黃紹帥　楊建國　茍志明

摘要：本文通過對(duì)載人月球車設(shè)計(jì)的意義、現(xiàn)存問題、設(shè)計(jì)實(shí)例與設(shè)計(jì)思路分析進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐，對(duì)月球車?yán)m(xù)航能力、情感化設(shè)計(jì)、車體結(jié)構(gòu)等問題進(jìn)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(hào)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(jì)

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dòng)及探測(cè)的重要工具，載人月球車可以使航天員更加方便地移動(dòng)和存放月球上的各類標(biāo)本。載人月球車裝有傳輸設(shè)備和攝像機(jī)，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(hào)”“玉兔二號(hào)”。

2載人月球車設(shè)計(jì)的意義

載人探月工程不僅會(huì)推動(dòng)科學(xué)的進(jìn)步，也將帶來一系列的世界范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，最終造福人類命運(yùn)共同體。載人月球車是月面宇航員大范圍人工探測(cè)的關(guān)鍵，負(fù)責(zé)月面宇航員高速移動(dòng)、物資運(yùn)轉(zhuǎn)、應(yīng)急救援等重要工作，能更好實(shí)現(xiàn)著陸點(diǎn)、居住艙、采樣探測(cè)區(qū)之間配合，在保證宇航員的安全、開展月面采樣探測(cè)、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(jì)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(shí)，車體起伏與在地面相比較大，當(dāng)高速移動(dòng)時(shí)遇到障礙時(shí)，由于慣性原因，車輪會(huì)暫時(shí)騰空，造成車輛的危險(xiǎn);同時(shí)高速行駛時(shí)可能產(chǎn)生的側(cè)翻、碰撞等問題，也會(huì)對(duì)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(shí)顛簸嚴(yán)重，會(huì)對(duì)航天員的安全構(gòu)成威脅，而且過度地顛簸也會(huì)對(duì)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(dòng)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(shí)的容錯(cuò)率也尤為關(guān)鍵。

4載人月球車設(shè)計(jì)實(shí)例分析

月球漫游車（LRV）是一種電動(dòng)車輛，設(shè)計(jì)用于在月球的低重力真空中運(yùn)行，能夠穿越月球表面，使阿波羅號(hào)的宇航員能夠擴(kuò)大他們的地表外活動(dòng)范圍。三輛漫游車在月球上行駛，每個(gè)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(gè)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(gè)座位都有可調(diào)節(jié)的腳凳和尼龍搭扣安全帶。一個(gè)大的網(wǎng)狀碟形天線安裝在探測(cè)車前部中心的桅桿上。懸架包括一個(gè)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(tái)電視攝像機(jī)、一臺(tái)機(jī)載16mm遙控相機(jī)，拍攝畫面直達(dá)休斯頓，前衛(wèi)的行車記錄儀設(shè)計(jì)信號(hào)是通過高低增益的2個(gè)天線和地球進(jìn)行通信。（2）導(dǎo)航系統(tǒng)。合陀螺儀和行駛距離存儲(chǔ)計(jì)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(tái)頂部，還有一個(gè)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(zhǔn)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(jìn)行儲(chǔ)熱，蠟熔化時(shí)將電子設(shè)備保持在恒定溫度，當(dāng)停車歇息時(shí)，打開防塵罩，融化的蠟通過頂部的空間輻射散熱器進(jìn)行放熱，蠟固化以重復(fù)使用。當(dāng)電池溫度達(dá)到安全的45℉，雙金屬彈簧自動(dòng)關(guān)閉防塵罩。

5載人月球車設(shè)計(jì)思路

5.1動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

月球車—般用蓄電池來驅(qū)動(dòng)，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(qiáng)的動(dòng)力源對(duì)月球車的設(shè)計(jì)非常重要。由于運(yùn)載火箭的發(fā)射成本限制，月球車的體積必須被嚴(yán)格限制，所以電池的位置必須被合理地設(shè)計(jì)，并且在折疊之后不能影響其正常功能。

5.2折疊設(shè)計(jì)

月球車跟隨登月艙登月，除了人員的登陸倉和推進(jìn)系統(tǒng)，剩余空間較小，所以月球車的折疊機(jī)制對(duì)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(jì)

（1）防震防翻性能。月球上充滿細(xì)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(jìn)行重新設(shè)計(jì)。（2）防塵性能。由于月球上沒有風(fēng)和流動(dòng)的水，塵埃顆粒大多又尖又鋒利，而且因?yàn)榈椭亓υ?，月塵會(huì)在空中漂浮更久，因此會(huì)對(duì)探月的儀器設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損。必須使用強(qiáng)度較高的材料將易磨損的部分保護(hù)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(jì)

月球從127℃到-232℃的巨大溫差對(duì)月球車的溫控設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)月球成車的安全造成威脅。

5.5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于月球上特殊的移動(dòng)機(jī)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(jì)，這也是月球車能否成功完成任務(wù)的重要因素。

6“乂”號(hào)載人月球車設(shè)計(jì)實(shí)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(duì)月球車的各項(xiàng)性能重要程度做了排名，對(duì)以后的設(shè)計(jì)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(jì)

該月球車名稱為“義”，“義”號(hào)月球車整體意象選用弓箭，不僅因?yàn)楹篝嗌淙帐侨A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(rèn)知有較為一致意義，拉滿弓時(shí)，飽滿的曲線給人蓄勢(shì)待發(fā)之感。折疊功能是模擬傘骨的運(yùn)動(dòng)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(jì)呈現(xiàn)

“義”號(hào)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(hù)作用的同時(shí)，也使結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。兩個(gè)拱形架的開合角度增大，視野擴(kuò)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(hào)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(jìn)行旋轉(zhuǎn)。操作臺(tái)是分兩部分，一位控制車輛行進(jìn)，一位控制儀器。在座位的防護(hù)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(shí)提供一定的保護(hù)和緩沖。兩個(gè)座位背對(duì)放置，中間放有便攜式工具包，可供緊急使用，增加了駕駛時(shí)宇航員的安全性與實(shí)際應(yīng)用時(shí)可靠性。車身圓盤部分設(shè)有儀器搭載平臺(tái)，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(chǔ)物箱的方式，減少了揚(yáng)塵進(jìn)入的可能，增大了儲(chǔ)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(qiáng)度、低密度的特點(diǎn)，能較好適應(yīng)月球表面的特殊地形與土壤環(huán)境，同時(shí)也能夠很好地提高載人月球車的移動(dòng)能力。在車輪處單獨(dú)設(shè)有減震器和驅(qū)動(dòng)裝置，四個(gè)輪子獨(dú)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(cè)的關(guān)鍵，在保證宇航員的安全、開展月面采樣探測(cè)、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(duì)月球車現(xiàn)存的諸多問題，提出了載人月球車的設(shè)計(jì)思路，滿足了新時(shí)代中國載人探月工程的需求。希望對(duì)我國的載人探月工程具有推動(dòng)作用。