载人月球车移动系统综述及关键技术分析.pdf

第3 3 卷第6 期2 0 1 2 年6 月宇航学报J o u r n a lo fA s t r o n a u t i c sV 0 1 3 3N o 6J u n e2 0 1 2载人月球车移动系统综述及关键技术分析邓宗全1，范雪兵。2，高海波1，丁亮1(1 哈尔滨工业大学字航空间机构及控制研究中心，哈尔滨1 5 0 0 0 1；2 东北电力大学机械工程学院，吉林1 3 2 0 0 1)摘要：以载人月球车的发展和相关技术为对象，首先对国外载人月球车移动系统的概念设计进行了系统的综述，对载人月球车各种概念设计的特点进行了比较和分析，探讨了载人月球车的设计趋势；其次以阿波罗载人月球车移动系统结构为例，分析其移动系统的主要构成作为借鉴；然后从机构学、地面力学及动力学等方面在载人月球车研究中的应用现状进行了综述；最后提出了载人月球车移动系统的关键技术，指明了当前亟需解决的关键技术及难点所在。关键词：载人月球车；概念设计；移动系统；关键技术中图分类号：T P 2 4 2文献标识码：A文章编号：1 0 0 0 1 3 2 8(2 0 1 2)0 6-0 6 7 5 1 5D O I：1 0 3 8 7 3 j i s s n 1 0 0 0-1 3 2 8 2 0 1 2 0 6 0 0 1R e v i e wa n dK e yT e c h n i q u e sf o rL o c o m o t i v eS y s t e mo fM a n n e dL u n a rR o v e r sD E N GZ o n g q u a n l，F A NX u e b i n 9 1”，G A OH a i b 0 1，D I N GL i a n 9 1(1 R e s e a w hC e n t e ro f A e r o s p a c eM e c h a n i s ma n dC o n t r 0 1 H a r b i nI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y。H a r b m1 5 0 0 0 1，C h i n a；2 S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n gC o l l e g e。N o r t h e a s tD i a n l iU n i v e r s i t y，J i l i n1 3 2 0 0 1，C h i n a)A b s t r a c t：Ar e v i e wo fm a n n e dl a n a l r o v e r s c o n c e p t u a ld e s i g ni sp r e s e n t e d B a s e do ns u m m a r i z a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fC O n c e p t u a ld e s i g n sf o rm a n n e dl u n a rl o v e r s，d e s i g nR e n di sp u tf o r w a r d L e s s o n sl e a r n e df r o mt h eA p o l l ol n a rR o v i n gV e h i c l ea r ed i s c u s s e d T h e na p p l i c a t i o n so fM e c h a n i c s t e r r a m e c h a n i c sa n dd y n a m i c si nm a n n e dl u n a rr o v e ra r er e v i e w e d B ys t u d y i n gt h ef u n d a m e n t a lc o n t i g n m t i o no ft h el o c o m o t i v es y s t e m，s o m en e wc o n c e p t u a ld e s i g n so fl o c o m o t i v es y s t e mf o rt h r e ea n df o u rw h e e l sr e v e r ea c a r r i e do u t F i n a l l yS o m ek e yt e c h n i q u e sr e l a t e dt Ot h el o c o m o t i v es y s t e mo fm a n n e dl u n a rr o v e l a r ed i s c u s s e di nd e p t h K e yw o r d s：M a n n e dl u n a rr o v e r s；C o n c e p t u a ld e s i g n；L o c o m o t i v es y s t e m；K e yt e c h n i q u e s0 引言载人月球车是近年来月球探测研究领域的热点问题之一-l“J。无论是在月面的短期驻留还是长期居住，载人月球车都是不可缺少的重要研究媒介和探测工具，可以更高效地搭载宇航员到达距离登月舱较远的地方，更有效地完成多种探测任务。当前实施月球探测计划的国家和组织都在根据自己的载人月球探测计划，纷纷投入巨资，研制各种月球车。3-4J。作为一种适于在月面上行驶的特殊电动车辆，其研究进展的快慢、功能的完善程度与性能的优劣，将直接关系到整个月球探测及行星探测的进程。5 6|。围绕载人月球探测，美国开展了称为“月球前哨”的概念性月面体系的研究，包括月面能源、月面通信、居住地、用于载人与科学研究的月球车以及原收稿日期：2 0 1 l-0 8-1 7；修回日期：2 0 1 2-0 3-2 4基金项目：国家自然科学基金(5 0 9 7 5 0 5 9 6 1 0 0 5 0 8 0)；哈尔滨工业大学宇航机构及控制技术重点学科实验室开放基金课题(H r r K L O F2 0 0 9 0 6 1)；科技部一国际科技合作项目(2 0 1 0 D F R T 0 2 7 0)；。1 1 1”工程(B 0 7 0 1 8)万方数据6 7 6宇航学报第3 3 卷位资源利用等o。俄罗斯航天工业巨头一“能源”火箭航天集团公布了俄罗斯未来2 5 年载人航天发展计划方案一在2 0 1 5 年派载人飞船登陆月球执行任务，在月球上建立一个拥有核能工厂和设备，并可以提炼出氦一3 的永久性基地。2 0 0 8 年，俄罗斯已经开始“月球一全球”(L u n a G 1 0 b)1 轨道器B 阶段设计工作埔J。同年，针对欧空局提出的“太空探索基本构想”，欧洲工业界提出了有关月球着陆器及其运载火箭的各种方案。目前欧空局正在论证“月球下一步”(M o o nN e x t)着陆器。1 9 9 6 年，日本提出了建造永久月球基地的计划，预计投资2 6 0 多亿美元，在之后的3 0 年之内建成月球基地归o。根据国际载人探月的炽热形势，我国也要面向国际空间科技发展前沿，努力提升空间科学、技术与应用在国家发展中的地位，并相应的开展探月及月球科学研究0。“J。国内有关专家提出了长远的月球规划，即“探、登、驻”三大步，在无人探月之后，进一步开展载人登月和建立月球基地。2 0 2 0 2 0 3 0年，要逐渐转入“登”月阶段，即实现载人登月，初步建立月球基地，包括建立月基天文观测、月球就地勘察各类资源等，为开发月球奠定基础。2 0 3 0 年后，将进入第三大步“驻”月阶段，即进入长期开发月球的阶段，并使月球成为探测火星等太阳系其它天体的前哨站。在载人航天方面的计划中，中国将在2 0 3 0 2 0 5 0 年先后实施载人登月、木星以远行星卫星及小天体探测、建立月球基地，最后实现载人登陆火星。在生命的起源和演化的探索中取得突破，进行深空可利用资源开发“。众所周知，美国已经成功发射了载人月球车13 I，而我国的载人月球车研究仍处在探索阶段。作为2 0 世纪美国阿波罗登月计划的一个重要部分，美国载人月球车取得了让世人瞩目的成绩，但限于当时的技术，其对月球也仅进行了非常有限的局部研究，留下许多悬而未决的问题和研究空白。通过了解国外载人月球车的发展现状和研究手段，借鉴国外的有益经验，紧密跟踪载人月球车技术的最新进展，我国应适当开展一些探索与预研，重视自主设计和创新，做好必要的技术储备。本文基于以上原因首先介绍了载人月球车移动系统的各种概念设计，通过比较和分析指明了未来的载人月球车移动系统的设计趋势；然后从机构学、地面力学、动力学等基础理论在载人月球车设计方面的应用现状进行了分析；同时提出了关于载人月球车几点当前需要解决的关键技术及难点问题，期望有助于这一研究的继续深入与运用。1载人月球车移动系统概念设计研究现状及趋势月表本身特殊的物理特性4 0 及月面环境因素【1 卜1 6o 对载人月球车的设计提出了较为苛刻的技术要求，作为运输平台的载人月球车移动系统，要有较高的车速、较大的爬坡度、更大的承载能力、较好的平顺性、可靠的制动性能、良好的月面适应性，并具有较强的越野能力，以适应月表环境和条件。由于科学探测任务、承载对象和性能需求的不同，目前已研制的各种载人月球车移动系统可归结为两大类：无可增压装置载人月球车和有可增压装置载人月球车7 8|。各概念设计结构各异、尺寸不一、性能不同，但大多集中于某个特定研究领域，设计存在特殊化和多样化的特点，设计过程缺少继承性；同时设计过程中很多自觉和经验方法的引入可能导致设计的不科学、构型性能下降等问题，缺乏一个全面、层次化的系统总体研究b 1。同时开发新型的载人月球车构型仍然是一个富有挑战性的课题。月球车可按其功能、任务及结构特点这三维概念进行整体划分，如图1 所示，且各分类方法可交叉组合。如本文着重讨论的月球车就是将任务需求和结构特点相结合的轮式载人月球车。n 翮雅结构特点lI 任务需求lI 功能碌理雅日武月熊图1 月球车分类方法框图F i g 1C l a s s i f i c a t i o no fl u n a rl o Y e l x1 1 无可增压装置载人月球车移动系统概念设计无可增压装置载人月球车，无加压舱(或称居住舱)，宇航员必须穿着舱外宇航服进行操作，可用万方数据第6 期邓宗全等：载人月球车移动系统综述及关键技术分析6 7 7于完成短时距的探测任务，典型设计概念如图2 所的有效载荷及其它特点的分析和比较可参见表I。示，各概念设计的主要结构特点、能源系统、可承载表1无可增压装置的载人月球车T a b l elC o m p a r i s o no fu n p r e s s u n z e dm a n n e dr o v e r s：警一_ 二二一j 璺鳞-；戡_ 一(a)M O B E V R I B蕤劳妒谶图2 无司增压装置月球车F i g 2U n p r e s s u r i z e dm a n n e dr o v e r,s1 2 有可增压装置载人月球车移动系统概念设计有可增压装置载人月球车配有一定压力的船舱，相当于一个可移动的居住舱，在舱内宇航员不必穿着舱外宇航服就可以进行操作。可用于长时距的探测任务，其典型的设计概念如图3 所示，各设计概念的主要结构特点、能源系统、可承载的有效载荷及其它特点的分析和比较可参见表2。1 3 载人月球车移动系统设计趋势基于无可增压装置及有可增压装置载人月球车基本参数的比较分析，如表1 和表2 所示，综合以上载人月球车移动系统的构型特点，在设计时应考虑如下一些设计趋势：(1)活动范围更广，速度更快，承载的有效载荷更大；(2)能源系统寿命更长，或可充电；(3)由单模式向双模式或多模式转变，或完成多重任务，且在无人有人，H 夜不同模式下可实现遥操作；(4)移动系统构型上多采用被动结构或兼有主动和被动元素。被动结构可降低能耗需求，自动适应地形的起伏变化，简化系统控制规划；(5)多模块的方案使月球车具有可重构性，增加系统冗余度；(6)除H a b o t 外，载人月球车概念设计大多采用轮式结构，偶数个车轮，且未选用充气轮胎；(7)由于载人月球车质量和尺寸受到运载火箭能力限制，大多数有可增压装置月球车因质量体积过大，需重新提供大载荷的发射装置作为支撑；从长远来看，有可增压装置月球车能长时问在月面工作，万方数据6 7 8宇航学报第3 3 卷表2 有可增压装置的载人月球车T a b l e2C o m p a r i s o no fp r e s s u r i z e dm a n n e dr o v e r s是建立月球基地必不可少的。由于缺少各种概念设计更为详尽的技术参数，无法做出更进一步的比较和分析，这些概念设计可为满足不同任务需求的载人月球车的设计提供有益的帮助。并且利用现代虚拟仿真技术加快载人月球车开发步伐已成为一种必然的趋势。2 已成功发射的载人月球车移动系统结构分析在过去近4 0 年，已经成功发射至月球和火星上的探测器共计8 辆。其中发射到月球的探测器有5 辆，包括阿波罗计划的3 辆L R V(h m a rR o v i n gV e h i c l e)m J，苏联2 辆(h m o k n o d l 和h m o k n o d 2)驯。其余3 辆是发射至火星上的，分别是索杰纳(S o j o k e r)、勇气号(S p i r i t)和机遇号(O p p o m l n i t y)E 3 0J。万方数据第6 期邓宗全等：载人月球车移动系统综述及关键技术分析6 7 9及其(h)(i)UJf kJ图3 有可增压装置月球车F i g 3P r e s s u r i z e dm a n n e dr o v e r s但只有阿波罗的3 辆L R V 是载人月球车，如图4 所示，也是唯一由宇航员驾驶，在相对较短的时间内行驶了相当距离的月球车。图4 月球车(L R V)F i g 4L u n a rr o v m gv e h i c l e(L R V)载人月球车是一辆纯电动车，可在月表的低重力真空环境中进行操作，延伸宇航员的活动范围。阿波罗1 5 上的L R V 行驶了2 7 8 k i n，历时3 小时2分钟；阿波罗1 6 上的L R V 行驶了2 6 7 k i n，历时3小时2 6 分钟；阿波罗1 7 上的L R V 则在4 小时2 6分钟内行驶了3 5 k i n 旧。”1。2 1 阿波罗载人月球车移动系统结构特点阿波罗载人月球车的活动范围被限制半径9 5 k m 的范围内。移动系统本身重量约2 1 0 k g，承载F i g 5L R Vd e p l o y m e n ts e q u e n c e整车长3 1 m，轮距1 8 3 m，最小离地间隙O 3 6 m。电源采用不可充电电池，四轮驱动，轮毂电机为2 0 0 W 的直流驱动，谐波减速，速比8 0：1 口“。底盘由前中后三部分组成，由铝合金管2 1 1 9 焊接构成，悬架为双横臂独立悬架，底盘及悬架均可折展。转向系统由双套后置式阿克曼转向机构组成。车轮为金属弹性筛网轮，胎面由镀锌高碳钢丝编织而成，通过钛合金框架与铝合金的轮毂相连。车轮直径0 8 2 m，轮宽0 2 3 m。弹性轮胎的外表面上安装有钛合金的齿片，齿片成“人”字形均匀分布在轮胎圆周表面，覆盖面积达轮胎表面的5 0，齿片高O O l m。3。移动系统、悬架及车轮结构如图6 所示。图6 月球车移动子系统及车轮F i g 6【R Vm o b i l i t ys u b s y s t e ma n dw h e e l2 2 阿波罗载人月球车移动系统设计分析阿波罗月球车是当时汽车先进技术的一个集中体现。尽管近4 0 年来，关于月球车的许多新技术和新方法得以研究和应用，但阿波罗载人月球车移动系统仍有很多值得借鉴和研究之处。从整体上看，簇。熊熊群稗腑“镁一日。叭障眦一y。保盯鳓烹阴卷嘣命约刑。L锺尸批触舯胝。园焉器黧佴装簪影备影摄整圈耘，、菇秽，I，以澎。龟，弩蛳，癣雄翟万方数据宇航学报第3 3 卷阿波罗月球车的科学目标和着陆阶段相雷同，在一定程度上，没有充分发挥和着陆器的联合探测作用。从细节上来看，阿波罗月球车的轮胎结构值得借鉴，从减少月球车质量的角度，弹性筛网轮更有优势；丽且对月球环境的适应性较好。在较恶劣的环境下执行探测任务，较其它形式及结构的车轮，金属弹性车轮无疑会逐渐成为载人月球车研究的重点训。底盘配有四套扭杆式悬架子系统，多点独立连接，多个独立悬架通过扭杆弹簧和载荷平台固连。扭杆式悬架子系统能够自动适应载荷的变化，减少地形起伏对载荷平台的冲击等【3 引。对于速度较高的载人月球车是较好的选择q”。同时底盘及悬架可折展结构设计较为巧妙，既节省空间，又符合人机工程，便于宇航员对其进行月面展开操作。转向系统由双套阿克曼转向机构组成，具有冗余性。阿波罗载人月球车采用的驱动电机为3 6 V 直流有刷电机，现在无刷电机已得到较为成熟的应用。L R V 的制动部分现在并不可取，现在往往将制动电机直接置于轮毂以替代线控方式。3月球车移动系统相关基础理论研究现状3 1 地面力学在月球车设计研发过程中的应用现状分析月表具有松软的土壤层和复杂的地表形态，要保证无人月球车在复杂环境中能够可靠的自主行走，载人月球车及大型月球探测用工程车辆能够有效辅助宇航员进行月球探测活动，研究行星探测中的地面力学问题，了解月壤的力学性能，对于未来各种月球车的设计都具有重要意义。国外行星探测活动开展较早，相关的地面力学研究较多，地面力学的奠基人贝克在1 9 世纪6 0 年代就开始从事阿波罗月球探测车的设计和相关研究 引，载人月球车(L R V)就是这一时期车辆地面力学的最高成就。另外，M I T 野外和空间机器入实验室、美国卡内基一梅隆大学、日本东北大学机器人实验室、德国宇航中心、以及国内的吉林大学地面机械仿生技术实验室、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学宇航空间机构及控制中心等许多单位和研究机构都针对小尺寸、低载荷的星球车在松软崎岖星球环境的地面力学问题有针对性地开发了单轮和整车测试系统，并开展了试验和理论研究J。美国卡内基一梅隆大学的A p o s t o l o p o u l o s 等基于贝克的地面力学理论，开发了用于移动机器人移动系统设计综合的软件L o c o m o t i o nS y n t h e s i s(L o c S y n)，可以根据土壤参数、机器人的结构参数等对车辆的地面通过性、可操纵性和地面适用性等进行计算和评价，并提供行走性能计算数据结果和图表，通过求解方程也可设计出所需的移动系统尺寸和结构特征】。吉林大学的智能车辆课题组设计的可伸缩叶片复式步行轮，能够根据轮一月壤相互作用的力学特征自适应地调节叶片的入土深度，不需要施加任何外部控制，并对牵引力通过性及挂钩牵引力进行了预测和影响因素分析4 1。北京航空航天大学高峰教授等从地面力学出发，定性分析了刚性轮与土壤的相互作用。4 3 。哈尔滨工业大学宇航空间机构与控制研究中心基于车辆地面力学中土壤的承压、剪切特性，建立了月球车刚性车轮在松软土壤上前进和转向的轮地作用力学模型，并通过数值计算分析了土壤参数及滑转率变化对驱动力矩、转向力矩的影响，并对模型进行了验证分析一J。此外基于地面力学还进行了星球车车轮和不等径轮的研究1。刘吉成博士等进行了轮一地接触力学特性的分析，以理论、实验与仿真相结合的方式研究了车轮的驱动性能，分析了车轮构型参数对其驱动性能的影响，建立了车轮驱动性能评价的指标体系，丰富了月球车移动子系统关键技术的研究内容J。丁亮博士等系统地进行了星球车轮地相互作用地面力学试验，建立了反映滑转沉陷和轮刺效应的高保真度力学模型，两种轮地相互作用解析解耦力学模型，提出了三种参数辨识方法。实现了软崎岖地形中基于地面力学的星球车高保真度动力学建模和仿真并进行试验验证H7 I。表3 对载人月球车与沙地车辆的不同进行了比较并分析其地面力学的特点，可以借鉴传统车辆地面力学，对载人月球车移动系统设计进行有针对性的研究。3 2 机构学在月球车移动系统设计研发过程中的应用现状分析典型的平面机构综合方法有：F r a n k e 标记法、图万方数据第6 期邓宗全等：载人月球车移动系统综述及关键技术分析6 8 1论法、阿苏尔杆组法、二杆链转化法、对称群理论等。机构拓扑设计理论主要是围绕着非数值类非线性问题展开。拓扑创新设计(方案设计)，对机构原始创新起着决定性作用J。在国外，应用于星球探测车极具创新性的机构较多，但对其进行的机构学理论分析公开的资料有限。美国卡内基一梅隆大学(C M U)研制的N o m a d是采用闭环铰链机构。该移动系统优点是底盘可变形，可折叠、运动灵活、节省空间，在A t a c a m aD e s e r t和南极的实地实验证明了其运动灵活性和稳定性。由美国J P L 研制的F I D O 采用六轮悬吊式结构，带有一个可折叠具有四个自由度的桅杆，车上带有一个四自由度的机械臂，在车体的前下部还装有一个小型的样本挖掘器旧J。俄罗斯车辆工程研究所研制的M a r s o k h o d 星探测车为六轮三体铰接式探测车，其移动系统分为三节，载荷平台也相应地分布到三节上。三节移动系统通过铰链连接，除去车轮旋转自由度外，可产生扭转、俯仰和横摆的运动姿态，具有六个自由度。欧洲航天局E S A 支撑E x o M a r s 计划的火星探测车很多采用了被动闭环铰链式连杆移动系统。由日本宇航中心、梅基大学等联合研制的火星探测车地面试验样车M i c r 0 5 采用五点辅助式移动机构，该移动系统为非独立移动系统，除去车轮的旋转，移动系统具有七个自由度等3”。表3 载人月球车与沙地车辆比较及其地面力学的应用分析T a b l e3D i f f e r e n c e sb e t w e e nl u n a r O V C U sa n ds a n d yv e h i c l e sa n da n a l y s i so ft e r r a m e c h a n i e sa p p l i c a t i o n在国内，北京航空航天大学丁希伦等开发了火星变胞探测车，其可展开式车轮，利用变胞原理，采用杆件变换，使其变形并变换不同的行走方式以适应不同的需求和环境1。华中科技大学的尚建荣按机构学和多体动力学的观点，将轮式机器人移动机构视为由轮系、悬架和车体等运动链或机械装置通过约束联系起来的多体系统。将轮式机器人移动机构的创新设计归结为构形创新和构形组合两类基本问题，提出了基于构形创新和构形组合的设计方法。对于月球车可展开机构可利用符号表示、方位特征矩阵和方程符号运算规则来进行深入分析和研究。哈尔滨工业大学的邱雪松将拓扑图论应用于可展开月球车车轮的分析上，利用拓扑图及构态变换矩阵对车轮变换构型进行深入分析，构思巧妙”2。同时利用拓扑结构综合对八轮扭杆摇臂式月球车移动系统折叠展开方案进行分析及选择一。哈尔滨工业大学宇航空间机构及控制中心张鹏博士，应用图论理论对月球车悬架和差动机构进行了拓扑构型综合，将悬架和差动机构用拓扑图中关于树的理论等来描述，基于对拓扑图的综合分析得到了满足要求的悬架和差动机构构型的拓扑关系，为月球车移动系统构型综合提供了一种新的方法【训。万方数据6 8 2宇航学报第3 3 卷3 3 动力学在月球车移动系统设计研发过程中的应用现状分析2 0 世纪8 0 年代以前，通常只借用机器人操作手(M a n i p u l a t o r)的基于关节空间的运动学。但从动力学方向看，轮式探测车和机器人操作手有较大区别：轮式探测车的运动约束方程是非完整的，即含有不可积代数方程，不得不引人多于系统自由度数的广义坐标数目，使得轮式探测车的动力学及控制要比机器人操作手复杂得多。2 0 世纪8 0 年代以来，理论上对轮式探测车的运动规划有了更多的研究，并对非完整系统的运动规划有了深入探讨。L a u m o n d 证明了C a r l i k e 探测车是可控的；R e e d s 和S h e p p 等人建立了C a r-l i k e 探测车无障碍情况下的最短路径规划；“和C a n n y 研究了非线性控制用于非完整系统时的可控性；L a u m o n d 和S i m e o n 等人用其所得结论证明了一体或二体轮式探测车的可控性副；B l o c h 和C l a m r o e h 等人分析了非完整系统的可控性及稳定性m4；Y i l l i o nZ h a o 和B e M e n t 等人较为系统地总结了轮式探测车的运动学、动力学及控制等问题，并证明了轮式探测车虽可控，但不存在连续可微的反馈控制；M u i r 和N e u m a n 等人研究了全方位轮式探测车U r a n n u s 的运动学、动力学及分解运动控制等”7-S S ；M u i r 等又于1 9 8 7 年提出了平面轮式移动探测车的基于坐标变换的通用运动学建模方法，此后有许多文献应用该方法的基本思想，对不同形式的轮式移动探测车建立了相应的运动学、动力学模型。在国内，哈尔滨工业大学高海波等建立了行星轮式月球车七自由度振动系统分析模型及振动微分方程，从而求出车身上随机振动响应及其与结构参数的关系。59|。胡明博士等采用牛顿一欧拉方法通过单体系统建立了六轮一摇臂转向架式月球探测车的动力学模型，运用多体系统动力学的矢量分析方法来研究其在崎t b l x Y I 球任意位置的受力及其人车轮的运动旧J。邱雪松博士等采用拉格朗日法建立了八轮扭杆摇臂式月球车动力学模型，并建立了十一自由度月球车锁止碰撞后的振动模型”1|。4 我国载人月球车移动系统初步方案论证载人月球车移动系统的初步设计方案可从运动系统、乘坐系统、导航系统、能源系统和热控系统五大子系统分别展开。载人登月可运用重型运载火箭，采取一到两次发射和一次月球交汇对接，或基于现有发射能力，多次发射，多次地球轨道交汇对接和一次月球轨道交汇对接“。这里拟定载人月球车初步方案是依据人车同时登月和人车分时登月两种状况进行。4 1四轮载人月球车主要技术指标与分析4 1 1 外形包络尺寸载人月球车外形包络尺寸受三个方面限制：其一是要考虑月球车移动系统各子系统结构要求的限制；其二是登月舱中载人月球车存储位置的限制，其三是月表特殊地形条件的影响。仿L R V 的形式对四轮可展开式载人月球车初步设计如图7 所示。气一图7四轮可折展载人月球车移动系统F i g 7M o b i l i t ys u b s y s t e mf o rf o u r-w h e e ld e p l o y a b l em a n n e dl u n a rr o v e r4 1 2 底盘折展方式载人月球车由于受到登月舱存储空间的限制，需对月球车底盘、悬架或车轮等子系统结构采用可折展的方式。载人月球车折展方案设计进要考虑如下问题：其一是展开地点，在着陆器登月舱上展开，在离开着陆器登月舱的过程中展开，以及在月表展开；其二是展开源，包括自展开，由宇航员借助一定辅助装置展开两种；其三是折展前后功能变化，包括折叠状态和展开状态均可自由行驶，和折叠状态不可行驶，展开后可行驶两种。阿波罗的载人月球车是在离开登月舱的过程中，由宇航员借助空间辅助装置展开，折叠状态时月球车不可自由行驶，而勇气号和机遇号探测车是在着陆器上自展开。如需在月表展开，则月球车折叠状态要能够自由行驶。我国载人月球车依据发射方案不同，载人月球车的折展方案也有所不同。人车同时发射时，可采用由宇航员借助一定辅助装置展开的方案，若人车分时发射，则载人月球车须具有自万方数据第6 期邓宗全等：载人月球车移动系统综述及关键技术分析6 8 3展开功能。这里侧重于对底盘可折展的方式进行探讨。折展方案有两种，其一是如图7 所示的将车轮及悬架进行折叠，可用于人车同时发射，由宇航员借助一定的辅助设施进行展开；其二是如图8 所示对载人月球车底盘进行折展机构设计，折展前后月球车均可行驶，对展开地点无限制。令分、f。令图8四轮载人月球车底盘折展机构F i g 8D e p l o y a b l em e c h a n i c so fc h a s s i sf o rf o u r w h e e lm a n n e dl u n a rr o v e r4 1 3 载人月球车移动系统功能约束载人月球车在月表探测要完成一系列的科学任务，实现移动、原位科学探测与试验等。载人月球车的质量、车轮设计必须要满足月壤的承压能力，保证载人月球车能够以较快的速度在松软的月面行驶。设计基本要求包括：乘载宇航员人数，月球车自重(不含有效载荷)上限值，承载能力(含宇航员和样品)，行驶速度等。为确保宇航员安全有效地完成探测任务，载人月球车要便于安装和操作，”逃离”危险地区时要快捷，载人月球车不但要有前进、后退、转向等运动能力，而且还要能够越过约0 3 米高的凸起砾石，跨过约0 7 米宽的裂缝或沟壑，穿越0 2 米深度的撞击坑，爬过约2 0。的斜坡，横向及纵向静稳定角达到约4 5 0 等。一次充电行驶距离及充电待机时间由蓄电池性能决定。行驶速度由驱动系统电机减速器的参数来决定。转弯半径依据载人月球车不同的转向方式及转向传动机构来确定。越障能力、最小离地距离、满载爬坡能力、满载驻车坡度及空车稳定性可由月面地形以及载人月球车地面通过性、越障能力、行驶稳定性等来确定。4 2 载人月球车移动系统其它构型研究考虑到重量及结构尺寸等方面的限制，除四轮外，侧重于对三轮、双四轮的月球车进行方案设计。三轮载人月球车移动系统，据车轮所处位置分为前一后二式和前二后一式，且座椅放置方式及有效载荷布置有所不同，动力学特性也有很大不同。4 2 1 前一后二式载人月球车宇航员座椅前后纵向放置，前部座椅为驾驶员座椅，如图9(a)所示。这种结构转向性能好，而且整车质量较轻且底盘具有可折展功能。4 2 2 前二后一式载人月球车宇航员座椅并排横向放置，如图9(b)所示。两人均可操控，但一般情况下以左侧为主驾驶员。这种结构是纵向尺寸小，且整车质量也较轻。p 一(a)前一后二式(a)O n e t w oI u r a n g e m e n t(b)前二后一式(b)T w o-o n cm-n m g e m e n t图9 三轮载人月球车构型F i g 9T h r e e w h e e lm a n n e dl u n a rr o v e r4 2 3 双四轮结构载人月球车移动系统双四轮结构载人月球车移动系统的悬架及整车模型如图1 0 所示。双轮结构除承载能力较强以外，在转向上具有更为灵活的优势，驱动系统设计也较为简单。转向时可实现全轮转向(如图1 1(a)，两前轮转向(如图I l(b)，两后轮转向(如图1 1(c)等多种方式。图l O 双轮结构悬架及整车模型F i g 1 0S u s p e n s i o na n dw h o l er o v e rm o d e l sf o rd u a l w h e e lm a n n e dl u n a rr o v e r5 我国载人月球车移动系统需解决的关键技术目前我国正在研究的各类月球车虽不能真正投入实用，但都在不同程度上取得了一定的研究成果，为我国开发载人月球车奠定了前期的理论及实践基础，载人月球车移动系统存在许多特殊性，依据笔者令Aj|j、脚蜚万方数据6 8 4宇航学报第3 3 卷多色两争莓oH 善i 争I奄量如多HF 一蔷。纠钾裂工匀(丑)【b)(c)图11双轮载人月球车可实现的转向模式F i g 11S t e e r i n gm o d e sf o rd u a l w h e e lm a n n e dl u n a rr o v e r的个人观点，尚有以下几方面的问题值得关注。5 1载人月球车移动系统相关的基础理论研究对于月球车移动系统相关的基础理论，无人月球车相关的研究较多，但载人月球车相关的资料较少。(1)地面力学在载人月球车移动系统性能研究方面的应用。地面力学在载人月球车移动系统地面开发阶段和遥操作探测阶段均可发挥重要作用。采用车轮与模拟月壤相互作用测试实验平台进行大量试验，研究不同车轮在不同构型、载荷、滑转率、运行速度等状态下的轮地相互作用力学，分析载人月球车车轮与月壤相互作用力学的影响因素，建立轮地作用力学预测模型，反映松软崎岖地形环境中载人月球车的受力、沉陷、侧偏和滑移等与运动控制密切相关的信息，对车轮的滑转率和侧偏角进行预测，提高定位精度，通过滑移补偿可实现高精度路径跟踪等4 7 。(2)载人月球车移动系统构型研究。在载人月球车移动系统方案创新设计过程中，整车系统及各子系统的构型研究是不可回避的关键问题。针对基于构型理论提出的多种载人月球车移动系统构型，可依据移动系统技术指标进行筛选，建立有效的构型评价理论，并形成有效的载人月球车移动系统初步设计方案，确保载人月球车移动系统的各种性能，增强月球车的地形适应能力、牵引能力和越障能力等。尤其是车轮构型研究及车轮原理样机研制。载人月球车的车轮与传统地面车辆的车轮及非载人月球车的车轮存在较大差别，有必要针对载人月球车车轮的构型、尺寸参数和加工制造工艺开展研究，为大尺寸月球车车轮设计奠定基础。(3)载人月球车移动系统运动学、动力学及性能评价方法研究。月球重力环境下载人月球车移动系统运动学、动力学研究是月球车深入研究的基础。可采用拉格朗日动力学建模方法和N e w t o n E u l e r 递归力学建模方法，针对轮式载人月球车进行通用的运动学和动力学模型的建立，建模过程中融人对载人月球车性能起决定作用的轮地力学模型。载人月球车移动系统的动力性、制动性、操纵稳定性及平顺性等的研究与传统地面车辆理论存在较大的差异性，在传统地面车辆理论基础上，充分考虑月面环境的特殊性，进行适当修正和应用。可基于V o r t e x 软件对关键算法和仿真程序进行开发和实现，实现载人月球车移动系统的高保真实时动力学仿真的关键技术，为进行载人月球车移动系统的优化设计、控制策略验证等提供虚拟平台。5 2 载人月球车移动系统关键零部件及测试装置研制关键技术由于月面环境的苛刻性，载人月球车移动系统关键零部件及测试装置研制成为载人月球车移动系统设计的关键所在，研究载人月球车的控制部件及机械关键部件的可靠性及可修复性，以保持其能够在规定的时间内正常工作。主要包括适用于苛刻空间环境的高性能自润滑轴承、关键零部件的摩擦、润滑技术等的研究；针对载人月球车的要求及月球复杂环境对载人月球车可能造成的损坏，分析真空和月球极端温度条件下的摩擦机理，利用高低温和真空试验箱进行试验验证，进而开展自润滑轴承等关键部件研究，为月球机器人开发提供关键技术。载人月球车关键零部件性能测试装置研制，如“轮壤相互作用测试系统”，对载人月球车车轮及其性能进行试验研究，检验所研制的车轮是否满足移动系统性能要求。此外其它零部件的轻小化处理也极为关键。5 3 载人月球车移动系统折展机构的研究载人月球车移动系统受发射空间限制，要求具有较小的外形包络尺寸以便于在登月舱固定，到达月面后还要进行移动系统的展开工作。故有必要深入开展载人月球车移动系统中各子系统的折展机构方案设计及试验验证，使载人月球车移动系统的折叠比更大，所占发射空间更小，展开过程操作简单可靠，便于宇航员在月面进行月球车的展开及安装。如底盘子系统可采用三段式无源折展方案，利用弹簧及锁定机构来实现底盘的折展；悬架子系统可利用四杆机构的可折展原理来带动车轮进行折展，且要充分考虑各杆件间干涉，以有效减小万方数据第6 期邓宗全等：载人月球车移动系统综述及关键技术分析6 8 5所占空间。5 4 载人月球车移动系统人机工程关键技术载人月球车由身着宇航服的