轮式月球车毕业论文

“月面巡视探测器”，是在月球表面行驶并对月球进行考察、收集和分析样品的专用车辆，公众习惯称之为月球车。“嫦娥三号”月球车原车设计质量140kg，由移动、结构与机构、导航控制、综合电子、电源、热控、测控数传和有效载荷共8个分系统组成，以太阳能为能源，能够耐受月表真空、强辐射、+150℃～-180℃极限温度等极端环境。从月表的路况上看，月球重力是地球的1/6，月球表面的土壤非常松软，而且崎岖不平，石块、陨石坑遍布。在这种情况下，月球车既不能打滑下陷，还要能爬坡越障。“嫦娥三号”月球车移动分系统，采用轮式、摇臂悬架方案，由车轮、摇臂和差动机构等组成，具备前进、后退、原地转向、行进间转向、20°爬坡、20cm越障的能力。从地月距离上看，由于相距万公里，通讯距离太远，月球车必须具备独立处理各种环境的能力。“嫦娥三号”月球车上导航控制分系统，携带有相机及大量传感器，在得知周围环境、自身姿态、位置等信息后，可以通过地面或车内装置，确定速度、规划路径、紧急避障、控制运动与监测安全，保证到达目的地。从月球昼夜周期上看，月球上一天的时间相当于地球上的27天略多，因此，月球昼夜间隔大约相当于地球上的14天。“嫦娥三号”月球车电源分系统，由两个太阳电池阵、一组锂离子电池组、休眠唤醒模块、电源控制器组成，利用太阳能为车上仪器和设备提供电源，不仅可以保证月球车白天连续工作相当于地球的14天，而且由于月夜无法通过光能发电，在月球车进入休眠状态后，过了14天还必须能够自动唤醒重新工作。从月球昼夜温差上看，月球表面白昼时温度高达150℃，黑夜时低至－180℃，温差超过300℃，尤其是月面上的昼、夜时间差分别长达约14天，必须保证月球车在长时间极端温度条件下能够正常工作。“嫦娥三号”月球车热控分系统，利用导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、同位素热源，可使月球车工作时的舱内温度控制在+55℃～-20℃之间。此外，“嫦娥二号”月球车组成还有：结构与机构分系统，由结构和太阳翼机械部分、桅杆、机械臂构成，主要为各种仪器、设备、有效载荷提供工作平台；综合电子分系统：将中心计算机、驱动模块、处理模块等集中一体化，采用实时操作系统，实现遥测遥控、数据管理、导航控制、移动与机构的驱动控制等功能；测控数传分系统：保证月球车与地球万公里的通信以及与着陆探测器之间通信；有效载荷分系统：主要是月球车配备的科学探测仪器，包括全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发X射线谱仪等。当“嫦娥三号”完成发射、飞行到达月球时，着陆探测器采取不同制导方式，从距月面15公里处开始动力下降，经过主动减速、调整接近、悬停避障等飞行阶段，实现路径优、燃料省、误差小的安全着陆。着陆探测器实现在月球表面软着陆后，首先由着陆器为月球车充电，对月球车进行初始化；之后，月球车与地面建立通信链路，控制连接解锁机构解锁，走上转移机构；在此之后，着陆探测器将控制转移机构运动到月面，月球车驶离转移机构，开始3个月的月面巡视勘察。在月面巡视勘察过程中，它可以利用相机对周围环境进行感知，并将数据传回地面；地面控制中心利用环境数据和月球车状态信息进行建模、分析和规划，并对规划进行运动仿真和验证；把通过验证的控制指令再上传给月球车，月球车将执行控制指令，并自主完成近距离障碍识别和局部路径规划，利用携带的仪器进行科学探测；对于给出的任务计划，还可根据具体情况选择地面操作模式或者自主运行模式。根据科学探测的需要，以上过程循环往复。依靠先进的设备，“嫦娥三号”月球车能够对巡视区月表进行三维光学成像，对月表进行红外光谱分析，开展月壤厚度和结构的科学探测，对月表物质主要元素进行现场分析，等等。它传回来的数据，将帮助我们更加准确、更加直接地了解那个神秘美丽的月亮。

据报载，我国已有数家单位分别研制成功了月球车。有的月球车还在2003年中国国际空间技术展览会上登台亮相，使广大观众以为这就是我国未来要登月的月球车。另据我国月球探测工程首席科学家称，目前我国正在研究、开发月球车的单位已有11家。 “小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上头。”我国月球探测工程“绕、落、回”三部曲，刚开始第一步研制月球轨道器。第二步用月球车在月面巡视探测，正在规划之中，在月球车的研制任务尚未确定的情况下，国内就有众多单位自发地投入开发，这是十分可喜的现象。这表明，月球探测深得人心，我国的航天事业日益受到社会各界的关心和支持。 与此同时，月球车开发中呈现出的“快速结果”、“遍地开花”的倾向，也暴露出了问题的另一方面，值得我们冷静地看待，理性地思考。 月球车必须遵循 航天器的设计原则 月球车在某种意义上说属于机器人技术。无论是轮式的还是腿式的，月球车都应具有前进、后退、转弯、爬坡、取物、采样和翻转（跌倒后能翻身）等基本功能，甚至具有初级人工智能，例如，识别、爬越或绕过障碍物等。这些都与现代机器人所具有的功能相似。近年来，国内在机器人研究开发方面开展了大量工作，一些科研院所和高等学校都取得不少成果，达到了一定水平，将机器人的研发成果移植到月球车也是顺理成章的事。 但是，月球车仅有这些功能是不够的。它是一种在太空特殊环境下执行探测任务的机器人—— 太空机器人，既有机器人的属性，更具有航天器的特点，不同于地面使用的工业机器人、医学机器人和家用机器人。 据研制单位介绍，展出的月球车属于地面原理样机，其材质为铝合金等普通金属。如果使用真正的航天材料，按照月球表面实际环境做成真正的工程机，送入太空，是完全能满足探月需要的。 但是这样的地面原理样机与真正的工程机之间有着天壤之别，岂止是材料的不同。至于“按照月球表面实际环境”不是一句空话，而是一项非常高的要求。 陆放翁有诗曰：“汝果欲学诗，工夫在诗外。”月球车应该是机器人技术与航天器技术相结合的产物，月球车的研究开发，更多的是要在“适应月球表面实际环境”，遵循航天器的研制规律上狠下工夫。 “质量轻，体积小，耗功低”是航天器设计的金科玉律，在评价指标中被称为“常规三项”。航程越远，要求越高，对月球探测器的质量、体积和功耗要求更轻、更小、更低。根据我国运载火箭可望达到的能力，1台月球车需要比它重300倍的运载火箭发射，这是发射同样质量地球卫星的运载火箭质量的4倍～6倍。 月球车是一个可移动的平台，它要携带若干有效载荷，如探测仪器或挖掘采样器等。这些设备和装置必须小型化、轻型化。月球车通常作为月球轨道器的有效载荷，轨道器又作为运载火箭的有效载荷安装在火箭顶端直径狭小的整流罩里。月球车应制成可折叠式，以尽可能缩小发射体积。月球车的电源来之不易，用太阳电池发电，其面积质量与功耗大小成正比；若用一次性电池，质量与使用时间成正比，为了减轻质量，也必须降低功耗。因此，月球车的设计必须充分采用微电子器件、微型机械、轻型材料，在开发应用微机电系统上有所突破。 据我国探月工程首席科学家说，有些单位做出来的月球车样机的质量比设想中的指标超出好多倍，甚至高出一个数量级。 航天环境模拟试验 月球车设计不可或缺 月球车必须适应航天特殊环境，包括力学环境和空间环境。 力学环境指月球车在发射上升过程中运载火箭产生的冲击、振动、过载、噪声；在月面降落过程中制动火箭产生的冲击、过载和可能用气囊缓冲着陆产生的多次弹跳、翻滚。月球车必须经得起这些“摔、打、滚、爬”等折腾。 空间环境包括地月之间和月球表面的空间环境。力学环境作用时间短（以分钟计），而空间环境的影响则是成年累月、长期持续的。航天器在轨道上发生故障大多是由空间环境因素引起的。与近地环境相比，我们对地月之间和月球表面的环境知之更少，更需要认真对待。月球车的设计应研究分析以下空间环境因素的作用，从而采取防护措施。 首先应了解地月之间和月面空间辐射的类型、能量和强度。对月球车上使用的电子部件，特别是对辐射尤为敏感的高集成度微电子器件，应采取相应的抗辐射加固措施。 月球车上的机构及其他活动部件，例如月球车从发射时的折叠状态展开成型，车轮及其驱动、转向机构，天线的展开及指向机构、采掘机械臂等，在高真空条件下收藏、压紧100多小时后，应保证不会卡死，能顺利展开和活动。 月球表面白昼时温度高达150℃，黑夜时低至－180℃，温差达300多度，尤其是月面上的昼、夜分别长达500多小时。这种严酷条件是过去环地运行航天器所未曾遇到过的，如何保证月球车在长时间极端温度条件下正常工作，是月球车也是月球探测工程需要解决的关键技术。 月球表面重力是地球表面重力的1/6。某些在地面上能正常完成的机械运动，特别是依靠机构自身重量完成的动作，在低重力的月球表面是否仍能正常动作，也还是待解之谜。 我国卫星、飞船研制成功的重要经验之一是，研制过程中进行充分的地面模拟试验。月球车在设计阶段可采用各种计算机仿真技术，以提高设计效率，优化设计方案，例如，通过月球表面环境仿真、月球车三维实体模型和月球车动力学仿真等试验分析，确定月球车的总体方案和结构、机构、运动控制、热控制及遥操作等分系统方案，并在此基础上完成研制。 在月球车硬件产品研制出来后，必须对实物产品进行性能试验和环境模拟试验，要在模拟月面尽可能真实的环境条件（高真空、高低温、太阳光照、宇宙辐射、低重力、月球表面地形地貌等）下，进行程序操作和运动特性等试验。试验条件越逼真越好，例如，我国早期的东方红2号自旋稳定通信卫星的通信天线与卫星本体之间的消旋轴承，曾在中国空间技术研究院兰州物理所的真空容器中进行寿命试验，连续旋转达10年以上。 严格的质量管理是 月球车成功的保证 作为航天器的月球车“麻雀虽小，五脏俱全”，它同样是由有效载荷、结构、机构、电源，制导、定位与控制、热控制、数管、测控等分系统组成，其研制管理是一项系统工程；月球车同样是属于不可维修的“上天”产品，对质量和可靠性要求非常高。因此，在进入工程研制后，应参照航天系统多年来通过各种卫星研制管理实践所积累的一整套行之有效的系统工程与质量管理方法，加强质量控制。特别是，中国空间技术研究院在研制神舟飞船中创造的“零缺陷、零故障、零疑点”的质量理念和体系，对于保证月球车研制成真正的工程机具有重要的指导意义。 月球车是一项技术复杂，要求严格的研究开发任务，开发者除了要突破、掌握同机器人相关的轻型机械、机构、遥操作、自主导航、机械臂等技术外，更重要的是要在按航天器的规范与标准研制管理上多下工夫。

当然“巡行者”1号是一种专门设计有专门用途的特殊汽车。这种汽车由蓄电池供给动力，每个轮子由一台电动机驱动。车轮轮胎是特殊橡胶制作的，在高温和低温下也会有弹性。这是因为月球的白天黑夜温差很大，白天高达127℃，夜晚低达-183℃，地球上的汽车在月球上是无法行驶的。宇航员操纵手柄驾驶月球车前进、后退、转弯和爬坡。车上装有照相机、摄像机和一系列仪器设备，并可存放收集来的岩石和土壤标本。这一次，宇航员驾驶月球车行驶了千米，收集了77千克岩石和土壤。

“巡行者”1号月球车长约3米，宽米，重209千克。它每小时可跑16千米，最远可行驶千米。

在随后进行的两次登月中，月球车都发挥了重要的作用。在“阿波罗”15号和16号飞船登月中，月球车分别行驶了27千米和35千米。更重要的是，月球车竟成了电视转播台，利用月球车上的摄像机和电视传输设备向地球实时发回了登月实况转播，还播放了宇航员离开月球、登月舱上发动机喷气的壮观景象。

除了“巡行者”1号这种有人驾驶的汽车外，月球上还曾出现过无人驾驶的汽车，这是由前苏联发射的。1970年11月17日，前苏联“月球”17号探测器把世界上第一辆无人驾驶的“月球车”1号送上月球，并行驶了千米，考察了月面；后来的“月球车”2号，行驶了37千米，向地球发回88幅月面全景图。

“月球车”1号、2号均用太阳电池和蓄电池供给动力。它的结构样式与汽车迥异，由轮式底盘和仪器舱组成，底盘下有8个轮子。月球车根据地球上发出的指令在崎岖不平的月面上行驶。构思巧妙的是，因为无人驾驶，它在出现紧急情况时，比如车子倾斜过大时，解锁机构会自动把轮子与传动机构脱钩，以防止月球车翻车。在车上的仪器舱内，装有一系列仪器和照相机、摄像机及通信设备，它们能自动采集月球岩石和土壤，拍摄月球表面景象及探测月球辐射状态等。

自1972年12月“阿波罗”17号登月后，人类登月计划暂告中止。但是人类会不会再重返月球呢？回答当然是肯定的。

既然将来肯定会重返月球，那月球上就需要有更先进的汽车。科学家们正在研制供月球上使用的多种汽车。

轻便的三轮摩托车，一人驾驶，由电池驱动，车长米，重78千克。这主要是在月面上行驶的交通工具。还有一种火箭车，由火箭发动机驱动，有趣的是，它没有轮子，而是跳跃式前进，速度快是它的特点。还有一种中型月球车，长6米，重3000千克，一次充电可行驶325千米。它没有轮子，却有像坦克一样的履带，因此可以越野爬坡。它的车体是密闭的，可以载客4人，载货715千克。

在21世纪，月球上还会有更先进、更新奇的汽车大行其道。

月球汽车