带你去月球游车河——说一说阿波罗载人月球车 | 航天爱好者网
都知道美国是车轮上的国家，“没有汽车的出现，就不会有现代的美国。”汽车当仁不让地成为了美利坚民族文化的承载者。转眼间到了阿波罗登月时代，登月车理所当然嵌入了该计划……
本文作者：超级Loveovergold，已经为其开启独立赞赏账户。
月球表面，崎岖不堪，宇航员穿着笨重的宇航服本身行动不变，而且大多数科研工作是在月面进行地质勘探，需要携带铲子、镐头等工具，从不同地点采集月球岩石和土壤样本并带回登月舱。如果在月球有车代步，将极大的方便在月球的探索。因此在阿波罗登月计划中，月球车的设计对于月球地质勘探极具价值。只不过，对于一个汽车王国来说，月球车设计和制造，也是第一次吃螃蟹。
一、百花齐放、激情燃烧时代的月球探险概念车预研项目
其实在1959年太空竞赛前夕，美国陆军就启动了“Project Horizon”——地平线项目，研究在月球建立一个可容纳10到20人的月球军事前哨，该研究报告强调了实现这一目标的紧迫感——美国必须先行，落在苏联后面是灾难性！包括土星I火箭的研究迅速启动了，在肯尼迪总统发表了激情洋溢的登月宣言之后，登月工程全面启动。
NASA在阿拉巴马州亨茨维尔成立了马歇尔太空飞行中心（MSFC，Marshall Space Flight Center），冯·布劳恩成为该中心的第一任主任。启动的研究不仅仅包括土星5火箭等载人登月火箭项目，也包括月球移动研究项目，月球车研究及其许多项目参与者集中到马歇尔太空飞行中心，开展的项目有月球后勤系统（LLS）、移动实验室（MOLAB）、月球科学调查模块（LSSM）和移动测试站（MTA）等。这些概念车的设计，基于乐观的人货分离、两枚土星V发射的场景，一枚负责将宇航员送达月球表面，另一枚用于携带生命维持和实验设备。不仅仅是汽车巨头，许多参与土星五号各分系统设计和工程的大型航空航天公司也参与到了月球概念车的研究。
（一）格鲁曼飞机工程公司
建造月球车的研究始于1962年9月，格鲁曼飞机工程公司首先和诺思罗普太空实验室进行了月球后勤系统（Lunar Logistics System，LLS）的研究，成为月球车研发的先驱。1963年，格鲁曼公司在Project 344项目中研制了月球后勤系统（Lunar Logistics System），两轮驱动（轮胎有中国读者熟悉的风火轮造型），能够行驶300公里，支持3.3 天的行程。
图1. 格鲁曼公司月球后勤系统车辆，轮胎有中国读者熟悉的风火轮造型
在1965年至1966年，格鲁曼和NASA签订合同制造移动测试站（Mobility Test Article ，MTA），是开放式测试车辆，没有车身，只有底盘和车轮，但通过性非常好，探险能力更强。
图2.1965年格鲁曼公司开发了一款移动测试站(MTA)，单座，铰接式底盘，俗称扫把轮
（二）通用汽车公司
作为美国汽车行业的龙头老大，他们在加利福尼亚州圣巴巴拉建立了通用汽车国防研究实验室（General Motors Defense Research Laboratories ，GMDRL）。作为该时期陆地行进研究的权威，贝克博士（Mieczyslaw G. Bekker），担任了该实验室负责人；另外一位，塞缪尔∙罗马诺（Samuel Romano）是月球和行星计划的负责人（这位执着的领导，后面会提到，成为整个月球车项目转折的功臣）。1963年5月，Bekker博士和Ferenc Pavlics发表了题为“月球车概念研究 ”的论文。该论文属于JPL / NASA的无人探险车研究项目，规划的月球车总重控制在182千克，在月球重约30kg，采用银镉电池驱动直流电机，轮胎一开始是和固特异合作的特殊橡胶轮胎。但GMDRL后续开发了金属丝编织轮，Ferenc Pavlics和他的团队因此在1969年获得了该项专利，成为划时代的设计。
图3.通用汽车公司在1964年开发的6×6 Rover，注意其透明的钢丝编织胎设计
在1964年，通用汽车完成移动实验室（MOLAB）方案，该方案为4X4轮式加压舱式的设计，提供两周、行驶400公里的探索任务。车轮比履带方案更好，因为耗能少，更简单并且对极端温度不敏感等优点，美国地址勘探局在新墨西哥州的沙漠中利用MOLAB研究月球探测的勘探程序和设备。
图4. 在移动实验室（MOLAB）方案中，通用汽车提交了加压舱式的设计，长5.2米，采用137厘米充气轮胎，最高时速40公里，重2,272千克。
（三）两位后起之秀波音和BENDIX
波音如雷贯耳，不细讲了，他与通用汽车一起合作开展月球车项目竞标。另外还有一家承包商，叫做本迪克斯（BENDIX），名不见经传，仅仅存在了60年，是美国众多高科技企业中的沧海一粟，但其研发能力也不可小觑，土星5火箭的惯导平台（型号为ST-124-M3）制造就出自他家，从60年代初期就自筹资金，积极参与月球车的项目，他把月球车立为公司长远发展项目。
图5. Bendix研发的移动测试站 (MTA)，在马歇尔太空飞行中心演示弹力圈圈轮的减震效果。测试数据有助于设计月球车
1964年3月，马歇尔太空飞行中心启动MOLAB（移动实验室）的车辆设计招标，这是阿波罗物流支持系统（ALSS）的一部分，要求加压舱设计，在月球上提供两名宇航员14天的任务需求。1964年6月，Bendix，波音，克莱斯勒，通用电气和格鲁曼公司均参与了竞标，最后波音公司（GMDRL作为车辆技术分包商）和Bendix获得了合同。波音公司的方案，核心是使用编织线轮和电机独立驱动每个车轮（这就是刚才提到的GMDRL开发的技术），液氢/液氧燃料电池提供动力，这给NASA留下了深刻的印象。
（四）月球吉普车——冯·布劳恩的理性推崇
相对理性的冯·布劳恩1964年2月在为“大众科学”杂志撰写《冯博士讲述如何在月球上旅行》的科普文中，阐述了他的观点：对于短距离旅行，一辆不加压的“月亮吉普车”可能就足够了。宇航员跳上车，依靠加压太空服来保护，由背包提供生命支持。研制轻便的月球漫游车（The Lunar Roving Vehicle ，LRV)，而不是笨重的加压车的观点影响着阿波罗项目研究的方向。
图6. 冯·布劳恩试乘试驾Brown Engineering公司研制的月球吉普车
身体力行的冯博士还试乘试驾Brown Engineering公司研制的月球吉普车，该车设计用于携带两名宇航员和一些物品，宇航员将着宇航服和个人生命支持系统（PLSS）驾驶这辆车。铝制车架，车舱裸露，配置的防滚架可在侧翻情况下起到保护作用，由传统电池和充气轮胎提供动力。
另外马歇尔太空飞行中心还研究了可以从地球控制的无人月球车：在地面的模拟器，依靠月球车上传的可视图像遥控月球车，不过数秒时延是遥控驾驶的大问题。这可以说是现代车联网概念的鼻祖！！！
二、一波三折，差点夭折的月球车项目
科学界，包括参与研究的航空航天公司一直相信阿波罗登月会采用人货分离的双土星5火箭发射！雄心勃勃的月球探测设想包括在月球能够打洞3米的钻机，宇航员可以驾驶月球飞行器（LFV）在月面飞行，或者驾驶项目成本达到25亿美元的加压月球车！
理想是美好的，现实是骨感的，虽然在1966年阿波罗登月项目占到了联邦预算的近4.5%，但从1967年之后，阿波罗项目的预算迅速下降，经济现实决定了每次阿波罗任务都只能用一枚土星五号火箭！一枚土星5号火箭的运载能力现实的摆在那里，月球车的想法被搁置了……
图7.毛新愿博士（太空精酿）绘制的阿波罗登月计划占联邦预算的比例图，从1967年之后项目资金呈明显下降趋势
前期为之付出无数心血的承包商、研究单位对于只能使用一枚土星5号表示愤怒，但通用汽车公司月球和行星计划的负责人——罗马诺先生并没死心……他试图力挽狂澜，让月球车项目起死回生！
要让一枚土星5号就能捎上天，月球车必须尽可能轻便小巧！不再考虑那些奇奇怪怪的加压舱汽车，之前不被人看好的月球漫游车重新进入了他的视线，但究竟要瘦身到多少？1968年末，他带着几位工程师前往华盛顿，并与负责登月舱的NASA项目经理会面，罗马诺想知道可能的月球车可用空间以及重量限制可能是多少？他被告知可以使用登月舱梯子右侧的仪器舱，但车辆重量的上限不能超过227公斤（500磅）。
图8.登月舱梯子右侧的仪器舱倒是可以考虑捎上月球车
这位罗马诺，基本上在阿波罗功臣谱上是找不到的，但他的毅力、执行力可以说是航天知行合一的优秀代表。罗马诺在四个月内完成了方案研究，提出了一个适合该仪器舱体积、重量不到500磅方案，同时制作了一个1/ 6级的月球车模型和一个登月舱模型。
图9. 罗马诺制作的1/6缩比模型，通过轻巧和可折叠型力挽狂澜让月球车项目起死回生
为了说服NASA领导，他制作了一部电影，拍摄了月球漫游车折叠并放置在登月舱内。这部电影被带到了马歇尔太空飞行中心，播放给专家布拉德福德（Len Bradford）和他的一些工程师，布拉德福德被震惊：“我们必须向冯·布劳恩博士证明这一点！“
一群人来到马歇尔太空飞行中心4200号楼9楼，遥控月球漫游车模型开到冯·布劳恩博士办公室门口。布劳恩博士惊呆了，挂断了手头的电话，问道：“你们在这里干什么？” 罗马诺娓娓道来，并通过半个小时左右的电影并告诉布劳恩他们是怎么实现的。布劳恩听完，用拳头砸在桌子上说：“我们必须这样做（We must do this）。”
插播：很多项目负责人、工程师经常抱怨：领导不懂技术啊……稀里糊涂的……等等，请记住，一个领导，他虽然有决策权，但要平衡的事情太多！即便布劳恩博士早就支持月球吉普车这个折中的方案，但也必须用他能够迅速可以决断的可行方案来说服！
改进方案马上被执行！1969年初NASA的载人航天飞行办公室正式要求格鲁曼公司进行加强版J系列登月舱（J-MISSION，具体为阿波罗15～17任务）研究，允许后期更长的任务时间并增加月球漫游车等有效载荷。1969年4月7日，冯博士宣布马歇尔太空飞行中心建立一个月球漫游车（Lunar Roving Vehicle，LRV）任务组。
然后，在1969年7月11日，也就是在阿波罗11号登月成功之前不久，LRV任务组根据之前的广泛研究，向29个NASA承包商发出标书，列出了月球漫游车的22项具体要求，分别是：
10.标书上准确详细的描述了LRV的22项工作要求
随着阿姆斯特朗和奥尔德林成功登月以及阿波罗11号船员即将返回的兴奋，7月23日在NASA米库德装配厂举行了投标人简报会，只有波音公司，本迪克斯公司，格鲁门航空公司和克莱斯勒航天事业部四家公司接受了建造LRV的挑战。马歇尔太空飞行中心在1969年10月23日的内部文件中公布了结果，波音（联合通用汽车国防研究实验室）报价1728万美元，目标车辆重量为181.6千克（399.5磅），Bendix报价2295.7万美元，目标车辆重量为180.9千克（398.0磅）。考虑包括车辆设计的经验及其可靠性、制造能力、管理团队的经验，在演示和谈判期间的态度以及他们履约能力和时间表，10月28日，马歇尔航天飞行中心正式宣布波音为LRV合同的中标者–1,960万美元（这对本迪克斯来说是一个巨大的打击）。显然，波音是低价中标者，为了保护政府的权益，约束波音在进度、质量、成本控制等方面的工作，正式合同上注明：如果按计划和要求交付第一辆LRV，波音公司将得到奖励金，不过得要按期提供阿波罗15～17号的3辆LRV，才能拿到最高4000万美元的预算。否则，顶多在合同原价上加成1%！
三、生命不息、减重不止——最贵的电动敞篷汽车
不仅仅是情怀，也为了额外的奖励，好像是被打了鸡血，波音整个团队动员起来，攻坚八个主要分系统，包括移动分系统，电力分系统，导航分系统，通信分系统，热控分系统，机组站分系统，控制和显示分系统以及部署系统。波音公司只有17个月用来完成整个研发和制造工作，但最终波音公司不负众望，联合通用汽车国防研究实验室（后来称为Delco电子部门）的工程师，顺利完成任务。
月球漫游车3.1m长，1.83m宽和1.14m高，一辆大众甲壳虫的尺寸（轴距略宽，为2.29米）。底盘实际上由三部分铰接而成，可折叠；两个并排的座位类似野餐折叠椅，非常简陋，座椅前卫中央控制手柄；车前部为电池、通信和导航系统以及车载电子设备；后部为月样收集袋和科学仪器包，配置有锤子，取样勺，刷子和耙子。车架由2219铝合金管焊接制成，其他均为铝，镁等合金，轻巧强壮，设计用于运送2名宇航员，以及生命维持装备、科学仪器和收集的月样，可以装载490公斤，其中363公斤用于“全副武装”的宇航员，59公斤的科学和摄影设备以及32公斤的月球石。满载时LRV的离地间隙为35.6厘米。
图11.月球漫游车整体结构
乍一看是一辆简单的车辆，但实际上它很复杂，专为月球环境（温度和地形）而设计，让我们来看看他的设计：
（一）纯手工编织钢丝胎
最大的挑战，来自减重，前期马歇尔太空中心通过大量的论证，固特异充气橡胶胎（不耐高温）、格鲁曼的金属扫把轮、风火轮、Bendix的弹力圈圈轮（太重）都不及通用汽车的金属丝编织轮胎，现在进入“量产”阶段了。
直径为81.8厘米，宽度为22.8厘米的轮胎内部是一个2024-T4铝制轮毂，其外是一个64.8厘米直径的缓冲止动框架小“钛金属内胎”，以吸收岩石等大冲撞、保护轮毂，最大可经受454公斤的冲击。
图12.注意内部的内胎，可以以吸收岩石等大冲撞、保护轮毂
尽管马歇尔中心的天体实验室、空间科学实验室、岩土工程研究实验室对轮胎抓地力等参数采用了数学建模等理论分析，但都是纸上谈兵！阿波罗11、12和14的带回的月球土壤和岩石样本用来证明才是最令人信服！美国陆军工程师航道实验站对六种版本的波音-通用汽车金属丝编织轮进行了大量测试，使用的是碎石玄武岩，模拟月球土壤，类似于从阿波罗11号和12号采集的样品，这些测试是在1-G（地面一个重力加速度）条件下进行的，确认了最合适的钢丝直径和网眼大小，满足刚度和最小嵌入月球土壤岩石要求。编织外胎由0.083厘米直径的800股镀锌钢丝编织而成，每根钢丝都经过仔细X光探伤以避免缺陷。依靠特殊模具纯手工编织，控制波纹间隔为0.47厘米；钢丝绳网铆接在铝制轮辋上。该外胎很容易在遇到小障碍物时变形吸能，提供平稳驾驶。
图13.六步法编织月球车钢丝外胎
图14、车轮中使用的钢丝网是用这种特殊的织机纯手工编织而成
人字形钛条铆接在胎面顶部，覆盖了50％的接触区域，以获得更好的抓地和牵引力！可攀爬25度倾坡并克服高达1英尺高的障碍物（不过大家要注意，人字形的尖头可以用来表示行驶方向，这样抓地力最大，但我发现很多拖拉机和山地车的轮胎方向是装反的）。
图15、人字形钛条铆接在胎面顶部，覆盖了50％的接触区域，以获得更好的抓地力
整个轮子，在地球上仅重5.4公斤，到了月球上仅为1/6，大约是900克，非常轻巧，尽管在阿波罗15～17任务期间经常遇到月球表面粗糙的地形，但轮胎零故障。不过这些金属丝轮最大的问题就是容易进灰，并抛在宇航员身上。在月球，低重力，真空，由于静电，月尘相当的粘人，因此增加了橘黄色玻璃纤维挡泥板，另外宇航员配备了刷子来清洁车载电子设备，包括散热器。
月球车在月表工作实拍，可以清晰看到扬起的月尘
（二）双叉臂式四轮独立悬架——顶配
双叉臂指的是采用A字形上下摆臂，外加减震器和转向拉杆实现轮胎的定位、缓冲，（市面普通小轿车一般采用下叉臂上减震筒三点固定的麦弗逊前悬挂）。
独立悬架系统是每个车轮都是单独地通过弹性悬架系统悬架在车架或车身下面的，前后左右车轮单独跳动，互不相干，减少车身倾斜和震动，并提高了车轮的地面附着力，改善汽车的舒适性和行驶稳定性。不过双叉臂独立悬架系统存在着结构复杂、成本高、维修不便，基本只用在高级别的车型上，例如宝马X5、玛莎拉蒂总裁等，但该技术在月球漫游车上却使用了！！！
图16.注意A字形上下摆臂，黄铜色为减震器，减震器上方为转向拉杆
（三）电驱动马达和高科技齿轮减速器
4个车轮由嵌入轮毂的4个刷式直流电机独立驱动，四驱、四轮转向实现更好的自主性和更高的机动性，满足在3.1米最小转弯半径，符合标书的要求。
图17. 内侧车轮具有较大的转向角，令转向系统可以实现最小3.1米的转弯半径
电机功率为1/4马力，LRV的总输出为一马力。电机由两个36V银锌非充电电池供电，电池由密苏里州乔普林的Eagle Picher设计，把能量密度做到极致，每个27千克电池容量为121安时，采用轻质镁合金外壳和树脂玻璃芯。在图16中，整个电机和减速器、内置机械刹车也就一听可乐大小。
每个牵引驱动装置都非常复杂，对于转速为10000转/分的电机进行80:1变速传动，要求变速器体积小，重量轻，传动精度高，回差（传动中啮合齿非工作面间的间隙，又称齿隙、间隙、背隙、空回）小，在真空、白天高温的月球上能够正常工作，还要求通过密封壁隔绝月尘，对于上述这些要求，现有的一般传动装置已经满足不了了，新的突破代表就是谐波齿轮传动。
谐波齿轮传动是美国人沃尔特·穆瑟（Walter Musser，意大利裔)于1955年提出的专利，1959年得到批准。该技术使得旋转部件可以密封，不会受到空间真空和月球尘埃的影响，而且无回差、高紧凑性和轻重量、高减速比、高扭矩能力和同轴输入和输出。行星齿轮产生10：1减速比的空间中，谐波齿轮传动可以实现30：1至320 ：1之间的减速比。1960年他将它授权给马萨诸塞州的联合鞋业机器公司（United Shoe Machinery）制造生产。
谐波齿轮传动由波发生器、柔轮、刚轮三大件组成，结构简单。传统的机械传动是建立在刚体力学基础上的, 即旋转元件为刚性，并绕固定轴作圆周运动。而谐波齿轮传动却是以弹性力学为基础, 靠可控制的柔性元件变形波的移动来实现运动传递、转换或控制机械运动。
图18.谐波齿轮传动由波发生器、柔轮、刚轮三大件组成，结构简单
但要把它的工作过程说清楚，还真不是那么容易，先从下面这张GIF动图说起，蓝色（外圆）：刚轮，圆形花键（固定）；红色（中间柔性圆）：柔轮，连接到输出轴；绿色（内部椭圆形）：波发生器（连接到输入轴），由椭圆盘和柔性轴承组成。
图19.椭圆轮强迫柔轮和刚轮比谁的齿牙少从而实现减速
来个动图
从上图可以看到柔轮比刚轮要少几个齿牙，波发生器的椭圆轮强迫柔轮变形，两端咬合刚轮并旋转，当波发生器绕刚轮走了一周之后，实际上柔轮，磨洋工，基本是原地踏步，还退步了，少走了几个齿牙。对的，我们要的就是这个效果，减速比就出来了，而且非常可观。用视频比较方便看懂一些：
谐波齿轮传动的基本特点是柔轮连续不断的变形，不断的应力循环状态下其工作条件恶劣，所以柔轮是影响谐波齿轮传动装置工作性能的关键零件，长期以来柔轮的变形与疲劳强度一直是谐波齿轮传动领域研究的难点和热点，谐波齿轮传动装置的寿命、可靠性、运动精度等主要受到了柔轮的限制。
联合鞋业机器公司为了阿波罗月球漫游车也是费尽心机，一开始测试的时候，柔轮在仅仅几千转后就发生疲劳和破裂！联合鞋业机器公司和通用汽车的冶金学家合作，提出了各种退火的方法，最终克服了这个难题。正如历史所证明的那样，这套80：1的谐波齿轮传动技术在月球上完美运行，后续也在天空实验室（Skylab）中用于部署太阳能电池板的绞车。经过阿波罗计划发扬光大，这种传动的优越性快引起世界各国的重视，并逐渐扩展到民用和一般机械上，目前在机器人领域大量应用。
另外杜邦公司为太空计划开发了科慕（Krytox）的全氟聚醚润滑剂，用作谐波传动齿轮润滑，满足高真空、极端温度和冲击振动、接触燃油和氧化剂的苛刻太空飞行条件。
为防止意外，电机驱动装置还包括一个释放机构，在驱动器发生故障的情况下，可以将电机驱动脱钩并允许轮胎随动，也就是说，最糟糕的情况下，只要还有一个电机驱动器正常，其他三个脱钩，宇航员也能驾车回到登月舱回家。负责转向的电机如果出现故障，相关的轮胎可锁定在中心位置，防止偏移干扰另一套转向系统。
当然，这辆车设计的再高大上，塞不进登月舱的狭小空间也是白搭，下一步就是要看怎么“螺狮壳里做道场”，把这个高级“敞篷车”塞到登月舱里，我们下回分解。
（未完待续）