李東瑾，齊臣坤，陳 萌，張文奇

(1.上海交通大學，上海200240；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109；3.上海市空間飛行器機構(gòu)重點實驗室，上海201108)

1 引言

在載人登月和建設(shè)月球基地的任務(wù)中，月面居住艙是重要的組成部分，它負責攜帶實驗儀器、月球探測車和航天員等從近月軌道著陸到月面，是航天員在基地生活和艙內(nèi)工作的主要場所。任務(wù)完成后，還需要月球艙攜帶航天員從月面起飛回到月球軌道，進而返回地球。月面居住艙，其著陸機構(gòu)可以采用類似月面巡視探測器的機構(gòu)。目前，月面著陸機構(gòu)都是固定著陸，著陸后艙體不能移動。在20世紀的美蘇登月競賽中[1-2]，蘇聯(lián)的月球探測工程以及NASA的阿波羅計劃[3]所使用的月面著陸方案均是固定式的。當今的月面著陸巡視探測任務(wù)都是采用固定式月面著陸器和移動式巡視月球車的組合方案。我國于2013年發(fā)射的嫦娥三號[4-6]、2018年發(fā)射的嫦娥四號[7]的著陸探測部分都是由固定著陸器和移動式巡視器組成。

在載人登月和建設(shè)月球基地的任務(wù)中，固定式月面居住艙有許多不足。對于載人登月探測來說，固定式著陸器會限制探測的范圍和效率。航天員和月球車每次探測完成后都需要返回同一地點，往返時路徑重復、效率較低。若航天員在外遇險，固定式月面居住艙無法及時救援。對于月球基地建設(shè)來說，固定式居住艙對月面著陸的定位精度要求比較高，且著陸周圍的揚塵影響設(shè)施和人員安全，建設(shè)基地要移動離開著陸區(qū)一定距離。另外，固定式居住艙難以實現(xiàn)規(guī)?；膶勇?lián)合，不能靈活規(guī)劃基地布局，容易浪費空間資源。沒有移動能力的設(shè)施廢棄后回收的成本也會相對較高[8-9]。因此，可移動的月面居住艙成為目前研究的熱點。

為了應(yīng)對月球基地建設(shè)過程中資源探索、貨物運輸?shù)热蝿?wù)需求，國內(nèi)外的研究團隊提出了可移動式月面居住艙的設(shè)計方案。Wilcox[10]提出的ATHLETE機器人是一種全地形探測器，采用六輪足的移動方案，能在平緩地形上用輪子移動，在崎嶇地形上用六足行走，為月球艙的移動和對接提供幫助。Birckenstaedt等[11]綜合考慮了航天員執(zhí)行探測任務(wù)、載荷轉(zhuǎn)移、LO2/LH2燃料貯存等需求，提出了配置LO2/LH2推進系統(tǒng)的月球艙的幾種方案設(shè)想，為實現(xiàn)月球艙的移動提供了可能性。Harrison等[12]設(shè)計的重型月球基地機器人Chariot是一種多用途、可重構(gòu)、模塊化的輪式機器人，可以實現(xiàn)月球艙的移動，能夠承載多個航天員以及較多的貨物，它的6個移動輪均為獨立驅(qū)動，具有比較靈活的越障和爬坡能力。張志賢等[13]設(shè)計了一種輪腿式的可移動載人月面著陸器方案，總體分為制動級、著陸移動級和上升級，其中著陸移動級由六邊形框架、儀器艙和6套輪腿組成。這種著陸器遇到障礙時可以利用六足行走，具有一定的越障能力，適用于長距離探測、月球基地構(gòu)造、廢棄物清理等多種任務(wù)。

這些方案在一定程度上為月球艙提供了移動能力，但仍然存在尺寸較大、占用空間較多等不足。同時，這些方案直接以移動機構(gòu)作為支撐，展開后難以再收回或者拆卸，維護比較困難，也不容易對移動機構(gòu)進行模塊化利用。本文提出一種可折疊的月球居住艙移動機構(gòu)設(shè)想，充分利用空間，給月面居住艙提供移動能力，為未來構(gòu)建月球基地提供參考。

2 設(shè)計需求

根據(jù)月球環(huán)境的測量數(shù)據(jù)，月球表面處于冷熱劇變的狀態(tài)，溫度范圍約處于-180～150℃。月球表面地形崎嶇，地面松軟，月壤顆粒平均直徑70μm左右，孔隙比為 1.07±0.07，承載力在25 kPa左右[14]。除滿足溫度要求外，居住艙移動機構(gòu)總質(zhì)量要求比較輕(假定為200 kg)，能夠承受居住艙重量(假定為5.5 t)，月面移動輪受接地壓強限制(假定小于4 kPa)，居住艙移動速度也有要求(假定為100 mm/s)。

根據(jù)以上需求，計算移動機構(gòu)的基本性能要求如下：

1)月面接觸壓力與接觸面積。月面重力加速度約為g/6，接觸壓力約為9.3 kN；根據(jù)月面平均接地壓強小于4 kPa的要求，得到接觸面積約為2.3 m2。

2)居住艙移動牽引力與功率。根據(jù)輪壤摩擦系數(shù)和壓力，得到牽引力約為8.4 kN，牽引功率約為600～700 W。

3)落地豎直方向平均沖擊力與沖擊壓強。假定著陸沖擊持續(xù)時間10～20 ms，得到平均沖擊力約為1×106～2.2×106N；在著陸腿同步著陸的情況下，平均沖擊壓強不超過1 MPa。

3 設(shè)計方案

3.1 月面著陸系統(tǒng)

載人登月著陸系統(tǒng)主要經(jīng)歷4種工作情況：從月球軌道降落到月面、在月面移動、在月面停放、從月面起飛返回月球軌道。結(jié)構(gòu)上主要分為上下2級。其中上級為柱形的月面居住艙艙體，軸向為垂直方向，下級為著陸時起減速作用的制動系統(tǒng)，如圖1(a)所示。

假定艙體的直徑約為4 m，主體高度約為4.5 m，周圍對稱分布有4個剛性的支撐腿。在月球表面上時，艙體底部有高約1.5 m、直徑約4 m的可用空間。為了盡量減少移動機構(gòu)占用空間，設(shè)想移動機構(gòu)可以完全包絡(luò)于艙底，如圖1(b)所示。

3.2 工作原理

圖1 月面著陸系統(tǒng)Fig.1 Lunar landing system

提出的居住艙移動機構(gòu)包括：1個垂直升降機構(gòu)，用于實現(xiàn)4個移動輪的落地和回收；4個安裝在升降滑架上的滾輪支臂，端部安裝移動輪；4個收放滾輪支臂的折疊機構(gòu)，圓周均勻分布在升降滑架上，用于控制4個移動輪的展開和折疊姿態(tài)，如圖2(a)所示。該移動機構(gòu)具有4個驅(qū)動，分別位于每個移動輪處。在較平緩地形上，移動機構(gòu)利用兩側(cè)輪子的差速運動進行轉(zhuǎn)向。收放滾輪支臂的折疊機構(gòu)是被動機構(gòu)，只有2種固定的姿態(tài)，包括折疊狀態(tài)(圖2(b)(c))和展開狀態(tài)(圖 2(a))。

3.3 工作模式

降落時，移動機構(gòu)為折疊姿態(tài)。在降落過程中，著陸系統(tǒng)依靠制動噴射器減速制動，由居住艙體四周的姿態(tài)控制噴射器調(diào)整方位。在接近落地時，制動噴射器將會被拋棄。這個過程中，居住艙移動機構(gòu)一直處于收攏狀態(tài)，如圖1(b)、圖2(b)(c)所示。由于其包絡(luò)空間足夠小，不會影響制動噴射器和姿態(tài)調(diào)整噴射裝置的正常工作。

移動時，移動機構(gòu)為展開移動姿態(tài)。在居住艙移動過程中，折疊機構(gòu)先將4個移動輪張開，垂直升降機構(gòu)再放下移動輪觸地，抬起居住艙，直至四周的著陸腿完全離開地面，如圖3所示。移動采用四輪驅(qū)動，為月面移動提供足夠的動力。

停放時，移動機構(gòu)為展開鎖定姿態(tài)。在居住艙停放過程種，垂直升降機構(gòu)緩慢回縮，將居住艙放落地面，直至著陸腿完全支撐起居住艙。此后4個移動輪保持張開且鎖定。

起飛返回時，移動機構(gòu)為折疊姿態(tài)。居住艙起飛返回時不再需要移動，移動輪折疊收起到最小包絡(luò)空間中。

圖2 移動機構(gòu)設(shè)計方案Fig.2 Design scheme of mobile mechanism

圖3 移動機構(gòu)張開觸地Fig.3 Unfolding and touchdown of mobile mechanism

提出的移動機構(gòu)方案能夠在居住艙停放時收起移動輪，減輕移動機構(gòu)的負載；還能有效利用月面居住艙的空間，減小總體體積，為其他設(shè)備的安裝提供條件；結(jié)構(gòu)也相對簡單，比較容易維護；還能夠設(shè)計成可拆卸的形式，在規(guī)?；脑虑蚧亟ㄔO(shè)中為不同的居住艙提供移動能力。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 機構(gòu)設(shè)計驗證技術(shù)

在機構(gòu)設(shè)計過程中，根據(jù)移動月面居住艙的功能需求，首先需要通過論證來確定移動機構(gòu)原型樣機的方案。確定初步方案后，需要對移動機構(gòu)的性能和結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計進一步優(yōu)化，綜合移動模擬仿真、強度校核、壽命校驗等現(xiàn)代化研究手段，預(yù)測基本性能參數(shù)，驗證移動機構(gòu)能否滿足實際功能需求。

在實際考慮載人航天、月球基地工程的建設(shè)時，應(yīng)該充分利用我國月面著陸探測工程的成功案例作為設(shè)計和比對驗證的參考，比如嫦娥三號和嫦娥四號著陸探測工程。同時也需要充分調(diào)研國內(nèi)外探月工程的各種機構(gòu)設(shè)計方案，盡量將著陸器自身結(jié)構(gòu)以及裝載機構(gòu)輕量化、小型化，比如徐彥等[15]綜述的充氣式月球基地防護結(jié)構(gòu)技術(shù)，能夠減輕航天器的載荷和能源負擔。

4.2 重載著陸緩沖技術(shù)

在載人登月、月球基地建設(shè)工程中，月面居住艙攜帶的載荷除了月球車、各種實驗儀器外，還有航天員以及相應(yīng)的生存環(huán)境維持系統(tǒng)、月面作業(yè)輔助設(shè)備等，比當今的登月工程的載荷要更加重。

目前，月面著陸器的著陸緩沖機構(gòu)多為3～4支撐桿的簡單支柱式或復雜桁架式構(gòu)型[16]。在重載情況下，結(jié)合月面不同區(qū)域的特征和月壤特性，月面居住艙著陸的選址、定位精度、著陸緩沖等方面都會有更高的要求。重載著陸緩沖技術(shù)需要確保居住艙穩(wěn)定、準確地著陸在月球表面，才能保證月球探測、人員運送、基地建設(shè)的進一步實現(xiàn)。

4.3 重載驅(qū)動控制技術(shù)

重載的可移動式月面居住艙的驅(qū)動與控制相對較困難。重達幾噸的居住艙在崎嶇的月面移動，不但需要保證平穩(wěn)行駛，還需要具有一定的爬坡和越障能力。

重載情況下，驅(qū)動和控制系統(tǒng)需要在提供足夠驅(qū)動力的同時，能夠通過合理的運動規(guī)劃和優(yōu)化控制，來應(yīng)對復雜的地面情況，保證居住艙的自身平衡和平穩(wěn)移動。結(jié)合機器學習和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代化設(shè)計手段[17]，可以提高月面居住艙驅(qū)動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性。

4.4 高效能源動力技術(shù)

移動重載的月面居住艙需要更多的能源。在載人航天工程中，不但需要足夠的能源支持居住艙在一定范圍內(nèi)移動，還需要維持航天員的生活環(huán)境，攜帶航天員起飛返回。在月球基地建設(shè)中，還需要進一步建設(shè)長期供能的月球能源站。這需要結(jié)合如柔性太陽電池陣、空間核電源、空間燃料電池、寬溫鋰離子電池等的新型能源技術(shù)[18]，開發(fā)重量更輕、體積更小和容量更大的能源存儲系統(tǒng)。

4.5 自主檢測維護技術(shù)

月面居住艙的移動機構(gòu)需要一定的輔助維護能力。如果重載的居住艙在月面移動時遭遇突發(fā)狀況，比如陷入凹坑、身體失衡等，移動機構(gòu)需要通過驅(qū)動控制系統(tǒng)協(xié)助居住艙解決問題。

移動機構(gòu)也需要建立自身的機構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)。當移動機構(gòu)自身出現(xiàn)故障，比如電機故障、軸承故障、控制器故障等，可以通過基于信號處理的檢測診斷系統(tǒng)進行自我修復或者地面遠程遙控修復[19]。

5 小結(jié)

該可折疊輪式移動機構(gòu)具有折疊著陸、展開移動、鎖定停放、折疊起飛返回4種基本的工作模式；關(guān)鍵技術(shù)包括機構(gòu)設(shè)計驗證技術(shù)、重載著陸緩沖技術(shù)、重載驅(qū)動控制技術(shù)、高效能源動力技術(shù)以及自主檢測維護技術(shù)等；該機構(gòu)具備尺寸較小、移動機構(gòu)負擔較輕、維護較容易、具備模塊化運用的能力等優(yōu)點。