载人月球车结构设计与有限元分析

赵渤宇 赵伟

摘 要：月球车是当今世界航空航天领域研究的重点，而载人月球车由于具有可承载宇航员、实现较远距离运行的特点，逐渐成为人们关注的热点。本文梳理了载人月球车悬架、车轮、转向传动结构等设计及其结构的有限元分析研究现状，并对未来载人月球车的发展进行了展望。

关键词：载人月球车，结构设计，有限元

1引 言

月球车是完成月球表面探测任务的重要装置，其主要由底盘、车轮、悬架结构、牵引子系统、转向传动结构等组成，可与着陆器配合实现精准探测。目前存在的月球车主要分为两类：无人驾驶月球车以及载人月球车。其中，可高效完成登月任务的载人月球车成为航天事业的研究重点。到目前为止，已成功设计的载人月球车仅有少数几辆，包括，美国阿波罗飞船搭载的三辆探测器（LRV）及苏联的一、二号月球车[1]。

2014年重庆国际军博会亮相了由国内多所高校研发的载人月球车，其大小与越野车相近，且质量轻、强度高。2021年美国通用汽车公司与洛克希德公司将为美国宇航局开发一种采用了电动车系统以及自动驾驶系统的新型载人月球车。

本文梳理了对载人月球车的各主要结构的设计以及利用有限元对载人月球车进行静力与模态分析的研究进展，为载人月球车相关研究提供参考。

2载人月球车结构设计

2.1悬架结构设计

悬架结构主要用于在车轮与车身间起动力传导、缓冲减振的效果，其结构直接影响整车越障性能及行驶稳定性。2012年，南京航空航天大学李磊等综合考虑运行要求及月壤环境，确定了悬架结构的设计方案，并利用故障树对悬挂式展开机构进行定性分析[2]。2014年，哈尔滨工业大学范雪兵等对载人月球车悬架结构进行结构拓扑，并采用四步设计法设计了可折展双横臂扭杆弹簧独立悬架[3]。2016年，重庆大学吴义举等以阿波罗号载人月球车为对象，设计出具有大折叠比的四杆、五杆折展机构，确定了机构的基本尺寸参数[4]。2020年，哈尔滨工业大学张君阳等设计出悬架结构后，利用MATLAB设置合理参数并采用ADAMS动态分析了各部分受力情况[5];同年，盘嘉怡等设计了一种具有着陆功能的高速载人月球车悬架结构，针对月壤环境设计了相关参数[6]。

2.2车轮结构设计

由于车轮结构直接与月球表面接触且其性能直接决定了月球车的运行距离，因此，需要对车轮结构进行各维度的研究与设计。2015年，哈尔滨工业大学路达等研究并设计了金属弹性车轮，分析了车轮参数对驱动特性的影响[7];2016年，重庆大学申学慧等提出了XCU型柔性金属车轮结构，并与阿波罗载人月球车在不同路面上进行性能对比[8];同年，湖南大学文桂林等根据现存月球车车轮特点，提出沉陷量小、牵引力大的凹面弹性筛网轮[9];2017年，重庆大学张鹏跃等依据轮式系统的灵活特性设计了一种感知型变辐车轮结构，提高了载人月球车的适应能力[10]。

2.3转向传动结构设计

目前月球车的转向方式主要分为：差速转向以及轨迹转向。差速转向为控制里外轮速度的变化，而轨迹转向则通过改变偏转角度实现。2013年，哈尔滨工业大学门树东等设计了整体式动力转向器的断开式转向传动机构，并优化了转向梯形断开点位置[11];同年，南京航空航天大学席佳胜等优化了转向断开点位置，并用空间解析几何得到了断开点优化前后机构干涉引起的前束角变化情况[12]。

3载人月球车结构的有限元分析

有限元分析的基本步骤为物体离散化、选择位移模式、分析力学性质、求等效节点力等。采用有限元法可对载人月球车结构进行静态分析（对各个结构进行强度校核）与模态分析（防止结构由于共振而发生破坏）。李磊等对载人月球车悬架结构进行静力分析得出满载状态下结构的强度及刚度，并对底盘结构进行模态分析，得出实际制造时的参考范围[2];吴义举等采用ANSYS建立了满载条件下载人月球车受力平衡方程[4];文桂林等则利用ABAQUS（适用于非线性）得出凹面轮本身参数对各指标的影响[9];张鹏跃与孙广宇利用ANSYS分别分析了多驱动性行星丝杠变辐车轮以及基于不同工况对车轮和车架结构进行强度校核及模态分析[10]。

4载人月球车未来发展展望

我国已经对载人月球车关键结构进行了大量的研究与设计，为制造载人月球车奠定了重要基础。基于前人对载人月球车的研究，本文提出以下几点展望：

（1） 加强对载人月球车各结构材料的选择及零件的优化设计分析;

（2） 加强在极端环境等复杂工况下载人月球车的力学分析;

（3） 加强月球车弹性车轮与月壤的相互作用分析;

（4） 加强载人月球车牵引、爬坡转向、越障性能的有限元动态分析。

参 考 文 献

[1] 邓宗全， 范雪兵， 高海波， 丁亮. 载人月球车移动系统综述及关键技术分析[J].宇航学报，2012，33（06）：675-689.

[2] 李磊. 载人月球车结构设计与仿真分析[D]. 南京航空航天大学， 2012.

[3] 范雪兵. 载人月球车悬架与车轮结构设计及性能研究[D]. 哈尔滨工业大学， 2015.

[4] 吴义举. 载人月球车折展机构设计与分析[D]. 重庆大学， 2016.

[5] 张君阳. 载人月球车被动悬架系统设计及性能研究[D]. 哈尔滨工业大学， 2020.

[6] 盘嘉怡. 具有着陆功能的高速载人月球车悬架研究[D]. 哈尔滨工业大学， 2020.

[7] 路达. 基于驱动性能试验的载人月球车车轮结构设计[D]. 哈尔滨工业大学， 2015.

[8] 申学慧. 载人月球车柔性金属车轮结构设计与分析[D]. 重庆大学， 2016.

[9] 文桂林， 宋仲良， 卿启湘. 月球车凹面轮特性分析[J]. 机械科学与技术， 2016， 35（05）： 809-814.

[10] 张鹏跃. 载人月球车感知型变辐车轮的设计与分析[D]. 重庆大學， 2017.

[11] 门树东. 载人月球车转向传动机构研究[D]. 哈尔滨工业大学， 2013.

[12] 席佳胜. 载人月球车移动系统结构/机构设计与仿真分析[D]. 南京航空航天大学， 2013.

作者简介：

赵渤宇（2000-），男，满族，辽宁锦州人，辽宁科技大学本科学生。

通讯作者： 赵伟（1998-），男，汉族，山西太原人，天津大学研究生，邮箱：zw1531456007@163.com