王 康，齊迎春，梁常春，申 彥，鄒 猛*

（1.中國空間技術(shù)研究院 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2.吉林大學(xué) 工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130022）

1 引言

隨著美國重返月球計(jì)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(jì)劃［1-3］。在月球探測時(shí)，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(jìn)行了大量的預(yù)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(fā)技術(shù)和發(fā)射承載能力。在移動系統(tǒng)方面，月球車移動系統(tǒng)目前仍以輪式為主，履帶式、腿式和復(fù)合式移動系統(tǒng)較少［6］。

無人月球車主要包括NASA 和凱耐基梅隆機(jī)器人研究所合作研究的月球車Scarab，揮發(fā)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(fā)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，采用了全新的設(shè)計(jì)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(tǒng)的需求［10-11］。ATHLETE（All-terrain，Hex-Limbed，Extra-terrestrial Explorer）是 由NASA的JPL 實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)和波音公司于2005 年3 月開始聯(lián)合設(shè)計(jì)的一款六足式月球車移動平臺，共研制了兩代原型樣機(jī)［12-16］。日本Toyota 公司與JAXA 合作，面向2029 載人登月設(shè)計(jì)了一款帶加壓艙的月球車。為了實(shí)現(xiàn)2037 年載人探測火星計(jì)劃，NASA 設(shè)計(jì)了新型帶加壓艙火星車Manned Mars Expedition Rover（MER）［15］。

根據(jù)調(diào)研可知，除了美國NASA，國外載人月球車研制主要以概念設(shè)計(jì)為主，還沒有開展工程研制和驗(yàn)證試驗(yàn)。美國具有LRV 研制的成功經(jīng)驗(yàn)，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(yuǎn)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(shí)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(yīng)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(guān)注的未來月球車的研究熱點(diǎn)，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(jī)動需求的“應(yīng)急返回車”概念及方案尚未被提出?；谛〕叽?、低質(zhì)量、靈活性等特征，解決短距離、低承載、機(jī)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(yīng)急返回車設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可折疊載人月球應(yīng)急返回車作為一個(gè)獨(dú)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(yīng)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(jìn)行活動。

圖1 應(yīng)急返回車應(yīng)用場景Fig.1 Application scenario of emergency return vehicle

應(yīng)急返回車設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求為：（1）承載質(zhì)量≥90 kg；（2）包絡(luò)尺寸≤600 mm×500 mm×400 mm；（3）轉(zhuǎn)向能力為需具有行進(jìn)間轉(zhuǎn)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(yīng)急返回車概念設(shè)計(jì)，應(yīng)急返回車采用四輪結(jié)構(gòu)，由后輪驅(qū)動，前輪轉(zhuǎn)向，四輪全部采用擺動展出式結(jié)構(gòu)；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(wěn)定性，車身采用了主梁伸縮結(jié)構(gòu)，后橫梁伸長結(jié)構(gòu)。展開后車輛底盤水平尺寸能有效地包絡(luò)宇航員水平向展開范圍。同時(shí)，利用座椅、手柄、安全帶以及前梁中設(shè)置的腳蹬，保證宇航員在車上相對固定。

圖2 應(yīng)急返回車概念設(shè)計(jì)Fig.2 Concept design of emergency return vehicle

基于四輪結(jié)構(gòu)和座椅式駕乘方式，以宇航員安全性和可操作性為基準(zhǔn)。采用了折疊、伸展結(jié)構(gòu)，取消了宇航員不方便進(jìn)行操作的組裝、展開和調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)。

根據(jù)已知宇航員（包括宇航服）的束縛和安全保障結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)，方案以框架+尼龍帶形式，提供駕駛座椅坐面及靠背。同時(shí)提供兩側(cè)扶手限制宇航員左右晃動，如圖3 所示。

圖3 應(yīng)急返回車渲染效果Fig.3 Rendering effect of emergency return vehicle

后輪作為主驅(qū)動，采用輪轂電機(jī)方案，直接安裝于后輪上，通過后支臂，推動車輛行進(jìn)。輪轂方案可大大減少應(yīng)急返回車結(jié)構(gòu)空間，提高整機(jī)可靠性。前輪轉(zhuǎn)向直接地采用轉(zhuǎn)向電機(jī)方式，利用2 個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)直接控制兩側(cè)前輪轉(zhuǎn)向，取消了常規(guī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的推拉桿。

考慮到使用用途和結(jié)構(gòu)尺寸限制，應(yīng)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(yīng)的反饋信息都直接接入到宇航員信息系統(tǒng)中。應(yīng)急返回車整車結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。

圖4 應(yīng)急返回車結(jié)構(gòu)Fig.4 Emergency return vehicle structure

3 折展分析

為了滿足發(fā)射空間對應(yīng)急返回車的要求，結(jié)合月面環(huán)境下宇航員操作可行性和可靠性，以簡便和可靠為目標(biāo)設(shè)計(jì)了應(yīng)急車的折疊方案。同時(shí)，考慮到載人月球車后部的空間限制，該應(yīng)急返回車的折疊狀態(tài)設(shè)計(jì)采用除球體之外最省空間的立方體結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。

圖5 折疊狀態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.5 Folded state structure

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

圖6 應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。后梁內(nèi)部安裝雙螺紋推桿，配套的雙側(cè)螺桿螺母固定在后輪扭臂柱上，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)雙側(cè)的后輪扭臂柱向外或向內(nèi)移動。

圖7 后梁伸出電動結(jié)構(gòu)Fig.7 Rear beam extension electric structure

后輪可在內(nèi)部雙頭推拉桿的作用下，實(shí)現(xiàn)不同輪距調(diào)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(guān)系，在電機(jī)停止?fàn)顟B(tài)下，推拉桿可自行鎖止，保證應(yīng)急返回車展開后機(jī)構(gòu)鎖緊。后輪伸展雙向電推桿參數(shù)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(jié)果Fig.8 Rear wheel extension result

如圖9 所示，應(yīng)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(yīng)急返回車軸距，提高車輛穩(wěn)定性，增加宇航員在車上空間。

圖9 主梁伸展電動機(jī)構(gòu)Fig.9 Main beam extension motorized mechanism

主梁伸展采用的電動推拉桿參數(shù)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(jī)械式鎖緊機(jī)構(gòu)。

為了減少折疊后車輛的包絡(luò)尺寸，前后輪都采用了向車內(nèi)180°折疊靠攏的方案。展開時(shí)前后輪都需要從車腹部旋轉(zhuǎn)180°轉(zhuǎn)出。四個(gè)輪子的轉(zhuǎn)出，全部采用各自獨(dú)立的蝸輪蝸桿大扭矩舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)前后輪支臂的180°旋轉(zhuǎn)。

蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)具有體積小、轉(zhuǎn)動比大、自鎖緊的工作性能。采用蝸輪蝸桿大扭矩舵機(jī)，直接驅(qū)動車輪支臂的180°旋轉(zhuǎn)，并且可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動后自鎖緊，可取消機(jī)械式鎖緊機(jī)構(gòu)。

前后輪旋轉(zhuǎn)支臂上蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)舵機(jī)安裝位置如圖10 所示。由于蝸輪蝸桿舵機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理簡單，可靠性滿足設(shè)計(jì)要求。

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

根據(jù)應(yīng)急返回車展開過程及機(jī)構(gòu)鎖緊，四輪展出用蝸輪蝸桿舵機(jī)參數(shù)為：轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸為中心，向后旋轉(zhuǎn)180°，增加軸距300 mm，后梁臂轉(zhuǎn)軸與車身垂直面傾斜18°，以實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)Fig.11 Rear wheel deployment structure

如圖12 所示，前車輪以前梁臂轉(zhuǎn)軸為中心，向前旋轉(zhuǎn)180°，增加軸距300 mm，前梁臂轉(zhuǎn)軸與車身垂直面傾斜25°，以實(shí)現(xiàn)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(xù)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(yīng)急返回車的寬度擴(kuò)展由車輪外展以及后輪梁外伸實(shí)現(xiàn)。如圖13 所示，前輪向外展出時(shí)，輪距由140 mm，擴(kuò)展至640 mm～660 mm；主梁、伸縮梁相對運(yùn)動，由400 mm 擴(kuò)展至600 mm；后輪向外展出后，輪距擴(kuò)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(yīng)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(kuò)展結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13 Structure schematic of body width extension

4 移動設(shè)計(jì)

立方體應(yīng)急返回車CELV 的驅(qū)動采用后輪直接驅(qū)動方式，行駛速度要求10 km/h，按后輪直徑400 mm 計(jì)算，車輪轉(zhuǎn)速要求：0～150 rpm。根據(jù)計(jì)算，最終確定驅(qū)動參數(shù)要求：

（1）轉(zhuǎn)速：0～200 rpm；

（2）扭矩：≥15 N·m；

（3）電源：24～36 VDC；

（4）輪轂式電機(jī)尺寸要求：直徑≤150 mm，長度100 mm；

（5）形式：盤式無刷高速電機(jī)+減速/DD 直驅(qū)電機(jī)/伺服電機(jī)+減速電機(jī)；

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

圖14 電機(jī)安裝示意圖Fig.14 Schematic of motor installation

整車共采用2 個(gè)輪轂電機(jī)驅(qū)動2 個(gè)后輪，獲得最大30 N 驅(qū)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(shí)為了減輕質(zhì)量，也沒有采用DD 直驅(qū)式電機(jī)。

應(yīng)急返回車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用前輪轉(zhuǎn)向方案如圖15 所示，前輪由單側(cè)C 型轉(zhuǎn)向臂與前輪支臂上的轉(zhuǎn)向電機(jī)連接。兩側(cè)的轉(zhuǎn)向電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)向指令，按照轉(zhuǎn)向圓函數(shù)關(guān)系，轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度完成轉(zhuǎn)向操作。針對應(yīng)急返回車時(shí)速可達(dá)10 km/h，為了避免轉(zhuǎn)向力過大和轉(zhuǎn)向不穩(wěn)，前輪轉(zhuǎn)向傾角設(shè)為30°。

圖15 前輪轉(zhuǎn)向方案Fig.15 Scheme of front wheel steering

應(yīng)急返回車主要用于宇航員的應(yīng)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(yīng)急返回車軸距和輪距都進(jìn)行了適當(dāng)加長，并降低重心。車輪間觸地距離大，對車架適應(yīng)性和穩(wěn)定性要求高。因此，應(yīng)急返回車方案中，前后車輪都增加了獨(dú)立的減振設(shè)計(jì)。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(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)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(yīng)，保持車輪一直觸地狀態(tài)；當(dāng)行駛過程中產(chǎn)生振動時(shí)，彈簧和阻尼構(gòu)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(yīng)急返回車后輪的減震結(jié)構(gòu)示意圖。后輪的減震機(jī)構(gòu)由扭力梁和摩擦法蘭副構(gòu)成。后輪的擺動和振動通過后支臂傳遞到扭力梁，同時(shí)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(shí)現(xiàn)阻尼效果。

圖17 后輪減震結(jié)構(gòu)Fig.17 Rear wheel shock absorbing structure

應(yīng)急返回車車輪設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）后輪/驅(qū)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(zhuǎn)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(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，加工、組裝了一輛應(yīng)急返回車，并進(jìn)行了折展、移動性等試驗(yàn)，驗(yàn)證車輛是否滿足設(shè)計(jì)要求。

5.1 折展試驗(yàn)及具體參數(shù)

如圖18 所示為折展試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)應(yīng)急返回車可通過遙控實(shí)現(xiàn)自動展開和折疊。在折展試驗(yàn)過程中，對應(yīng)急返回車的具體參數(shù)進(jìn)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(yīng)急車展開體積與折疊體積比為17.67，基本與設(shè)計(jì)尺寸一致。設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)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(dǎo)致。

圖18 應(yīng)急返回車折展Fig.18 Emergency return vehicle folding and extension

5.2 移動性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該裝置的性能，我們進(jìn)行了行駛、轉(zhuǎn)向、越障、爬坡和承載試驗(yàn)。

（1）行駛試驗(yàn)

采用卷尺測距得到直線方向上3 個(gè)間隔5 m的定位點(diǎn)并采用地標(biāo)標(biāo)注，控制應(yīng)急返回車在平穩(wěn)狀態(tài)保持最大速度沿該直線前向行進(jìn)或后向行進(jìn)通過該三點(diǎn)，并用秒表依次測量并記錄駛過兩點(diǎn)的時(shí)間間隔，通過行駛時(shí)間及行駛距離計(jì)算出行駛速度。試驗(yàn)顯示，在前向行駛過程中，應(yīng)急返回車駛過5 m 距離用時(shí)0.9 s 即速度為5.56 m/s。設(shè)計(jì)要求前向行進(jìn)時(shí)速度應(yīng)不小于10 km/h 即2.78 m/s，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

將應(yīng)急返回車調(diào)整為最大轉(zhuǎn)角后進(jìn)行測量，其最大前輪擺角為20°，轉(zhuǎn)向圓半徑約5 m。圖19和圖20 分別為前輪右、左轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)。

圖19 前輪右轉(zhuǎn)向Fig.19 Front wheel right steering

圖20 前輪左轉(zhuǎn)向Fig.20 Front wheel left steering

（3）越障試驗(yàn)

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

圖21 越障試驗(yàn)Fig.21 Barrier crossing test

（4）爬坡試驗(yàn)

圖22 為在松軟地面上進(jìn)行爬坡測試，圖23為在硬質(zhì)地面上進(jìn)行爬坡測試，應(yīng)急返回車均可平穩(wěn)向上行駛且不出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

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

圖23 硬質(zhì)地面爬坡測試Fig.23 Climbing test on hard ground

（5）承載試驗(yàn)

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

圖24 承載試驗(yàn)Fig.24 Loading test

5.3 試驗(yàn)結(jié)論

折展試驗(yàn)、移動試驗(yàn)等證明，所設(shè)計(jì)裝置滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（1）應(yīng)急車可在遙控下完成折疊和展開，設(shè)計(jì)折展比為17.6，實(shí)物折展比為17.67。

（2）設(shè)計(jì)要求前向行進(jìn)時(shí)速度應(yīng)不小于10 km/h 即2.78 m/s，實(shí)物測量應(yīng)急返回車駛過5 m 距離用時(shí)0.9 s，速度為5.56 m/s。

（3）應(yīng)急返回車最大前輪擺角為20°，轉(zhuǎn)向圓半徑約5 m。

（4）應(yīng)急返回車在10 cm 以上單塊凸起、凸凹路面情況下均可平穩(wěn)通過。

（5）應(yīng)急返回車在20°坡度的松軟和硬質(zhì)地面，均可平穩(wěn)向上行駛且不出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

（6）應(yīng)急返回車可在130 kg 載荷下正常行駛。

6 結(jié)論

本文依據(jù)月球探測應(yīng)急生保和短距離移動需求，設(shè)計(jì)了一種“立方體”應(yīng)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(jié)省空間等因素，對車身構(gòu)型、折展模式、驅(qū)動方式、底盤結(jié)構(gòu)、懸掛轉(zhuǎn)向、車輪等多個(gè)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，并進(jìn)行了試制和試驗(yàn)。

在折展模式的選擇上，采取折疊和伸展相結(jié)合，無需組裝、裝配工藝，并將前后輪設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了較高的展/折比，折展比大于17。

對于驅(qū)動和轉(zhuǎn)向方式，采用了后輪輪轂電機(jī)驅(qū)動，前輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向，簡化了轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，提高了傳動效率。

在應(yīng)急返回車的構(gòu)型設(shè)計(jì)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(shè)擋塵板，進(jìn)一步保護(hù)車輛及宇航員。

車輪采用了全金屬彈性輪，保障月球環(huán)境下的適應(yīng)性和可靠性，并在前后輪均設(shè)置減震單元，保障行進(jìn)過程的穩(wěn)定性和舒適性。

設(shè)計(jì)的應(yīng)急返回車滿足行駛、轉(zhuǎn)向、越障、爬坡要求。