我國首次載人月球車任務需求分析

羅小桃，張崇峰，2，胡震宇，2，王衛軍，2，劉殿富，袁 勇，楊曉青

(1.上海宇航系統工程研究所，上海201109；2.中國航天科技集團有限公司空間結構與機構技術實驗室，上海201108)

1 引言

載人月球車作為載人探測月面活動系統核心組成，承擔月面航天員快速轉移、應急救援和物資高效運輸等基礎功能，實現著陸點、居住艙、功能區之間協同工作，對于開展探測任務、確保航天員安全、提高工作效率等發揮著不可或缺的作用[1-2]。在航天員離開后，載人月球車可擴展為自主探測設備，提升探測綜合效益。

本文分析了國內外載人月球車研究現狀和技術特點，結合我國首次載人月面探測任務，從工作模式、安全、人因工程、高速移動、平臺保障、工程實現、后續擴展等方面分別開展論述，分析了我國首次載人月球車的任務需求。

2 國內外研究現狀

2.1 阿波羅計劃載人月球車技術特點

基于地面車輛經驗和月球環境，阿波羅計劃研制了多款載人月球車樣機，典型的樣機包括：MOLAB月球移動實驗室、GM四輪載人月球車、Grumman封閉駕駛艙式月球車、MTA開放駕駛艙式月球車、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 六十年代美國研制的載人月球車Fig.1 Manned lunar rovers by USA in the 1960 s

NASA結合當時的火箭運載能力、技術成熟度和項目預算，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行的載人月球車，實現了月面惡劣環境下高速行駛，具有劃時代意義。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，車體起伏大，高速移動時遇到障礙，車輪會離開月面，造成車體暫時失控。

2)車輛平順性考慮不足。開放的框架結構，在穿越崎嶇路面和斜坡時，高速時顛簸嚴重，造成航天員生理與心理壓力巨大，使航天員放棄進入復雜地區。

3)故障應急方案不足。因為無應急措施，航天員艙外活動被設定在距離著陸艙5 km的范圍內，以確保故障狀態下步行回艙。

圖2 LRV月球車Fig.2 LRV manned lunar rover

2.2 近期載人月球車研究進展

2017年美國提出重返月球的“月球軌道平臺-門戶”計劃，包含由人-車-機器人組成的聯合探測系統[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規劃，明確提出了移動機器人或載人月球車需求，日本研制的典型構型見圖4[5]。

從國外載人月球車概念方案和關鍵技術發展的新進程可知[6-7]：

1)根據任務需求與進程，一般按非加壓車、加壓車到多用途車3個階段發展；

2)綜合考慮結構復雜性、通過性、移動效率、功耗、重量和維護維修性等，優選輪式或輪腿式；

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

4)為拓展勘察范圍，新型載人月球車一般兼備有人駕駛模式、無人自主巡視或遙操作模式。

2.3 國內月球車研究狀況

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

1)載人月球車以服務航天員為主要目標，在保障航天員安全的前提下，拓展航天員活動范圍，實現航天員快速轉移；

圖3 國外近期載人月球車Fig.3 Recent manned lunar rovers abroad

圖4 豐田月球車Fig.4 Toyota moon car

圖5 中國“玉兔號”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，兼備在軌維修和后續擴展能力。

國內各相關單位在跟蹤國外載人月球車研究的基礎上，開展了載人月球車概念設計，未進行系統性需求分析與深入設計。鄧宗全、高海波等[7-9]對載人月球車移動系統開展研究，尤其是阿波羅載人月球車移動功能、性能的反求與優化設計。整體來說，我國載人月球車研究還處于起步階段，需求論證不充分，自主創新內容有限。

3 我國首次登月載人月球車需求分析

我國首次登月載人月球車應具備性能先進、理念創新等特點，結合當前技術與工程實施，對標阿波羅LRV載人月球車，從經濟和技術可行性考慮，按人、車一次性發射方案，月面活動與駐留系統論證初步設定首次載人月球車指標“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 任務與工作模式需求

我國載人探月初步規劃為3個階段，不同階段對載人月球車的長遠規劃如圖6所示。

圖6 載人月球車長遠規劃Fig.6 Long-term planning of manned lunar rover in China

從任務需求出發，我國首次載人月球車應具備以下2種工作模式，見圖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，信息測試與反饋系統對航天員的駕駛行為、外部環境進行監測與提示。自主安全系統接收環境感知信息與車輛反饋信息，對環境中的危險情況(如深坑，陡坡等)、航天員的危險動作(車速過高等)進行告警與提醒，依據車輛自主安全算法，隨時干預月球車運動。當發現航天員危險駕駛行為(如車速過高、碰撞)時，在告警無效的基礎上，強制降低車速甚至停車，降低危險發生的概率，提高系統安全性。

3.1.2 無人自主或遙操作模式

無人自主模式包括編隊模式和設定目標或路線自動駕駛模式。

編隊模式為當航天員離開月球車進行月面作業時，載人月球車自動跟隨航天員或其他車、機器人實現編隊聯合作業。設定目標或路線自動駕駛，主要為月面應急使用，即當航天員無法駕駛車輛時，月球車可根據內置路線，一鍵自動返航，將航天員送達到安全區域。

遙操作主要指登月艙內航天員、地面工作人員等通過無線指令操控月球車工作、探測。

3.2 安全需求

載人月球車的首要目標是確保航天員駕駛、乘坐、返航以及探測過程中的安全。

3.2.1 系統安全

系統安全指在設備故障、航天員失能情況下的系統應急保障能力，如一鍵返航、獨立逃生、大沉陷脫困等，以及氣、水、熱、電等生保資源的補充與備份。

3.2.2 行駛安全

月面地形復雜，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程中的安全性，如傾覆、劇烈碰撞、車體失控、揚塵等危及航天員人身安全事件?？紤]行車中的運動監顯系統、類似防抱死制動系統、車身電子穩定系統等，實現載人月球車的高速平穩運行。

3.2.3 故障安全

故障安全即通過故障應對，如維修、降級使用、應急措施等，使月面車輛在故障狀態下保障航天員安全和具備基本移動能力。

3.2.4 航天員失能狀態下輔助安全

輔助安全主要考慮航天員無法直接駕駛、摔倒等失能狀態，載人月球車識別航天員肢體語言、生理等參數，輔助航天員恢復或脫困，實現航天員安全返回。

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、作業”環節信息、動作的交互與作用，實現工作效率與人的健康、安全、舒適的協調。

3.3.1 人服需求

著服狀態下航天員的靈活性、可視域和可達域等都會發生變化，見圖8。手指對力和長度等感知靈敏度嚴重下降，設計時需充分考慮著服狀態下航天員的可達域、可視域、關節靈活性、質量分布等影響因素，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 人機接口需求

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

3.3.3 月面特殊環境需求

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

3.3.4 月面作業需求

人、服、車的通用作業主要包括上行后的部署、乘駕與操控、在軌維護與維修、人車聯合探測設置與后期擴展。不同任務需要不同的人因接口。

3.4 高速移動需求

移動速度是保障航天員月面高效、大范圍探測的必要手段，也是實現不同著陸點、居住艙、功能區之間快速協同的保障，首次載人月球車考慮最大速度18 km/h。設計時需要考慮月面崎嶇路面、1/6 g低重力、月壤特性，在實現載人月球車大范圍高速移動的同時，還需確保駕駛的平順性。

3.4.1 高速大范圍的通過性與穩定性

考慮載人月球車的通過性、穩定性涉及輪壤力學、輪、驅動、轉向、懸架以及底盤布局等。載人月球車設計時需確保高速行駛過程中足夠的驅動能力、輪地附著牽引力以及行駛過程中車體穩定性，實現載人月球車在月面松軟地形下高速、高效、靈活移動。

3.4.2 高速移動狀態的平順性

月面崎嶇地形、1/6 g重力環境，均會導致載人月球車行駛過程中大幅振動、沖擊等，對航天員生理、心理產生巨大影響。高速移動狀態下的平順性，要求從外部作用力的頻率、強度、方向等出發，對于座椅、懸架、輪胎、控制策略等進行干預、減振，實現航天員心理、生理的平順。

3.5 平臺保障需求

3.5.1 能源系統

載人月球車對能源系統提出了高比能、輕量化、高安全、易維護、環境適應性好等需求，要求具備實現能源系統的智能化管理、高比能鋰電快充、太陽電池重復展收、熱電復合利用、無線充電等功能。

3.5.2 測控通信

載人月球車的測控通信系統涉及到人、服、車、著陸器、居住艙、環繞器、中繼衛星、地面站等多個對象，業務類型和傳輸速率多樣、物理接口復雜。需要根據不同的科學目標、工程目標和任務周期，設計高效、合理、可行的測控通信方案，完成高速移動時大數據實時動態傳遞，并實現功能模塊集成化與輕量化。

3.5.3 導航與控制

由于月球無導航星座且表面環境復雜，載人月球車的導航控制與地面車輛相比存在較大差異，需要基于天文導航/月表三維場景/原位信息的導航技術、月表三維地圖重建、高精度實時定位及路徑規劃等技術的支持。

3.5.4 月面環境適應性

需突破月面長期生存和過月夜瓶頸，解決月面極端高低溫、強輻射、大揚塵、高真空等環境適應性問題，突破載人月球車寬溫差熱控、高速運動部件防塵密封、機構長壽命潤滑、故障檢測及維修等技術問題。

3.6 工程實現需求

3.6.1 集成技術研究

我國首次載人月球車擬實現“車重200 kg、承載500 kg、單次里程100 km”，同時希望安全過月夜和后續重復利用。自重200 kg，常規布局無法滿足工程需求。工程實現時需在滿足功能獨立的同時優化系統集成，實現月面工作高功率驅動、協調控制、熱力平衡、輕量化集成設計。

3.6.2 上行與布置需求

受運載能力、發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，以適應有限的布局空間。在著陸后，需要考慮航天員的工作能力，實現在軌主動展開或航天員輔助展開、自動組裝或航天員輔助組裝，并具備與機器人聯機等布置方案與接口。

3.6.3 性能評價與地面驗證需求

需確定評價指標，開展驗證設計、有效性評估，完成試驗設備的設計與配套；開展地面等效驗證試驗方案研究，建立載人月球車性能評價體系，實現載人月球車月面功能、性能的有效評估。

3.7 擴展性需求

首次載人月球車任務立足于當下，需兼顧月面長期駐留、大負載運輸和多樣化建造等后續任務，可實現技術的移植與資源的在軌重復利用。考慮后續應用需求和場景分析，設計時應遵循模塊化、在軌可重構思路，具備技術與資源從非加壓車向加壓、多用途車的擴展和移植能力。

4 結論

綜上所述，我國首次登月載人月球車應具備以下特點：

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)可實現月面高速、大范圍移動；

5)工程可實現，后續可擴展，同時保證技術繼承性與創新性。