月球巡视器的系统设计优化方法研究

张旺军 申振荣 李群智 吉龙

(北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094)

月球巡视器的系统设计优化方法研究

张旺军 申振荣 李群智 吉龙

(北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094)

通过月球巡视器的任务分析，指出了巡视器设计中遇到的难题。针对这些难题，在系统工程方法的基础上，借鉴多学科设计优化的思想，提出了月球巡视器的系统设计优化方法。该方法基于月球巡视器的约束条件，在系统层和产品层两个层面开展设计优化，每层分成三个阶段。系统层强调系统设计，保证系统方案的最优，产品层强调单机或部组件设计，确保产品方案最优。嫦娥三号巡视器通过该方法的应用，使其在满足多项约束的前提下各项性能指标达到最优，也验证了该方法的正确性和合理性。此方法对功能复杂、约束严格的航天器具有一定的参考价值。

月球巡视器；系统设计优化方法；功能集成设计；功能复用设计

1 引言

月球巡视器是能在月球表面进行移动探测的空间探测器，主要完成在月面移动、通信和科学探测任务，并具有热控保障、能源提供、14天月夜生存、局部路径规划、月面环境感知和自主导航与遥操作控制的能力。为了完成这些任务，月球巡视器功能复杂，国内无相关的航天器可以借鉴。月球巡视器不仅要适应复杂的月面环境，还要满足质量特性、包络尺寸和功耗三个方面的约束，它的设计是一个复杂系统的设计问题。

针对这种复杂系统的航天器设计问题，国内外通常采用系统工程方法，美国的勇气号/机遇号、好奇心号火星巡视器都是系统工程方法应用的典范[1-3]。系统工程方法从任务需求出发，综合多种专业技术，通过分析-综合-试验的反复迭代，使得航天器满足任务需求[4]。近年来，系统工程方法也逐步引入到我国航天器的研制中，但是针对月球巡视器“小而复杂”的多约束特点，目前国内的系统工程方法还无法提供全面的解决手段[5]。

针对多约束的航天器设计问题，国内外提出并深入研究的有多学科设计优化方法，并开展了大量的实验性应用[6-8]。在国外，完成了某通信卫星的发射质量和系统可靠性两个系统指标优化设计[9]、某导弹预警的天基红外星座的概念优化设计[10]、某低轨地球观测微小卫星的概念优化设计等[11-12]。在国内，开展了遥感卫星、对地观测卫星和月球探测器总体参数的优化设计研究[13-14]。但是，目前在航天器设计领域的多学科设计优化具有以下不足：所建立的学科分析模型多数基于统计数据、经验公式或工程估算，计算精度偏低，优化结果可信度差；多学科优化模型多数仅考虑几个子系统之间的耦合或为子系统级的多学科问题，不能全面反映卫星总体设计的整体性和层次性；多数集中于航天器的概念设计，缺少与全生命周期设计的融合。这种方法对于要达到优化目标明确、评价准则清晰、优化参数量化还有一定差距，还无法完全解决复杂航天器的系统优化设计问题。

因此，需要找到一种适合月球巡视器功能复杂、约束严格特点的方法，使得巡视器在满足各种约束条件下设计指标达到最优。本文结合月球巡视器自身的特点，在系统工程方法的基础上，借鉴多学科设计优化的思想，提出了月球巡视器的系统设计优化方法，在嫦娥三号巡视器上的应用，证明了该方法的正确性和合理性。

2 月球巡视器任务分析

月球巡视器任务相对以往地球轨道航天器有很大不同，主要表现出以下几个方面的难点。

1)严酷的月面工作环境

月球的温度、光照等环境与一般地球轨道航天器不同。月壤和月尘等特殊环境在国内也是首次出现，尽管有大量的研究，但是还有很大的不确定性[15-17]，在设计时需要采取有效的措施。

月球表面光照条件变化大，昼夜温差大，月面温度变化范围从-180～+120 ℃。对于月昼，面临着高温下的热排散问题，对于长达14天的月夜，则面临着无太阳能可利用条件下，如何保证能源供给和温度环境适应的问题。

月球巡视器工作的月面覆盖着厚度不等的月壤层，并存在着大小不等的月坑和岩石。月壤物理力学特性和月表地形都与巡视器移动性能直接相关，如何选择移动系统构形参数，降低移动装置的承载比，也是巡视器设计必须解决的难题。

2)巡视器自身功能的复杂性

巡视器要完成月面移动、通信和科学探测等任务，并具备独立的月面生存能力，尤其是要适应漫长的月夜低温环境，这些要求使得月球巡视器的功能和组成十分复杂[18]。为此，巡视器需要配备能活动的桅杆，辅助光学敏感器进行月面环境感知；配备能活动的定向天线，辅助完成指向地球并下传数据；配备能收拢压紧的太阳翼，适应发射和月面工作的需求，太阳翼还应具备唤醒巡视器、对日定向和遮挡阳光的需求。此外，还需要配备相应的电子设备完成局部路径规划等自主导航功能。

3)质量特性、包络尺寸和功耗的约束

月球巡视器不仅功能复杂，还在质量特性、包络尺寸和功耗等方面受到严格的约束，如何减轻整器质量，进行轻小型化、一体化和集成化设计是必须解决的难题。

(1)质量特性。一方面，整器质量受到移动装置、转移释放机构的承载限制和发射质量的限制，另一方面，月球巡视器横向质心受到移动性能的严格约束。

(2)包络尺寸。一方面，巡视器布局空间小；另一方面，巡视器发射时收拢压紧在着陆器上，着陆月面后，展开驶离着陆器，巡视器的包络尺寸受到着陆器的严格限制。

(3)功耗。整器的功耗受到太阳翼面积和蓄电池组容量的严格限制。

综上所述，为了解决这些设计难题，设计中需要采用一种方法，能综合统筹总体到分系统、整器到单机、整体到局部的各个方面，使得巡视器在满足各项约束条件下的设计指标达到最优。

3 月球巡视器系统设计优化方法

月球巡视器系统设计优化方法，是为了实现整器设计方案的最优化而采取的一套设计方法。该方法自顶而下，分阶段、分领域实施。在系统层面，梳理整器各个组成部分的功能和性能需求，并进行规划，确保整个系统层方案的最优，同时提出了产品层的优化目标；产品层在此基础上，开展二次规划，分析影响性能的关键设计参数，以确保产品层设计方案的最优。

3.1系统层规划和设计优化

系统层规划和设计优化，是基于巡视器系统及其组成部分的功能、性能和布局位置，对系统进行功能的组合和空间关系的调整，以确保系统关键指标最优的设计流程。这是一种积极主动的调优模式，采用自顶向下的设计流程，如图1所示。

图1 月球巡视器系统层规划和设计优化流程

1)规划阶段

方案筛选要选择国内外具备可比性、参考性的航天器系统进行深度分析，借鉴它的分析方法、规划方法、系统方案设计理念，方案筛选还要结合国内的生产水平。方案筛选对系统的设计有导向的作用，因此系统方案的筛选应遵循专家团队的意见，选择切实可行的系统进行分析。其中可比性和参考性较强的有勇气号/机遇号火星巡视器和苏联的Luna-1/2月球巡视器[19]。

概念规划根据系统功能分类和筛选方案对系统的组成进行规划，明确概念性设计意图，这是设计的草案。

2)设计优化阶段

在明确巡视器系统的接口、复杂度、相互关系及设计流程后，结合国内软硬件可实现性进行系统方案设计，在系统方案设计过程中，重点对系统的可用性、可靠性、接口关系进行深入的论证和规划，由于系统方案对整个系统至关重要，需要引入相关专业的专家团队，确保系统方案的合理性，为整个系统的正确性奠定坚实的基础。巡视器的系统方案设计主要在方案阶段完成，包括活动部件构型的设计、整器构型方案的设计、布局设计、数据管理方案设计等。

在系统方案设计的基础上，开展全面的设计，对系统全部的功能和性能关键点进行全面的分析。过程中，在系统约束的框架下，通过各种分析和优化手段实现系统的最优化。

在设计完毕后，应以功能需求为输入，对巡视器全生命周期中所有工作剖面下的各种工作模式进行推演，系统推演的结果对需求分析、系统方案设计的修正产生重要指导。

品诗品人，走近“诗圣”—杜甫诗歌鉴赏专题的教学设计中，学生们自寻伙伴，自愿结为6组，课前对诗歌内容进行初步研讨。小组内合作查找资料，解决学习中的问题，把不能解决的问题记录下来，留在课堂上通过师生研讨得以解决。在这个过程中，学生的感悟和体会是任何一位教师的讲授都无法替代的，少一些名词术语的纠缠，多一些对一词一句的把握和品味，多一些与文本对话，与作者对话，这才是对语文本质的回归。

在规划阶段和设计初期，设计了使用同位素核源发电提供能源过月夜的方案，但是考虑到国内核电转换的成熟性，取消了核源发电的功能，仅保留了核源提供热能的功能。

3)设计确认阶段

在系统推演完成并确保系统方案正确后，方可开始系统的全面详细设计和建造。试验和测试是系统质量的基本保障，并对测试过程中出现的问题进行闭环控制，实现设计方案的不断完善和最优化。

通过结合专业经验、专业团队对整个系统的方案的正确性、可行性、可靠性等核心指标进行客观评价，从而全面地对系统质量进行评价，对评审过程中发现的问题，专家团队可以给出专业的修正指导意见，有助于进一步对系统修正，从而提高系统的质量。

3.2产品层规划和设计优化

产品层规划和设计优化是在巡视器系统方案确定的情况下，识别影响主结构、总装直属件、设备、电缆等专业领域优化目标的参数和状态，并采用相应的优化设计手段，确保优化目标实现的过程。

这是在顶层明确优化目标后而采取的一种优化模式，是产品层规划和设计优化流程，如图2所示。这些优化集中在专业领域，因为系统方案成型，可调整的空间有限，专业领域的调整相对而言空间较大，对某一专业领域的调整优化，通常能在一定程度上改善系统的能力。

图2 月球巡视器产品层规划和设计优化流程图

1)规划阶段

在进入具体的产品层优化阶段后，首要的任务是获得顶层需求。根据顶层的需求，分解出本层设计优化的目标，辨识出影响设计优化目标的参数和状态，所识别的要素即是开展优化设计最直接的方向和领域。很多时候，在顶层需求不明确的情况下完成的某些设计，往往不能满足更新后的顶层需求，此时还需按照上述的流程开展设计的修改或者重新设计。

2)设计优化阶段

在关键特性满足要求的前提下，根据识别出的影响优化目标的领域开展方案筛选；在均衡性能需求、功能组成、软硬件技术的基础上选择可接受、可实施的方案。方案筛选后，就进入产品层设计优化的核心阶段，进一步细化方案的每个环节、步骤和方法，确保方案的可实施性。这个阶段主要集中在初样设计前期，包括结构(含次结构)设计、产品设计、电缆网设计等。

在优化方案确定后，需要对方案的效果进行分析和评估，评估的方法通常采用比对法。比对优化方案和常规方案的优缺点，明确优化方案的风险点。对风险点需要制定细致周全、量化的控制措施，确保风险可控并能接受。

3)设计确认阶段

在设计确认阶段，主要是对前期的优化方法、过程、实施结果进行总结、规范和固化，并编制文件归档保存，从而进一步推动整器方案日趋坚实。

3.3月球巡视器设计中主要设计优化手段

针对月球巡视器的特点，在系统层设计优化过程中，主要采用功能集成、功能复用和布局优化的手段。在产品层设计优化过程中，主要采用结构优化、电缆优化和单机优化的手段完成了巡视器整个设计周期的设计优化工作，各种手段与优化目标之间的关系如图3所示。

图3 优化设计手段和设计目标关系示意图

1)功能集成

功能集成是对功能相近的单机或部组件进行组合的一种优化设计方法。该方法摒弃了每项功能的硬件由一台单机实现的常规设备设计理念，将多项功能的硬件集成到一个机箱中，实现产品的轻小型化，缩小产品包络，减小产品质量和功耗，减少产品与外围的接口关系，实现了产品的“高内聚，低耦合”。

2)功能复用

功能复用是对功能相似的单机或部组件进行组合的一种设计方法。该方法不是简单的组合，而是从系统的角度综合分析各个功能的设计要求和要素，通过对成熟技术修改或扩充，在满足任务要求的前提下对系统的功能重新整合。

3)布局优化

布局优化是将一组给定的设备或部组件合理地布置在特定的位置上，使设计目标达到最优，并满足给定的约束条件。

4)结构优化

通过采用优化结构形式、优选结构材料的手段，不仅降低了主结构的质量，而且提高了整器的构形布局空间。

5)单机优化

各单机根据总体给出的设备优化目标采用了材料优选、结构优化、形状优化、高集成度器件优选等多种形式的设计和优化。

6)电缆优化

在电缆网设计过程中，采用了数字化的电缆三维走向设计、优选电缆线径/线型、优选轻质高密度电连接器、减少过渡插头数量等多种手段，完成了电缆网的设计和优化。

4 方法验证

该套方法针对月球巡视器的任务特点提出，融入到月球巡视器顶层和底层设计的各个方面，取得了显著的效果。下文以功能集成、功能复用和构形布局优化在嫦娥三号巡视器上的应用，来验证该方法的适用性和正确性。

4.1功能集成

嫦娥三号巡视器上比较典型的集成设计有综合电子单元、有效载荷电控箱和惯性测量单元，如图4所示。综合电子单元集成效果见表1所示，从表中可见，集成设计后，体积、质量和功耗分别降低了59%、53.4%和49.7%。对于整个系统来说，集成带来的效率会优于表中的效果。

图4 电子学设备集成设计示意图

表1 综合电子单元集成前后关键指标对比

4.2功能复用

嫦娥三号巡视器桅杆主要用于辅助安装其上的两对立体相机的成像工作，需要具备三自由度转动的能力，而定向天线为了实现频繁地指向地球并下传数据，也需要具备双轴转动能力。如果设计两套机构，不仅增加了机构的重量，还给布局带来较大困难。为此，综合分析了桅杆和定向天线的设计要素，见表2。对设计要素进行综合，通过选择合适的机构电机，使得桅杆和天线组合体满足定向天线的指向要求，对于因运动范围变小损失的指向空间，在程序设计时予以考虑，合理规避。

表2 桅杆与定向天线设计要素对比

功能复用后，定向天线与两对相机共用一套展开机构和偏航机构，定向天线设计成桅杆的一部分，如图5所示，桅杆的复用设计不仅节省质量、实现轻巧化，还减少了接口的复杂度，节约了成本且便于控制。复用前后的效果对比见表3，从表中可以看出优化后，质量和功耗分别降低了27.9%和19.4%。

图5 桅杆与定向天线的功能复用设计示意图

表3 桅杆复用设计前后关键技术指标对比

4.3布局优化

由于嫦娥三号巡视器顶板下表面集中了器上大部分的设备，因此，重点开展了顶板下表面的设备布局优化设计。

巡视器舱内空间小，设备的容积率高达56%，布局设计中，采用了分阶段开展的策略。首先考虑结构内部预埋的冷凝器和储液器，确定结构板的禁布区域；抓住整器质心限制的最主要矛盾，优先布置质量大的设备，在此基础上，综合考虑电缆通道、电缆插拔操作、总装便利性、热控适应性等方面要求，确定设备的最优位置，同时对设备的电连接器位置提出反要求。优化结果如图6所示。

图6 舱内布局优化示意图

从图6中可以看出设备的布局更加合理，质量较大设备被优化到后部，同时设备整体向右方平移，留出了电缆通道。优化前后整器横向质心见表4，可见整器横向质心与目标值吻合较好。

表4 布局优化前后整器横向质心位置对比

4.4嫦娥三号巡视器主要关键技术指标优化结果比较

通过月球探测器系统设计优化方法的应用，嫦娥三号巡视器主要关键技术指标的优化效果见表5，从表中可以看出，整器关键技术指标均满足指标要求。

表5 嫦娥三号巡视器系统关键指标优化效果

综上所述，通过系统设计优化方法的应用，设计出了质量和质心较优、载荷比和承载比较高的方案，解决了多活动部件在狭小空间下的布局，通过合理布局提高了舱内容积率，突破了电子设备集成、轻小型化机构、月夜生存及休眠唤醒技术，最终巡视器功能全部实现，各项约束全部满足，且各项指标达到最优。

嫦娥三号巡视器成为我国首个地外天体移动探测平台，在月球表面开展了微波、红外、可见光、X射线等多谱段的科学探测。和同类巡视器相比，嫦娥三号巡视器在移动承载比上优于大小相当的勇气号/机遇号火星巡视器，详细对比结果见表6。

表6 嫦娥三号巡视器和同类巡视器关键技术指标对比

5 结束语

通过对月球巡视器系统设计优化方法的研究，确立了该方法的应用过程、设计内容，总结了常用的优化设计手段。该方法实现了设计和优化的一体化，综合考虑了月面环境和月球巡视器的约束等难点，适用于功能集成度高、约束严格的月球巡视器的设计，不仅减少了设计迭代、提高了设计效率，而且顺应了月球巡视器轻小型化、低功耗和轻质量的发展趋势，实现了月球巡视器研制的“快，好，省”。通过嫦娥三号巡视器的应用，验证了该方法的适用性和正确性。

这种方法以系统工程方法为基础，吸收了多学科设计优化的优点，形成了针对月球巡视器设计的一套体系，在嫦娥三号巡视器上应用效果良好，这对于其他类型的巡视器有一定的借鉴意义，对其他类型的深空探测器或者其他领域的航天器也有一定的参考价值。

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(编辑：张小琳)

Study on System Design and Optimization Method of Lunar Rover

ZHANG Wangjun SHEN Zhenrong LI Qunzhi JI Long

(Beijing Instituete of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

Lunar rover’s mission analysis is carried out and some obstacles in the design are identified. Lunar rover’s system design and optimization method is proposed based on system engineering method and multidiscipline design and optimization method is referenced. The method is based on lunar rover’s constraints; design and optimization is performed in two layers, system layer and product layer, and each layer is divided into three stages. The system layer focuses on system plan and its optimization, and the product layer focuses on equipment and assembly plan and their optimization. The application of the method on the Chang’e-3 lunar rover design makes all specifications optimized in compliance with the many constraints. And the validity and rationality of the method is verified. The method can benifit to those spacecraft with complex functions and strict constraints.

lunar rover; system design and optimization; function-integration design; function-reuse design

2014-03-31；

：2014-05-04

国家重大科技专项工程

张旺军，男，工程师，从事航天器总体设计和总装设计工作。Email：zhaa4561@sina.com。

V411

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2014.03.002