黄绍帅　杨建国　苟志明

摘要：本文通过对载人月球车设计的意义、现存问题、设计实例与设计思路分析进行设计实践，对月球车续航能力、情感化设计、车体结构等问题进行了研究，提出了以后羿之弓、伞骨收缩相结合的意象为基础，拱形结构作为支撑的“义”号载人月球车方案;解决了现有月球车的诸多问题，使得月球车更加符合中国载人航天的需求。

关键词：载人;月球车;设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2020）05-0159-02

1载人月球车概述

载人月球车是作为航天员在月球表面活动及探测的重要工具，载人月球车可以使航天员更加方便地移动和存放月球上的各类标本。载人月球车装有传输设备和摄像机，向地球发回记录的影像和数据。目前已发射的所有月球车均为轮式月球车，分为4轮、6轮、8轮等几种方式。至今我国发射的载人月球车和中国的“玉兔号”“玉兔二号”。

2载人月球车设计的意义

载人探月工程不仅会推动科学的进步，也将带来一系列的世界范围内的产业升级，最终造福人类命运共同体。载人月球车是月面宇航员大范围人工探测的关键，负责月面宇航员高速移动、物资运转、应急救援等重要工作，能更好实现着陆点、居住舱、采样探测区之间配合，在保证宇航员的安全、开展月面采样探测、提高宇航员搜索效率等多方面发挥着不可或缺的作用。因此，设计出一款可靠、可行的载人月球车将成为载人探月工程中的关键一环。

3载人月球车的现存问题

目前载人月球车存在以下几方面问题：（1）低重力环境下存在安全问题。在1/6g地球重力下高速行驶时，车体起伏与在地面相比较大，当高速移动时遇到障碍时，由于惯性原因，车轮会暂时腾空，造成车辆的危险;同时高速行驶时可能产生的侧翻、碰撞等问题，也会对探月任务造成阻碍。（2）车辆缓震不理想。由于月球车开放的框架式结构，载人月球车在高速穿越崎岖路面和斜坡时颠簸严重，会对航天员的安全构成威胁，而且过度地颠簸也会对月球车本身的部件和结构产生威胁。（3）故障应急方案不完善。如果没有故障应急措施，航天员的舱外活动被限制在距离着陆舱5 km的范围内，以确保能够步行回舱。月球上的环境十分极端，在驾驶时的容错率也尤为关键。

4载人月球车设计实例分析

月球漫游车（LRV）是一种电动车辆，设计用于在月球的低重力真空中运行，能够穿越月球表面，使阿波罗号的宇航员能够扩大他们的地表外活动范围。三辆漫游车在月球上行驶，每个漫游车被使用三次，每天一次，每次任务持续三天。

4.1载人月球车的结构

月球漫游车的质量为210kg，可在月球表面再承载490kg的载荷。车架长4.1m，轴距2.3m。最高高度为1.14m。车架由铝合金221 9管焊接组件组成，车架由3部分底盘组成，车架中心铰接，可折叠悬挂在登月舱第1舱。它有两个并排的可折叠座椅，由管状铝制成，配有尼龙带和铝制地板。座位之间安装了扶手，每个座位都有可调节的脚凳和尼龙搭扣安全带。一个大的网状碟形天线安装在探测车前部中心的桅杆上。悬架包括一个上下扭力杆的双水平叉骨和底盘与上叉骨之间的阻尼单元。满载的LRV有36cm的地面间隙（如图1）。

4.2载人月球车携带的设备

（1）搭载的记录与通讯设备。配备了一台电视摄像机、一台机载16mm遥控相机，拍摄画面直达休斯顿，前卫的行车记录仪设计信号是通过高低增益的2个天线和地球进行通信。（2）导航系统。合陀螺仪和行驶距离存储计算功能的导航系统，显示和登月舱的距离和方向;在中控台顶部，还有一个类似日晷的装置，可以根据太阳的方位角，人工判定月球的参考方向，确保导航仪的准确性，防止宇航员在月球走失。（3）温度控制系统。柔性热带将电器产生的热转移到可融性蜡进行储热，蜡熔化时将电子设备保持在恒定温度，当停车歇息时，打开防尘罩，融化的蜡通过顶部的空间辐射散热器进行放热，蜡固化以重复使用。当电池温度达到安全的45℉，双金属弹簧自动关闭防尘罩。

5载人月球车设计思路

5.1动力系统设计

月球车—般用蓄电池来驱动，并使用太阳能充电板来辅助供电。寻找一种体积小且供能强的动力源对月球车的设计非常重要。由于运载火箭的发射成本限制，月球车的体积必须被严格限制，所以电池的位置必须被合理地设计，并且在折叠之后不能影响其正常功能。

5.2折叠设计

月球车跟随登月舱登月，除了人员的登陆仓和推进系统，剩余空间较小，所以月球車的折叠机制对于减小火箭发射成本，提高发射成功率具有重要意义，所以月球车的折叠问题皆须考虑。

5.3安全性能设计

（1）防震防翻性能。月球上充满细小的月尘和陨石冲击坑，大块的月岩都是制约月球车的因素，故考虑到宇航员和搭载仪器的安全，月球车的防震防滚等性能都应进行重新设计。（2）防尘性能。由于月球上没有风和流动的水，尘埃颗粒大多又尖又锋利，而且因为低重力原因，月尘会在空中漂浮更久，因此会对探月的仪器设备产生严重的磨损。必须使用强度较高的材料将易磨损的部分保护住，才能保证载人月球车和航天员在月表的安全。

5.4温控设计

月球从127℃到-232℃的巨大温差对月球车的温控设计产生了巨大的挑战，而真空条件下部分部件可能出现的冷焊现象也会对月球成车的安全造成威胁。

5.5结构设计

对于月球上特殊的移动机构和月面环境，月球车和地球上的车辆有所不同，底盘和轮胎等都需要研究设计，这也是月球车能否成功完成任务的重要因素。

6“乂”号载人月球车设计实践

6.1质量功能匹配

通过质量功能匹配确定了需求和相应产品或服务性能之间的联系，按照需求对月球车的各项性能重要程度做了排名，对以后的设计过程起到了指导作用（如图2）。

6.2头脑风暴与草图设计

该月球车名称为“义”，“义”号月球车整体意象选用弓箭，不仅因为后羿射日是华人中代表着力量速度，而且也能超越地域限制。弓箭在大家的认知有较为一致意义，拉满弓时，饱满的曲线给人蓄势待发之感。折叠功能是模拟伞骨的运动过程，为月球车的折叠方式，提供了另一种可能性。

6.3设计呈现

“义”号月球车最终车体呈现图示效果（如图3）。从侧面看，车身形成了“弓”的形状，月球车的框架为x形，在起到一定保护作用的同时，也使结构更稳定。两个拱形架的开合角度增大，视野扩大。车身下改成由四根金属杆链接中轴行程底部的支撑架与座椅旋转器结合的轻便底。材质选择采用碳纤维与韧性基体树脂复合所制韧性CFPR，型号为T800H/3900-2。座位通过座椅旋转器旋转，让宇航员在侧面上下车，借助在中轴、中部圆盘进行旋转。操作台是分两部分，一位控制车辆行进，一位控制仪器。在座位的防护装置方面，在座椅上直接设置环形肋架，为宇航员驾驶时提供一定的保护和缓冲。两个座位背对放置，中间放有便携式工具包，可供紧急使用，增加了驾驶时宇航员的安全性与实际应用时可靠性。车身圆盘部分设有仪器搭载平台，仪器装卸简单。整体线控包裹在框架之中，减少裸露，增加安全性。装卸仪器位于座椅旋转器上座椅两侧放置储物箱的方式，减少了扬尘进入的可能，增大了储物空间，以及拿取和装载的便利。由内部弹性阻尼器、铝合金的组合式轮毂和金属丝网胎面组成的车轮，具有高韧性、高强度、低密度的特点，能较好适应月球表面的特殊地形与土壤环境，同时也能够很好地提高载人月球车的移动能力。在车轮处单独设有减震器和驱动装置，四个轮子独立供能。折叠方式选用了伞骨折叠的方式，纵向折叠，压缩空间。

7结语

载人月球车是月面宇航员大范围人工探测的关键，在保证宇航员的安全、开展月面采样探测、提高宇航员搜索效率等多方面发挥着不可或缺的作用。本文针对月球车现存的诸多问题，提出了载人月球车的设计思路，满足了新时代中国载人探月工程的需求。希望对我国的载人探月工程具有推动作用。