提高車輛穩定性，增加宇航員在車上空間。

圖9 主梁伸展電動機構Fig.9 Main beam extension motorized mechanism

主梁伸展采用的電動推拉桿參數為：推力為1 200 N，行程為400～900 mm，速度為50 mm/s，鎖緊力為1 200 N。由于絲杠螺母的自鎖緊特性，主梁在伸縮后不再需要其他機械式鎖緊機構。

為了減少折疊后車輛的包絡尺寸，前后輪都采用了向車內180°折疊靠攏的方案。展開時前后輪都需要從車腹部旋轉180°轉出。四個輪子的轉出，全部采用各自獨立的蝸輪蝸桿大扭矩舵機，實現前后輪支臂的180°旋轉。

蝸輪蝸桿結構具有體積小、轉動比大、自鎖緊的工作性能。采用蝸輪蝸桿大扭矩舵機，直接驅動車輪支臂的180°旋轉，并且可實現轉動后自鎖緊，可取消機械式鎖緊機構。

前后輪旋轉支臂上蝸輪蝸桿旋轉舵機安裝位置如圖10 所示。由于蝸輪蝸桿舵機的結構及原理簡單，可靠性滿足設計要求。

圖10 前后輪支臂上蝸輪蝸桿旋轉舵機安裝位置Fig.10 Worm wheel worm steering gear mounting position on the front and rear wheel support arms

根據應急返回車展開過程及機構鎖緊，四輪展出用蝸輪蝸桿舵機參數為：轉速為18°/s（3 rpm），扭矩50 N·m，角度范圍0°～180°。

如圖11 所示，后車輪以后梁臂轉軸為中心，向后旋轉180°，增加軸距300 mm，后梁臂轉軸與車身垂直面傾斜18°，以實現折疊展開后的后車輪下放，車身高度提升至200 mm。

圖11 后輪展開結構Fig.11 Rear wheel deployment structure

如圖12 所示，前車輪以前梁臂轉軸為中心，向前旋轉180°，增加軸距300 mm，前梁臂轉軸與車身垂直面傾斜25°，以實現折疊展開后的前車輪下放，車身高度提升至200 mm。車架可繼續伸長，最大化車身長度。

圖12 前輪展開和車梁伸長Fig.12 Front wheel deployment and beam extension

應急返回車的寬度擴展由車輪外展以及后輪梁外伸實現。如圖13 所示，前輪向外展出時，輪距由140 mm，擴展至640 mm～660 mm；主梁、伸縮梁相對運動，由400 mm 擴展至600 mm；后輪向外展出后，輪距擴展至840 mm～940 mm。整車展開后尺寸為：長1 890 mm，寬1 240 mm，高900 mm；折疊后尺寸為：長600 mm，寬500 mm，高400 mm。應急車展開體積與折疊體積比最大約為17.6。

圖13 車身寬度擴展結構示意圖Fig.13 Structure schematic of body width extension

4 移動設計

立方體應急返回車CELV 的驅動采用后輪直接驅動方式，行駛速度要求10 km/h，按后輪直徑400 mm 計算，車輪轉速要求：0～150 rpm。根據計算，最終確定驅動參數要求：

（1）轉速：0～200 rpm；

（2）扭矩：≥15 N·m；

（3）電源：24～36 VDC；

（4）輪轂式電機尺寸要求：直徑≤150 mm，長度100 mm；

（5）形式：盤式無刷高速電機+減速/DD 直驅電機/伺服電機+減速電機；

圖14 為后輪驅動電機安裝示意圖。圖中電機直接安裝于后支臂上，電機輸出端為法蘭盤式，直接安裝于后輪盤面上。

圖14 電機安裝示意圖Fig.14 Schematic of motor installation

整車共采用2 個輪轂電機驅動2 個后輪，獲得最大30 N 驅動力。由于安裝空間限制，方案中未考慮差速軸傳動等形式。同時為了減輕質量，也沒有采用DD 直驅式電機。

應急返回車轉向機構采用前輪轉向方案如圖15 所示，前輪由單側C 型轉向臂與前輪支臂上的轉向電機連接。兩側的轉向電機根據轉向指令，按照轉向圓函數關系，轉動相應角度完成轉向操作。針對應急返回車時速可達10 km/h，為了避免轉向力過大和轉向不穩，前輪轉向傾角設為30°。

圖15 前輪轉向方案Fig.15 Scheme of front wheel steering

應急返回車主要用于宇航員的應急返回，相對于無人車行駛速度快，對宇航員的舒適性要求更高。方案中應急返回車軸距和輪距都進行了適當加長，并降低重心。車輪間觸地距離大，對車架適應性和穩定性要求高。因此，應急返回車方案中，前后車輪都增加了獨立的減振設計。如圖16 所示，前輪的減震采用彈簧減震筒。

圖16 前輪減震及轉向機構Fig.16 Front wheel shock absorbing steering mechanism

地面的起伏可通過減震筒的彈性變形自適應，保持車輪一直觸地狀態；當行駛過程中產生振動時，彈簧和阻尼構成的減震筒可有效地過濾振動，保證車架上的宇航員免受振動影響，防止車輛的共振及傾翻。

圖17 為應急返回車后輪的減震結構示意圖。后輪的減震機構由扭力梁和摩擦法蘭副構成。后輪的擺動和振動通過后支臂傳遞到扭力梁，同時扭力梁連接處摩擦法蘭副吸收擺動過程能量，以摩擦熱形式消耗，實現阻尼效果。

圖17 后輪減震結構Fig.17 Rear wheel shock absorbing structure

應急返回車車輪設計參數如下：

（1）后輪/驅動輪：直徑400 mm、輪寬150 mm、厚度50 mm、最大靜載荷150 kg、最大變形20 mm/1 500 N。

（2）前輪/轉向輪：直徑280 mm、輪寬100 mm、厚度40 mm、最大靜載荷150 kg、最大變形20 mm/1 500 N。

車輪全部采用金屬材料，其中，輪轂采用鋁合金材料，胎面材料用65 Mn 彈簧鋼材料（需熱處理）。

5 性能試驗

根據設計方案，加工、組裝了一輛應急返回車，并進行了折展、移動性等試驗，驗證車輛是否滿足設計要求。

5.1 折展試驗及具體參數

如圖18 所示為折展試驗，所設計應急返回車可通過遙控實現自動展開和折疊。在折展試驗過程中，對應急返回車的具體參數進行了測量。整車總重39.8 kg，展開后尺寸為：長1 891 mm，寬1 235 mm，高902 mm；折疊后尺寸為：長600 mm，寬498 mm，高399 mm。應急車展開體積與折疊體積比為17.67，基本與設計尺寸一致。設計尺寸與實物尺寸存在較小的差值，主要是由零部件加工及裝配誤差導致。

圖18 應急返回車折展Fig.18 Emergency return vehicle folding and extension

5.2 移動性試驗

為了驗證該裝置的性能，我們進行了行駛、轉向、越障、爬坡和承載試驗。

（1）行駛試驗

采用卷尺測距得到直線方向上3 個間隔5 m的定位點并采用地標標注，控制應急返回車在平穩狀態保持最大速度沿該直線前向行進或后向行進通過該三點，并用秒表依次測量并記錄駛過兩點的時間間隔，通過行駛時間及行駛距離計算出行駛速度。試驗顯示，在前向行駛過程中，應急返回車駛過5 m 距離用時0.9 s 即速度為5.56 m/s。設計要求前向行進時速度應不小于10 km/h 即2.78 m/s，滿足設計要求。

（2）轉向試驗

將應急返回車調整為最大轉角后進行測量，其最大前輪擺角為20°，轉向圓半徑約5 m。圖19和圖20 分別為前輪右、左轉向實驗。

圖19 前輪右轉向Fig.19 Front wheel right steering

圖20 前輪左轉向Fig.20 Front wheel left steering

（3）越障試驗

圖21 為應急返回車越障試驗，在10 cm 以上單塊凸起、凸凹路面情況下應急返回車均可平穩通過。

圖21 越障試驗Fig.21 Barrier crossing test

（4）爬坡試驗

圖22 為在松軟地面上進行爬坡測試，圖23為在硬質地面上進行爬坡測試，應急返回車均可平穩向上行駛且不出現打滑現象。

圖22 松軟地面爬坡測試Fig.22 Climbing test on soft ground

圖23 硬質地面爬坡測試Fig.23 Climbing test on hard ground

（5）承載試驗

在空曠地形環境下，讓兩位體重分別為60 kg 和70 kg 的成員共同坐在應急返回車座椅上，控制車輛行駛，結果表明，應急返回車可在130 kg 載荷下正常行駛。

圖24 承載試驗Fig.24 Loading test

5.3 試驗結論

折展試驗、移動試驗等證明，所設計裝置滿足設計目標。

（1）應急車可在遙控下完成折疊和展開，設計折展比為17.6，實物折展比為17.67。

（2）設計要求前向行進時速度應不小于10 km/h 即2.78 m/s，實物測量應急返回車駛過5 m 距離用時0.9 s，速度為5.56 m/s。

（3）應急返回車最大前輪擺角為20°，轉向圓半徑約5 m。

（4）應急返回車在10 cm 以上單塊凸起、凸凹路面情況下均可平穩通過。

（5）應急返回車在20°坡度的松軟和硬質地面，均可平穩向上行駛且不出現打滑現象。

（6）應急返回車可在130 kg 載荷下正常行駛。

6 結論

本文依據月球探測應急生保和短距離移動需求，設計了一種“立方體”應急返回車（Cube Emergency Lunar Vehicle of China，CELV），綜合考慮了宇航員的安全性、舒適性和返回車的可靠性、可操作性、需節省空間等因素，對車身構型、折展模式、驅動方式、底盤結構、懸掛轉向、車輪等多個模塊進行了設計優化，并進行了試制和試驗。

在折展模式的選擇上，采取折疊和伸展相結合，無需組裝、裝配工藝，并將前后輪設計成不同直徑，采用車輪相套的方式，減少了折疊尺寸；通過返回車整體有效的折疊設計，實現了較高的展/折比，折展比大于17。

對于驅動和轉向方式，采用了后輪輪轂電機驅動，前輪獨立轉向，簡化了轉向結構，提高了傳動效率。

在應急返回車的構型設計上，采用了車身拉長，后橫梁延長拉伸方法，提高了整車軸距輪距，并且增加了踏板和前梁腳踏，四輪均增設擋塵板，進一步保護車輛及宇航員。

車輪采用了全金屬彈性輪，保障月球環境下的適應性和可靠性，并在前后輪均設置減震單元，保障行進過程的穩定性和舒適性。

設計的應急返回車滿足行駛、轉向、越障、爬坡要求。