我國(guó)首次載人月球車任務(wù)需求分析

羅小桃，張崇峰，2，胡震宇，2，王衛(wèi)軍，2，劉殿富，袁 勇，楊曉青

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司空間結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，上海201108)

1 引言

載人月球車作為載人探測(cè)月面活動(dòng)系統(tǒng)核心組成，承擔(dān)月面航天員快速轉(zhuǎn)移、應(yīng)急救援和物資高效運(yùn)輸?shù)然A(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)著陸點(diǎn)、居住艙、功能區(qū)之間協(xié)同工作，對(duì)于開(kāi)展探測(cè)任務(wù)、確保航天員安全、提高工作效率等發(fā)揮著不可或缺的作用[1-2]。在航天員離開(kāi)后，載人月球車可擴(kuò)展為自主探測(cè)設(shè)備，提升探測(cè)綜合效益。

本文分析了國(guó)內(nèi)外載人月球車研究現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合我國(guó)首次載人月面探測(cè)任務(wù)，從工作模式、安全、人因工程、高速移動(dòng)、平臺(tái)保障、工程實(shí)現(xiàn)、后續(xù)擴(kuò)展等方面分別開(kāi)展論述，分析了我國(guó)首次載人月球車的任務(wù)需求。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 阿波羅計(jì)劃載人月球車技術(shù)特點(diǎn)

基于地面車輛經(jīng)驗(yàn)和月球環(huán)境，阿波羅計(jì)劃研制了多款載人月球車樣機(jī)，典型的樣機(jī)包括：MOLAB月球移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、GM四輪載人月球車、Grumman封閉駕駛艙式月球車、MTA開(kāi)放駕駛艙式月球車、GM六輪SLRV型載人月球車和四輪LRV型載人月球車，如圖1所示。

圖1 六十年代美國(guó)研制的載人月球車Fig.1 Manned lunar rovers by USA in the 1960 s

NASA結(jié)合當(dāng)時(shí)的火箭運(yùn)載能力、技術(shù)成熟度和項(xiàng)目預(yù)算，最終選擇LRV月球車(圖2)。LRV月球車作為人類第一輛在月面成功運(yùn)行的載人月球車，實(shí)現(xiàn)了月面惡劣環(huán)境下高速行駛，具有劃時(shí)代意義。但LRV月球車存在以下不足：

1)未考慮自主安全。1/6 g重力高速行駛(接近15 km/h)狀態(tài)，車體起伏大，高速移動(dòng)時(shí)遇到障礙，車輪會(huì)離開(kāi)月面，造成車體暫時(shí)失控。

2)車輛平順性考慮不足。開(kāi)放的框架結(jié)構(gòu)，在穿越崎嶇路面和斜坡時(shí)，高速時(shí)顛簸嚴(yán)重，造成航天員生理與心理壓力巨大，使航天員放棄進(jìn)入復(fù)雜地區(qū)。

3)故障應(yīng)急方案不足。因?yàn)闊o(wú)應(yīng)急措施，航天員艙外活動(dòng)被設(shè)定在距離著陸艙5 km的范圍內(nèi)，以確保故障狀態(tài)下步行回艙。

圖2 LRV月球車Fig.2 LRV manned lunar rover

2.2 近期載人月球車研究進(jìn)展

2017年美國(guó)提出重返月球的“月球軌道平臺(tái)-門(mén)戶”計(jì)劃，包含由人-車-機(jī)器人組成的聯(lián)合探測(cè)系統(tǒng)[3]，NASA等著手研制新款載人月球車(圖3)。歐、俄、日本、印度[4]等也相繼提出了新一輪月球探測(cè)規(guī)劃，明確提出了移動(dòng)機(jī)器人或載人月球車需求，日本研制的典型構(gòu)型見(jiàn)圖4[5]。

從國(guó)外載人月球車概念方案和關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的新進(jìn)程可知[6-7]：

1)根據(jù)任務(wù)需求與進(jìn)程，一般按非加壓車、加壓車到多用途車3個(gè)階段發(fā)展；

2)綜合考慮結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、通過(guò)性、移動(dòng)效率、功耗、重量和維護(hù)維修性等，優(yōu)選輪式或輪腿式；

3)在保障航天員安全的情況下，拓展活動(dòng)范圍、提升運(yùn)輸能力、提高行駛速度一直是載人月球車追求的目標(biāo)；

4)為拓展勘察范圍，新型載人月球車一般兼?zhèn)溆腥笋{駛模式、無(wú)人自主巡視或遙操作模式。

2.3 國(guó)內(nèi)月球車研究狀況

我國(guó)已完成月球正面和背面無(wú)人月球車“玉兔號(hào)”研制(圖5)，但載人月球車與無(wú)人月球車在目標(biāo)與需求上存在較大差異：

1)載人月球車以服務(wù)航天員為主要目標(biāo)，在保障航天員安全的前提下，拓展航天員活動(dòng)范圍，實(shí)現(xiàn)航天員快速轉(zhuǎn)移；

圖3 國(guó)外近期載人月球車Fig.3 Recent manned lunar rovers abroad

圖4 豐田月球車Fig.4 Toyota moon car

圖5 中國(guó)“玉兔號(hào)”月球車Fig.5 Yutu lunar rover of China

2)載人月球車要求速度更快、承載更重、可靠性更高，滿足航天員高速、安全、舒適乘坐需求，兼?zhèn)湓谲壘S修和后續(xù)擴(kuò)展能力。

國(guó)內(nèi)各相關(guān)單位在跟蹤國(guó)外載人月球車研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了載人月球車概念設(shè)計(jì)，未進(jìn)行系統(tǒng)性需求分析與深入設(shè)計(jì)。鄧宗全、高海波等[7-9]對(duì)載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)展研究，尤其是阿波羅載人月球車移動(dòng)功能、性能的反求與優(yōu)化設(shè)計(jì)。整體來(lái)說(shuō)，我國(guó)載人月球車研究還處于起步階段，需求論證不充分，自主創(chuàng)新內(nèi)容有限。

3 我國(guó)首次登月載人月球車需求分析

我國(guó)首次登月載人月球車應(yīng)具備性能先進(jìn)、理念創(chuàng)新等特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)與工程實(shí)施，對(duì)標(biāo)阿波羅LRV載人月球車，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性考慮，按人、車一次性發(fā)射方案，月面活動(dòng)與駐留系統(tǒng)論證初步設(shè)定首次載人月球車指標(biāo)“自重200 kg、承載500 kg、最大速度18 km/h、單次行駛里程100 km”。

3.1 任務(wù)與工作模式需求

我國(guó)載人探月初步規(guī)劃為3個(gè)階段，不同階段對(duì)載人月球車的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃如圖6所示。

圖6 載人月球車長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃Fig.6 Long-term planning of manned lunar rover in China

從任務(wù)需求出發(fā)，我國(guó)首次載人月球車應(yīng)具備以下2種工作模式，見(jiàn)圖7。

圖7 載人月球車工作模式Fig.7 Work modes of manned lunar rover

3.1.1 有人駕駛模式

航天員駕駛車輛，信息測(cè)試與反饋系統(tǒng)對(duì)航天員的駕駛行為、外部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)與提示。自主安全系統(tǒng)接收環(huán)境感知信息與車輛反饋信息，對(duì)環(huán)境中的危險(xiǎn)情況(如深坑，陡坡等)、航天員的危險(xiǎn)動(dòng)作(車速過(guò)高等)進(jìn)行告警與提醒，依據(jù)車輛自主安全算法，隨時(shí)干預(yù)月球車運(yùn)動(dòng)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)航天員危險(xiǎn)駕駛行為(如車速過(guò)高、碰撞)時(shí)，在告警無(wú)效的基礎(chǔ)上，強(qiáng)制降低車速甚至停車，降低危險(xiǎn)發(fā)生的概率，提高系統(tǒng)安全性。

3.1.2 無(wú)人自主或遙操作模式

無(wú)人自主模式包括編隊(duì)模式和設(shè)定目標(biāo)或路線自動(dòng)駕駛模式。

編隊(duì)模式為當(dāng)航天員離開(kāi)月球車進(jìn)行月面作業(yè)時(shí)，載人月球車自動(dòng)跟隨航天員或其他車、機(jī)器人實(shí)現(xiàn)編隊(duì)聯(lián)合作業(yè)。設(shè)定目標(biāo)或路線自動(dòng)駕駛，主要為月面應(yīng)急使用，即當(dāng)航天員無(wú)法駕駛車輛時(shí)，月球車可根據(jù)內(nèi)置路線，一鍵自動(dòng)返航，將航天員送達(dá)到安全區(qū)域。

遙操作主要指登月艙內(nèi)航天員、地面工作人員等通過(guò)無(wú)線指令操控月球車工作、探測(cè)。

3.2 安全需求

載人月球車的首要目標(biāo)是確保航天員駕駛、乘坐、返航以及探測(cè)過(guò)程中的安全。

3.2.1 系統(tǒng)安全

系統(tǒng)安全指在設(shè)備故障、航天員失能情況下的系統(tǒng)應(yīng)急保障能力，如一鍵返航、獨(dú)立逃生、大沉陷脫困等，以及氣、水、熱、電等生保資源的補(bǔ)充與備份。

3.2.2 行駛安全

月面地形復(fù)雜，撞擊坑分布面積約占月球總面積的40%[10]。行駛安全主要考慮載人月球車在崎嶇路面高速行駛過(guò)程中的安全性，如傾覆、劇烈碰撞、車體失控、揚(yáng)塵等危及航天員人身安全事件?？紤]行車中的運(yùn)動(dòng)監(jiān)顯系統(tǒng)、類似防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)載人月球車的高速平穩(wěn)運(yùn)行。

3.2.3 故障安全

故障安全即通過(guò)故障應(yīng)對(duì)，如維修、降級(jí)使用、應(yīng)急措施等，使月面車輛在故障狀態(tài)下保障航天員安全和具備基本移動(dòng)能力。

3.2.4 航天員失能狀態(tài)下輔助安全

輔助安全主要考慮航天員無(wú)法直接駕駛、摔倒等失能狀態(tài)，載人月球車識(shí)別航天員肢體語(yǔ)言、生理等參數(shù)，輔助航天員恢復(fù)或脫困，實(shí)現(xiàn)航天員安全返回。

3.3 人因工程需求

載人月球車車輛人因工程主要研究“人、服、車、環(huán)、作業(yè)”環(huán)節(jié)信息、動(dòng)作的交互與作用，實(shí)現(xiàn)工作效率與人的健康、安全、舒適的協(xié)調(diào)。

3.3.1 人服需求

著服狀態(tài)下航天員的靈活性、可視域和可達(dá)域等都會(huì)發(fā)生變化，見(jiàn)圖8。手指對(duì)力和長(zhǎng)度等感知靈敏度嚴(yán)重下降，設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮著服狀態(tài)下航天員的可達(dá)域、可視域、關(guān)節(jié)靈活性、質(zhì)量分布等影響因素，分析航天員著服后的車上坐、站姿能力，上、下車能力，作業(yè)能力等。

圖8 著服航天員坐姿、站姿Fig.8 Sitting and standing position of suited astronaut

3.3.2 人機(jī)接口需求

載人月球車作為航天員身體的延伸與拓展，設(shè)計(jì)時(shí)需要確保信息、操作交互的順利與流暢。確保人機(jī)接口、界面設(shè)置的合理性和人機(jī)交互的順暢性；工作空間、顯示、操控、座位等設(shè)計(jì)的合理性；色彩搭配的相適性、對(duì)人感官的舒適性；照明、聲音、視覺(jué)、觸覺(jué)的適宜性。同時(shí)，需要具備有效的防誤操作設(shè)計(jì)。

3.3.3 月面特殊環(huán)境需求

需要考慮月面特殊環(huán)境，如月表復(fù)雜地形、低重力、月塵、輻射、溫度、光照環(huán)境等對(duì)航天員的影響。同時(shí)必須考慮崎嶇路面高速行駛環(huán)境對(duì)航天員的生理與心理影響。

3.3.4 月面作業(yè)需求

人、服、車的通用作業(yè)主要包括上行后的部署、乘駕與操控、在軌維護(hù)與維修、人車聯(lián)合探測(cè)設(shè)置與后期擴(kuò)展。不同任務(wù)需要不同的人因接口。

3.4 高速移動(dòng)需求

移動(dòng)速度是保障航天員月面高效、大范圍探測(cè)的必要手段，也是實(shí)現(xiàn)不同著陸點(diǎn)、居住艙、功能區(qū)之間快速協(xié)同的保障，首次載人月球車考慮最大速度18 km/h。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮月面崎嶇路面、1/6 g低重力、月壤特性，在實(shí)現(xiàn)載人月球車大范圍高速移動(dòng)的同時(shí)，還需確保駕駛的平順性。

3.4.1 高速大范圍的通過(guò)性與穩(wěn)定性

考慮載人月球車的通過(guò)性、穩(wěn)定性涉及輪壤力學(xué)、輪、驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向、懸架以及底盤(pán)布局等。載人月球車設(shè)計(jì)時(shí)需確保高速行駛過(guò)程中足夠的驅(qū)動(dòng)能力、輪地附著牽引力以及行駛過(guò)程中車體穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)載人月球車在月面松軟地形下高速、高效、靈活移動(dòng)。

3.4.2 高速移動(dòng)狀態(tài)的平順性

月面崎嶇地形、1/6 g重力環(huán)境，均會(huì)導(dǎo)致載人月球車行駛過(guò)程中大幅振動(dòng)、沖擊等，對(duì)航天員生理、心理產(chǎn)生巨大影響。高速移動(dòng)狀態(tài)下的平順性，要求從外部作用力的頻率、強(qiáng)度、方向等出發(fā)，對(duì)于座椅、懸架、輪胎、控制策略等進(jìn)行干預(yù)、減振，實(shí)現(xiàn)航天員心理、生理的平順。

3.5 平臺(tái)保障需求

3.5.1 能源系統(tǒng)

載人月球車對(duì)能源系統(tǒng)提出了高比能、輕量化、高安全、易維護(hù)、環(huán)境適應(yīng)性好等需求，要求具備實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的智能化管理、高比能鋰電快充、太陽(yáng)電池重復(fù)展收、熱電復(fù)合利用、無(wú)線充電等功能。

3.5.2 測(cè)控通信

載人月球車的測(cè)控通信系統(tǒng)涉及到人、服、車、著陸器、居住艙、環(huán)繞器、中繼衛(wèi)星、地面站等多個(gè)對(duì)象，業(yè)務(wù)類型和傳輸速率多樣、物理接口復(fù)雜。需要根據(jù)不同的科學(xué)目標(biāo)、工程目標(biāo)和任務(wù)周期，設(shè)計(jì)高效、合理、可行的測(cè)控通信方案，完成高速移動(dòng)時(shí)大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)傳遞，并實(shí)現(xiàn)功能模塊集成化與輕量化。

3.5.3 導(dǎo)航與控制

由于月球無(wú)導(dǎo)航星座且表面環(huán)境復(fù)雜，載人月球車的導(dǎo)航控制與地面車輛相比存在較大差異，需要基于天文導(dǎo)航/月表三維場(chǎng)景/原位信息的導(dǎo)航技術(shù)、月表三維地圖重建、高精度實(shí)時(shí)定位及路徑規(guī)劃等技術(shù)的支持。

3.5.4 月面環(huán)境適應(yīng)性

需突破月面長(zhǎng)期生存和過(guò)月夜瓶頸，解決月面極端高低溫、強(qiáng)輻射、大揚(yáng)塵、高真空等環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題，突破載人月球車寬溫差熱控、高速運(yùn)動(dòng)部件防塵密封、機(jī)構(gòu)長(zhǎng)壽命潤(rùn)滑、故障檢測(cè)及維修等技術(shù)問(wèn)題。

3.6 工程實(shí)現(xiàn)需求

3.6.1 集成技術(shù)研究

我國(guó)首次載人月球車擬實(shí)現(xiàn)“車重200 kg、承載500 kg、單次里程100 km”，同時(shí)希望安全過(guò)月夜和后續(xù)重復(fù)利用。自重200 kg，常規(guī)布局無(wú)法滿足工程需求。工程實(shí)現(xiàn)時(shí)需在滿足功能獨(dú)立的同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)月面工作高功率驅(qū)動(dòng)、協(xié)調(diào)控制、熱力平衡、輕量化集成設(shè)計(jì)。

3.6.2 上行與布置需求

受運(yùn)載能力、發(fā)射和著陸載荷布局等多方限制，載人月球車需考慮分步上行、分散布置或折疊，以適應(yīng)有限的布局空間。在著陸后，需要考慮航天員的工作能力，實(shí)現(xiàn)在軌主動(dòng)展開(kāi)或航天員輔助展開(kāi)、自動(dòng)組裝或航天員輔助組裝，并具備與機(jī)器人聯(lián)機(jī)等布置方案與接口。

3.6.3 性能評(píng)價(jià)與地面驗(yàn)證需求

需確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)展驗(yàn)證設(shè)計(jì)、有效性評(píng)估，完成試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與配套；開(kāi)展地面等效驗(yàn)證試驗(yàn)方案研究，建立載人月球車性能評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)載人月球車月面功能、性能的有效評(píng)估。

3.7 擴(kuò)展性需求

首次載人月球車任務(wù)立足于當(dāng)下，需兼顧月面長(zhǎng)期駐留、大負(fù)載運(yùn)輸和多樣化建造等后續(xù)任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)技術(shù)的移植與資源的在軌重復(fù)利用。考慮后續(xù)應(yīng)用需求和場(chǎng)景分析，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循模塊化、在軌可重構(gòu)思路，具備技術(shù)與資源從非加壓車向加壓、多用途車的擴(kuò)展和移植能力。

4 結(jié)論

綜上所述，我國(guó)首次登月載人月球車應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

1)工作模式多樣性；

2)具有完備的航天員安全保障能力；

3)滿足人因、駕駛平順性需求；

4)可實(shí)現(xiàn)月面高速、大范圍移動(dòng)；

5)工程可實(shí)現(xiàn)，后續(xù)可擴(kuò)展，同時(shí)保證技術(shù)繼承性與創(chuàng)新性。