CN104554821B - 优化布局的载人月球车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种优化布局的载人月球车，至少具备以下优点：外部仪器设备布局充分考虑其工作空间，不会产生干涉和遮挡；X频段高增益平板发射面天线与月球车前端箱盖采用了一体化设计方法；内部仪器设备置于前部底盘和后部底盘的封闭式箱体中，满足了月昼工作和月夜休眠的温控要求；由避障相机、惯性组件等构成的组合导航系统具有自主导航和月面相对定位功能；双工器保证了发射和接收两端能够同时正常工作；X频段固态放大器、X频段应答机与X频段高增益平板反射面天线放大器、X频段高增益平板反射面天线应答机相互备份；有效载荷布局时充分考虑了其工作空间；全景相机和红外成像光谱仪可实现大角度俯仰和偏摆，扩大了观测范围。

Description

优化布局的载人月球车

技术领域

本发明涉及载人登月技术领域，尤其涉及一种优化布局的载人月球车。

背景技术

载人月球车主要用来扩展航天员月面活动范围，搭载航天员、科学仪器设备进行远距离月面勘探和试验，以及为登月服提供电能补给，是整个月球探测计划中的重要组成部分。

在阿波罗前期的载人探月任务中，由于缺少代步工具，航天员只能穿着登月服在月面上蹒跚行走。阿波罗11、阿波罗12和阿波罗14行走路程分别达到了250m、2km和3.3km，最大活动范围分别为6lm、213m和213m。载人月球车的使用极大地扩大了航天员的活动范围。阿波罗15号、16号和17号航天员驱车分别行进了27.9km、27.1km、36.1km，活动范围扩大到5km、4.5km、7.6km，历时3小时2分钟、3小时26分钟、4小时26分钟。

“阿波罗载人月球车”(Apollo Lunar Roving Vehicle，LRV)是一个具有基本配置和功能的经典月球车，只在白天工作。结构类似敞开式吉普车，车体大部分采用铝合金结构，具有四轮独立驱动，采用独立的梯形转向机构，轮胎外表面包覆有金属网。此外，NASA还陆续研究了各种构型和用途的概念月球车，包括非增压式月球车、增压式月球车以及用于月球基地建设的工程车。

目前国内包括航天五院、八院、哈工大、重庆大学、兵工201所、南航等科研院所参与了载人月球车研究工作，但总体上处于起步阶段，还停留在对阿波罗载人月球车和NASA新概念载人月球车的跟踪研究阶段，自主创新的内容不多。

发明内容

本发明要解决的技术问题是结构紧凑，操作便捷，安全可靠性好的优化布局的载人月球车。

为了解决这一技术问题，本发明提供了一种优化布局的载人月球车，包括车体结构，所述车体结构包括敞开式结构的中部底盘、设于所述中部底盘两端的前部底盘与后部底盘以及可拆卸地安装于所述前部底盘与后部底盘上的箱体结构；

所述前部底盘的箱体结构内设有综合电子计算机以及环绕所述综合电子计算机布置的惯性组件、陀螺仪、X频段高增益平板反射面天线放大器、X频段高增益平板反射面天线应答机、红外成像光谱仪电控箱、机构控制设备、蓄电池组、电源控制器和图像处理器；所述惯性组件、陀螺仪、X频段高增益平板反射面天线应答机、红外成像光谱仪电控箱、机构控制设备、蓄电池组、电源控制器和图像处理器均与所述综合电子计算机连接；

所述前部底盘的箱体结构上设有全景相机和红外成像光谱仪，所述前部底盘的前端设有避障相机，所述避障相机和全景相机均与所述图像处理器连接；所述红外成像光谱仪与所述红外成像光谱仪电控箱连接；

所述惯性组件和陀螺仪位于该箱体结构内的前端位置，所述蓄电池组位于该箱体结构内的后端位置，所述电源控制器相邻所述蓄电池组设置，且与所述蓄电池组连接；

所述前部底盘的箱体结构的箱盖采用共型设计，作为X频段高增益平板发射面天线，且连接至该箱体结构内的所述X频段高增益平板反射面天线放大器，所述X频段高增益平板反射面天线放大器连接所述X频段高增益平板反射面天线应答机；

所述后部底盘的箱体结构内设有测月雷达电控箱、X频段固态放大器、X频段应答机、微波开关、双工器、UHF频段固态放大器和UHF频段应答机，所述后部底盘的箱体结构上设有X频段全向发射天线和X频段全向接收天线，所述X频段全向发射天线通过所述微波开关连接至所述X频段固态放大器和X频段应答机，所述X频段固态放大器也连接所述X频段应答机，所述X频段固态放大器和所述X频段高增益平板反射面天线放大器均连接至所述微波开关，所述微波开关连接至所述综合电子计算机。

可选的，所述微波开关和双工器位于所述后部底盘的箱体结构内前端的位置。

可选的，所述中间底盘上设有沿车体结构宽度方向可拆卸地排布的两个个乘务座椅，其中一个乘务座椅下设有样本储存袋，另一个乘务座椅下设有采样工具箱，两个所述乘务座椅之间设有操作手柄，所述操作手柄与所述机构控制设备连接，两个所述乘务座椅后侧设有生保系统。

可选的，所述前部底盘的前端设有微型质谱仪。

可选的，所述后部底盘的尾端设置有机械臂，所述机械臂上设有显微成像仪器、α粒子X射线光谱仪和岩心取样器，所述后部底盘的箱体上还设有月面样本分析仪，所述机械臂、显微成像仪器、α粒子X射线光谱仪、岩心取样器和月面样本分析仪均与所述综合电子计算机连接。

可选的，所述前部底盘上还设有一个自由度活动平台，所述自由度活动平台位于前部底盘上的箱体结构的后侧，所述自由度活动平台上设有激光通信设备，所述激光通信设备与所述综合电子计算机连接。

可选的，所述前部底盘的前端还设有电磁感应耦合器，所述电磁感应耦合器通过所述电源控制器与所述蓄电池组连接。

本发明及其可选的方案具备以下优点：

1)外部仪器设备布局充分考虑其工作空间，不会产生干涉和遮挡；2)X频段高增益平板发射面天线与月球车前端箱盖采用了一体化设计方法；3)电磁感应耦合器在前避障相机的双目视觉导引下，自主实现非接触式感应充电；4)激光通信设备在对地面进行数据传输时具有自动跟踪瞄准功能；5)机械臂在后避障相机的双目视觉导引下，具有双臂协同采样、分析和封装功能；6)内部仪器设备置于前部底盘和后部底盘的封闭式箱体中，满足了月昼工作和月夜休眠的温控要求；7)由避障相机、惯性组件等构成的组合导航系统具有自主导航和月面相对定位功能；8)蓄电池组根据工作需求可选择月球车的太阳电池阵或着陆器进行充电；9)双工器保证了发射和接收两端能够同时正常工作；10)X频段固态放大器、X频段应答机与X频段高增益平板反射面天线放大器、X频段高增益平板反射面天线应答机相互备份；11)乘员操控系统布局从可达、可视、可操控性以及舒适性等方面进行人机工效设计；12)乘务座椅采用即插即用接口，可在月面由航天员组装后使用；13)发射时处于折叠状态的仪表台和操纵手柄可在月面由航天员展开后使用；14)生保系统置于乘务座椅后侧，航天员驾乘时可优先使用车载生保系统；15)有效载荷布局时充分考虑了其工作空间；16)全景相机和红外成像光谱仪可实现大角度俯仰和偏摆，扩大了观测范围；17)月面样本分析仪具有样品原位分析功能；18)显微成像仪、α粒子X射线光谱仪、岩心取样器可根据探测需求切换工位进入使用状态。

附图说明

图1是本发明一实施例中载人月球车外部仪器设备布局示意图；

图2为本发明一实施例中载人月球车内部仪器设备布局示意图；

图3为本发明一实施例中载人月球车乘员操控系统布局示意图；

图4为本发明一实施例中载人月球车有效载荷布局示意图。

具体实施方式

以下将结合图1至图4对本发明提供的优化布局的载人月球车进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域的技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内能够对其进行修改和润色。

请参考图1至图4，本实施例提供了一种优化布局的载人月球车，包括车体结构，所述车体结构包括敞开式结构的中部底盘45、设于所述中部底盘45两端的前部底盘44与后部底盘43以及可拆卸地安装于所述前部底盘44与后部底盘43上的箱体结构19与24；

所述前部底盘44的箱体结构19内设有综合电子计算机29以及环绕所述综合电子计算机29布置的惯性组件11、陀螺仪30、X频段高增益平板反射面天线放大器28、X频段高增益平板反射面天线应答机27、红外成像光谱仪电控箱26、机构控制设备25、蓄电池组14、电源控制器13和图像处理器12；所述惯性组件11、陀螺仪30、X频段高增益平板反射面天线应答机27、红外成像光谱仪电控箱26、机构控制设备25、蓄电池组14、电源控制器13和图像处理器12均与所述综合电子计算机连接；当然，各用电的设备均与所述蓄电池组14连接。

所述前部底盘44的箱体结构19上设有全景相机37和红外成像光谱仪38，所述前部底盘44的前端设有避障相机1，所述避障相机1和全景相机37均与所述图像处理器12连接；所述红外成像光谱仪38与所述红外成像光谱仪电控箱26连接；可见，箱体结构19内布置什么、布置方式是与外部的仪器、载荷的布置有关的。而为了车子的行进，避障相机1与全景相机37等必须布置在车头位置，与之对应的图像处理器12等也就布置在了箱体结构19内了。

由避障相机、惯性组件等构成的组合导航系统具有自主导航和月面相对定位功能。全景相机和红外成像光谱仪可实现大角度俯仰和偏摆，扩大了观测范围。

所述惯性组件11和陀螺仪30位于该箱体结构19内的前端位置，所述蓄电池组14位于该箱体结构19内的后端位置，所述电源控制器13相邻所述蓄电池组14设置，且与所述蓄电池组14连接；惯性组件11和陀螺仪30是为了明确车子位置、姿态的，所以设于前部底盘44的箱体结构19内较佳。所述电源控制器用以接入不同的电源输入线路，以预设的逻辑实现蓄电池组14的充电控制。

所述前部底盘的箱体结构19的箱盖采用共型设计，作为X频段高增益平板发射面天线2，即X频段高增益平板发射面天线与月球车前端箱盖采用了一体化设计方法，且连接至该箱体结构19内的所述X频段高增益平板反射面天线放大器28，所述X频段高增益平板反射面天线放大器28连接所述X频段高增益平板反射面天线应答机27，进而连接至所述综合电子计算机29，或者如本实施例中，连接至微波开关17，最终连接至所述综合电子计算机29；

所述后部底盘43的箱体结构24内设有测月雷达电控箱16、X频段固态放大器18、X频段应答机15、微波开关17、双工器23、UHF频段固态放大器21和UHF频段应答机22，所述后部底盘43的箱体结构24上设有X频段全向发射天线5和X频段全向接收天线3，所述X频段全向发射天线5通过所述微波开关23连接至所述X频段固态放大器18和X频段应答机15，所述X频段固态放大器18也连接所述X频段应答机15，所述X频段固态放大器和所述X频段高增益平板反射面天线放大器28均连接至所述微波开关17，所述微波开关17连接至所述综合电子计算机29。X频段的信号经X频段全向接收天线3接收，通过X频段应答机15解调传输至所述综合电子计算机29。

当发射时，可以采用X频段高增益平板反射面天线2进行发射，也可以采用X频段全向发射天线5进行发射，两者互为备份，由所述微波开关17进行控制，若采用X频段高增益平板反射面天线2发射，信号自综合电子计算机29通过X频段高增益平板反射天线应答机27传输至X频段高增益平板反射天线放大器28放大，最后经微波开关17传至X频段高增益平板反射天线2。同理，X频段全向发射天线5发射的通路也是类似的。

双工器23保证了UHF发射和接收两端能够同时正常工作；X频段固态放大器、X频段应答机与X频段高增益平板反射面天线放大器、X频段高增益平板反射面天线应答机通过微波开关17实现相互备份。可选的，所述微波开关17和双工器23位于所述后部底盘43的箱体结构24内前端的位置。

本发明将内部仪器设备置于前部底盘44和后部底盘43的封闭式的箱体结构19与24中，满足了月昼工作和月夜休眠的温控要求；外部仪器设备布局充分考虑其工作空间，不会产生干涉和遮挡。

所述中间底盘45上设有沿车体结构宽度方向可拆卸地排布的两个个乘务座椅34，其中一个乘务座椅34下设有样本储存袋31，另一个乘务座椅下设有采样工具箱46，两个所述乘务座椅34之间设有操作手柄33，所述操作手柄33与所述机构控制设备25连接，两个所述乘务座椅后侧设有生保系统35。操作手柄33通过机构控制设备25控制图中未示的转向机构，行进机构等。当然也可通过综合电子计算机29来控制机构控制设备25。另外，在中部底盘45上还通过支架设置有一仪表台32，与机构控制设备25或综合电子计算机29连接，用以实现信号的反馈。

乘员操控系统布局从可达、可视、可操控性以及舒适性等方面进行人机工效设计；乘务座椅采用即插即用接口，可在月面由航天员组装后使用；发射时处于折叠状态的仪表台和操纵手柄可在月面由航天员展开后使用。生保系统置于乘务座椅后侧，航天员驾乘时可优先使用车载生保系统。

可选的实施例中，所述前部底盘44的前端设有微型质谱仪36。所述前部底盘44上还设有一个自由度活动平台46，所述自由度活动平台46位于前部底盘44上的箱体结构19的后侧，所述自由度活动平台46上设有激光通信设备8，所述激光通信设备8与所述综合电子计算机29连接。所述前部底盘44的前端还设有电磁感应耦合器10，所述电磁感应耦合器10通过所述电源控制器13与所述蓄电池组14连接，用以与外部设备的感应实现无线充电。

所述后部底盘24的尾端设置有机械臂6，所述机械臂6上设有显微成像仪器39、α粒子X射线光谱仪40和岩心取样器41，所述后部底盘43的箱体24上还设有月面样本分析仪42，所述机械臂6、显微成像仪器39、α粒子X射线光谱仪40、岩心取样器41和月面样本分析仪42均与所述综合电子计算机29连接。月面样本分析仪42还与箱体结构24内的月面样本分析仪控制设备20连接，所述月面样本分析仪控制设备位于所述箱体结构24内空间的后端位置。月面样本分析仪具有样品原位分析功能；显微成像仪、α粒子X射线光谱仪、岩心取样器可根据探测需求切换工位进入使用状态。

本实施例和本发明所描述的方案主要是为了阐述一种布局方式，不应由于其着重描述布局方式而未将部分装置进行具体阐述就视作公开不充分。下文换个角度，从外部仪器设备的布局、内部仪器设备布局、乘员操控系统布局以及有效载荷布局四个角度对本发明及本实施例做进一步阐述。

外部仪器设备布局充分考虑其工作空间，电磁感应耦合器10安装在月球车前部底盘44正前方，2台前避障相机1对称布置于电磁感应耦合器10左右两侧，同位素热电发生器9安装于左侧避障相机1上方，X频段高增益平板发射面天线2与月球车前端箱盖采用共型设计，激光通信设备8布置于前端箱盖后侧，UHF接收发天线4安装在后端箱盖中间位置，X频段全向接收天线3和X频段全向发射天线5分布在UHF接收发天线4左右两侧，机械臂6安装在月球车后部底盘后方中间位置，2台后避障相机7对称布置于机械臂6左右两侧。

外部仪器设备布局中涉及的X频段全向接收天线3、UHF接收发天线4、X频段全向发射天线5采用通用的即插即用接口，发射前统一拆除，以减小包络尺寸。发射过程中与车体分开运输。月面着陆后航天员展开月球车后依次安装，并调整至工作方向。机械臂收拢后压紧在车体上，着陆后由航天员辅助解锁并展开。其他不影响车体折叠的设备，在发射过程中无需拆除。

内部仪器设备布局主要考虑月昼和月夜的温控要求，置于前部底盘和后部底盘的封闭式箱体中，X频段高增益平板反射面天线应答机27置于前部底盘箱体左前侧，其右侧依次布置有X频段高增益平板反射面天线放大器28、陀螺仪30和惯性组件11，红外成像光谱仪电控箱26置于X频段高增益平板反射面天线应答机27正后方，其右侧依次布置有综合电子计算机29和图像处理器12，机构控制设备25置于红外成像光谱仪电控箱26正后方，其右侧依次布置有锂离子蓄电池组14和电源控制器13，双工器23置于后部底盘箱体左前侧，其右侧依次布置有X频段高增益应答机24、微波开关17和X频段低增益应答机15，UHF频段应答机22置于双工器23正后方，UHF频段固态放大器21置于UHF频段应答机22正后方，两者右侧依次布置有X频段高增益固态放大器19、X频段低增益固态放大器18和测月雷达电控箱16，月面样本分析仪控制设备20布置于后部底盘箱体正后方。

内部仪器设备布局按照工作要求安装在月球车封闭式箱体内，在奔月过程中由着陆舱持续给月球车提供能源，保证箱体内始终维持合适的温度范围。着陆后月昼工作和月夜休眠期间由温控系统根据需要采取被动温控或主动温控手段，调节箱体内的温度。

乘员操控系统布局重点从可达、可视、可操控性以及舒适性等方面进行人机工效设计，2个乘务座椅34安装于月球车敞开式中间底盘上方，样本储存袋31置于右侧乘务座椅34正下方，仪表台32置于乘务座椅34前侧，操纵手柄33置于2个乘务座椅34中间位置，生保系统35置于乘务座椅34后侧。

乘员操控系统布局中乘务座椅采用即插即用接口，在地面人工拆除后与车体分开运输，在月面由航天员组装后使用。仪表台和操纵手柄发射时处于折叠状态，在月面由航天员展开后使用。便携式样本储存袋置于乘务座椅下，供航天员随时取用。生保系统由航天员出行前根据乘员人数和科考时间配置数量和规格。

有效载荷布局充分考虑其工作空间，微型质谱仪36安装在月球车前部底盘右前方，全景相机37和红外成像光谱仪38安装在月球车前端箱盖中间位置，采样工具箱44置于左侧乘务座椅34正下方，测月雷达43安装在乘务座椅34后侧，月面样本分析仪42安装在月球车后部底盘箱体上方，显微成像仪39、α粒子X射线光谱仪40和岩心取样器41安装于机械臂6末端。

有效载荷布局采用通用的标准化接口，由航天员出行前根据科考任务进行选用。此外，一旦某个载荷接口出现故障，还可借用其他载荷的标准接口，以提高有效载荷的工作可靠性。

综上所述，本发明及其可选的方案具备以下优点：

1)外部仪器设备布局充分考虑其工作空间，不会产生干涉和遮挡；2)X频段高增益平板发射面天线与月球车前端箱盖采用了一体化设计方法；3)电磁感应耦合器在前避障相机的双目视觉导引下，自主实现非接触式感应充电；4)激光通信设备在对地面进行数据传输时具有自动跟踪瞄准功能；5)机械臂在后避障相机的双目视觉导引下，具有双臂协同采样、分析和封装功能；6)内部仪器设备置于前部底盘和后部底盘的封闭式箱体中，满足了月昼工作和月夜休眠的温控要求；7)由避障相机、惯性组件等构成的组合导航系统具有自主导航和月面相对定位功能；8)蓄电池组根据工作需求可选择月球车的太阳电池阵或着陆器进行充电；9)双工器保证了UHF发射和接收两端能够同时正常工作；10)X频段固态放大器、X频段应答机与X频段高增益平板反射面天线放大器、X频段高增益平板反射面天线应答机相互备份；11)乘员操控系统布局从可达、可视、可操控性以及舒适性等方面进行人机工效设计；12)乘务座椅采用即插即用接口，可在月面由航天员组装后使用；13)发射时处于折叠状态的仪表台和操纵手柄可在月面由航天员展开后使用；14)生保系统置于乘务座椅后侧，航天员驾乘时可优先使用车载生保系统；15)有效载荷布局时充分考虑了其工作空间；16)全景相机和红外成像光谱仪可实现大角度俯仰和偏摆，扩大了观测范围；17)月面样本分析仪具有样品原位分析功能；18)显微成像仪、α粒子X射线光谱仪、岩心取样器可根据探测需求切换工位进入使用状态。

Claims (7)

1.一种优化布局的载人月球车，其特征在于：包括车体结构，所述车体结构包括敞开式结构的中部底盘、设于所述中部底盘两端的前部底盘与后部底盘以及可拆卸地安装于所述前部底盘与后部底盘上的箱体结构；

所述前部底盘的箱体结构内设有综合电子计算机以及环绕所述综合电子计算机布置的惯性组件、陀螺仪、X频段高增益平板反射面天线放大器、X频段高增益平板反射面天线应答机、红外成像光谱仪电控箱、机构控制设备、蓄电池组、电源控制器和图像处理器；所述惯性组件、陀螺仪、X频段高增益平板反射面天线应答机、红外成像光谱仪电控箱、机构控制设备、蓄电池组、电源控制器和图像处理器均与所述综合电子计算机连接；

所述前部底盘的箱体结构上设有全景相机和红外成像光谱仪，所述前部底盘的前端设有避障相机，所述避障相机和全景相机均与所述图像处理器连接；所述红外成像光谱仪与所述红外成像光谱仪电控箱连接；

所述惯性组件和陀螺仪位于该箱体结构内的前端位置，所述蓄电池组位于该箱体结构内的后端位置，所述电源控制器相邻所述蓄电池组设置，且与所述蓄电池组连接；

所述前部底盘的箱体结构的箱盖采用共型设计，作为X频段高增益平板发射面天线，且连接至该箱体结构内的所述X频段高增益平板反射面天线放大器，所述X频段高增益平板反射面天线放大器连接所述X频段高增益平板反射面天线应答机；

所述后部底盘的箱体结构内设有测月雷达电控箱、X频段固态放大器、X频段应答机、微波开关、双工器、UHF频段固态放大器和UHF频段应答机，所述后部底盘的箱体结构上设有X频段全向发射天线和X频段全向接收天线，所述X频段全向发射天线通过所述微波开关连接至所述X频段固态放大器和X频段应答机，所述X频段固态放大器也连接所述X频段应答机，所述X频段固态放大器和所述X频段高增益平板反射面天线放大器均连接至所述微波开关，所述微波开关连接至所述综合电子计算机。

2.如权利要求1所述的优化布局的载人月球车，其特征在于：所述微波开关和双工器位于所述后部底盘的箱体结构内前端的位置。

3.如权利要求1所述的优化布局的载人月球车，其特征在于：所述中部底盘上设有沿车体结构宽度方向可拆卸地排布的两个个乘务座椅，其中一个乘务座椅下设有样本储存袋，另一个乘务座椅下设有采样工具箱，两个所述乘务座椅之间设有操作手柄，所述操作手柄与所述机构控制设备连接，两个所述乘务座椅后侧设有生保系统。

4.如权利要求1所述的优化布局的载人月球车，其特征在于：所述前部底盘的前端设有微型质谱仪。

5.如权利要求1所述的优化布局的载人月球车，其特征在于：所述后部底盘的尾端设置有机械臂，所述机械臂上设有显微成像仪器、α粒子X射线光谱仪和岩心取样器，所述后部底盘的箱体上还设有月面样本分析仪，所述机械臂、显微成像仪器、α粒子X射线光谱仪、岩心取样器和月面样本分析仪均与所述综合电子计算机连接。

6.如权利要求1所述的优化布局的载人月球车，其特征在于：所述前部底盘上还设有一个自由度活动平台，所述自由度活动平台位于前部底盘上的箱体结构的后侧，所述自由度活动平台上设有激光通信设备，所述激光通信设备与所述综合电子计算机连接。

7.如权利要求1所述的优化布局的载人月球车，其特征在于：所述前部底盘的前端还设有电磁感应耦合器，所述电磁感应耦合器通过所述电源控制器与所述蓄电池组连接。