載人月球車結構設計與有限元分析

趙渤宇 趙偉

摘 要：月球車是當今世界航空航天領域研究的重點，而載人月球車由于具有可承載宇航員、實現較遠距離運行的特點，逐漸成為人們關注的熱點。本文梳理了載人月球車懸架、車輪、轉向傳動結構等設計及其結構的有限元分析研究現狀，并對未來載人月球車的發展進行了展望。

關鍵詞：載人月球車，結構設計，有限元

1引 言

月球車是完成月球表面探測任務的重要裝置，其主要由底盤、車輪、懸架結構、牽引子系統、轉向傳動結構等組成，可與著陸器配合實現精準探測。目前存在的月球車主要分為兩類：無人駕駛月球車以及載人月球車。其中，可高效完成登月任務的載人月球車成為航天事業的研究重點。到目前為止，已成功設計的載人月球車僅有少數幾輛，包括，美國阿波羅飛船搭載的三輛探測器（LRV）及蘇聯的一、二號月球車[1]。

2014年重慶國際軍博會亮相了由國內多所高校研發的載人月球車，其大小與越野車相近，且質量輕、強度高。2021年美國通用汽車公司與洛克希德公司將為美國宇航局開發一種采用了電動車系統以及自動駕駛系統的新型載人月球車。

本文梳理了對載人月球車的各主要結構的設計以及利用有限元對載人月球車進行靜力與模態分析的研究進展，為載人月球車相關研究提供參考。

2載人月球車結構設計

2.1懸架結構設計

懸架結構主要用于在車輪與車身間起動力傳導、緩沖減振的效果，其結構直接影響整車越障性能及行駛穩定性。2012年，南京航空航天大學李磊等綜合考慮運行要求及月壤環境，確定了懸架結構的設計方案，并利用故障樹對懸掛式展開機構進行定性分析[2]。2014年，哈爾濱工業大學范雪兵等對載人月球車懸架結構進行結構拓撲，并采用四步設計法設計了可折展雙橫臂扭桿彈簧獨立懸架[3]。2016年，重慶大學吳義舉等以阿波羅號載人月球車為對象，設計出具有大折疊比的四桿、五桿折展機構，確定了機構的基本尺寸參數[4]。2020年，哈爾濱工業大學張君陽等設計出懸架結構后，利用MATLAB設置合理參數并采用ADAMS動態分析了各部分受力情況[5];同年，盤嘉怡等設計了一種具有著陸功能的高速載人月球車懸架結構，針對月壤環境設計了相關參數[6]。

2.2車輪結構設計

由于車輪結構直接與月球表面接觸且其性能直接決定了月球車的運行距離，因此，需要對車輪結構進行各維度的研究與設計。2015年，哈爾濱工業大學路達等研究并設計了金屬彈性車輪，分析了車輪參數對驅動特性的影響[7];2016年，重慶大學申學慧等提出了XCU型柔性金屬車輪結構，并與阿波羅載人月球車在不同路面上進行性能對比[8];同年，湖南大學文桂林等根據現存月球車車輪特點，提出沉陷量小、牽引力大的凹面彈性篩網輪[9];2017年，重慶大學張鵬躍等依據輪式系統的靈活特性設計了一種感知型變輻車輪結構，提高了載人月球車的適應能力[10]。

2.3轉向傳動結構設計

目前月球車的轉向方式主要分為：差速轉向以及軌跡轉向。差速轉向為控制里外輪速度的變化，而軌跡轉向則通過改變偏轉角度實現。2013年，哈爾濱工業大學門樹東等設計了整體式動力轉向器的斷開式轉向傳動機構，并優化了轉向梯形斷開點位置[11];同年，南京航空航天大學席佳勝等優化了轉向斷開點位置，并用空間解析幾何得到了斷開點優化前后機構干涉引起的前束角變化情況[12]。

3載人月球車結構的有限元分析

有限元分析的基本步驟為物體離散化、選擇位移模式、分析力學性質、求等效節點力等。采用有限元法可對載人月球車結構進行靜態分析（對各個結構進行強度校核）與模態分析（防止結構由于共振而發生破壞）。李磊等對載人月球車懸架結構進行靜力分析得出滿載狀態下結構的強度及剛度，并對底盤結構進行模態分析，得出實際制造時的參考范圍[2];吳義舉等采用ANSYS建立了滿載條件下載人月球車受力平衡方程[4];文桂林等則利用ABAQUS（適用于非線性）得出凹面輪本身參數對各指標的影響[9];張鵬躍與孫廣宇利用ANSYS分別分析了多驅動性行星絲杠變輻車輪以及基于不同工況對車輪和車架結構進行強度校核及模態分析[10]。

4載人月球車未來發展展望

我國已經對載人月球車關鍵結構進行了大量的研究與設計，為制造載人月球車奠定了重要基礎。基于前人對載人月球車的研究，本文提出以下幾點展望：

（1） 加強對載人月球車各結構材料的選擇及零件的優化設計分析;

（2） 加強在極端環境等復雜工況下載人月球車的力學分析;

（3） 加強月球車彈性車輪與月壤的相互作用分析;

（4） 加強載人月球車牽引、爬坡轉向、越障性能的有限元動態分析。

參 考 文 獻

[1] 鄧宗全， 范雪兵， 高海波， 丁亮. 載人月球車移動系統綜述及關鍵技術分析[J].宇航學報，2012，33（06）：675-689.

[2] 李磊. 載人月球車結構設計與仿真分析[D]. 南京航空航天大學， 2012.

[3] 范雪兵. 載人月球車懸架與車輪結構設計及性能研究[D]. 哈爾濱工業大學， 2015.

[4] 吳義舉. 載人月球車折展機構設計與分析[D]. 重慶大學， 2016.

[5] 張君陽. 載人月球車被動懸架系統設計及性能研究[D]. 哈爾濱工業大學， 2020.

[6] 盤嘉怡. 具有著陸功能的高速載人月球車懸架研究[D]. 哈爾濱工業大學， 2020.

[7] 路達. 基于驅動性能試驗的載人月球車車輪結構設計[D]. 哈爾濱工業大學， 2015.

[8] 申學慧. 載人月球車柔性金屬車輪結構設計與分析[D]. 重慶大學， 2016.

[9] 文桂林， 宋仲良， 卿啟湘. 月球車凹面輪特性分析[J]. 機械科學與技術， 2016， 35（05）： 809-814.

[10] 張鵬躍. 載人月球車感知型變輻車輪的設計與分析[D]. 重慶大學， 2017.

[11] 門樹東. 載人月球車轉向傳動機構研究[D]. 哈爾濱工業大學， 2013.

[12] 席佳勝. 載人月球車移動系統結構/機構設計與仿真分析[D]. 南京航空航天大學， 2013.

作者簡介：

趙渤宇（2000-），男，滿族，遼寧錦州人，遼寧科技大學本科學生。

通訊作者： 趙偉（1998-），男，漢族，山西太原人，天津大學研究生，郵箱：zw1531456007@163.com