帶你去月球游車河——說一說阿波羅載人月球車

原標題：帶你去月球游車河——說一說阿波羅載人月球車

導語

都知道美國是車輪上的國家，「沒有汽車的出現，就不會有現代的美國。」汽車當仁不讓地成為了美利堅民族文化的承載者。轉眼間到了阿波羅登月時代，登月車理所當然嵌入了該計劃……

本文作者：超級Loveovergold，已經為其開啟獨立讚賞賬戶。

月球表面，崎嶇不堪，宇航員穿著笨重的宇航服本身行動不變，而且大多數科研工作是在月面進行地質勘探，需要攜帶鏟子、鎬頭等工具，從不同地點採集月球岩石和土壤樣本並帶回登月艙。如果在月球有車代步，將極大的方便在月球的探索。因此在阿波羅登月計劃中，月球車的設計對於月球地質勘探極具價值。只不過，對於一個汽車王國來說，月球車設計和製造，也是第一次吃螃蟹。

一、百花齊放、激情燃燒時代的月球探險概念車預研項目

其實在1959年太空競賽前夕，美國陸軍就啟動了「Project Horizon」——地平線項目，研究在月球建立一個可容納10到20人的月球軍事前哨，該研究報告強調了實現這一目標的緊迫感——美國必須先行，落在蘇聯後面是災難性！包括土星I火箭的研究迅速啟動了，在肯尼迪總統發表了激情洋溢的登月宣言之後，登月工程全面啟動。

NASA在阿拉巴馬州亨茨維爾成立了馬歇爾太空飛行中心（MSFC，Marshall Space Flight Center），馮?布勞恩成為該中心的第一任主任。啟動的研究不僅僅包括土星5火箭等載人登月火箭項目，也包括月球移動研究項目，月球車研究及其許多項目參與者集中到馬歇爾太空飛行中心，開展的項目有月球後勤系統（LLS）、移動實驗室（MOLAB）、月球科學調查模塊（LSSM）和移動測試站（MTA）等。這些概念車的設計，基於樂觀的人貨分離、兩枚土星V發射的場景，一枚負責將宇航員送達月球表面，另一枚用於攜帶生命維持和實驗設備。不僅僅是汽車巨頭，許多參與土星五號各分系統設計和工程的大型航空航天公司也參與到了月球概念車的研究。

（一）格魯曼飛機工程公司

建造月球車的研究始於1962年9月，格魯曼飛機工程公司首先和諾思羅普太空實驗室進行了月球後勤系統（Lunar Logistics System，LLS）的研究，成為月球車研發的先驅。1963年，格魯曼公司在Project 344項目中研製了月球後勤系統（Lunar Logistics System），兩輪驅動（輪胎有中國讀者熟悉的風火輪造型），能夠行駛300公里，支持3.3 天的行程。

圖1. 格魯曼公司月球後勤系統車輛，輪胎有中國讀者熟悉的風火輪造型

在1965年至1966年，格魯曼和NASA簽訂合同製造移動測試站（Mobility Test Article ，MTA），是開放式測試車輛，沒有車身，只有底盤和車輪，但通過性非常好，探險能力更強。

圖2.1965年格魯曼公司開發了一款移動測試站(MTA)，單座，鉸接式底盤，俗稱掃把輪

（二）通用汽車公司

作為美國汽車行業的龍頭老大，他們在加利福尼亞州聖巴巴拉建立了通用汽車國防研究實驗室（General Motors Defense Research Laboratories ，GMDRL）。作為該時期陸地行進研究的權威，貝克博士（Mieczyslaw G. Bekker），擔任了該實驗室負責人；另外一位，塞繆爾?羅馬諾（Samuel Romano）是月球和行星計劃的負責人（這位執著的領導，後面會提到，成為整個月球車項目轉折的功臣）。1963年5月，Bekker博士和Ferenc Pavlics發表了題為「月球車概念研究 」的論文。該論文屬於JPL / NASA的無人探險車研究項目，規劃的月球車總重控制在182千克，在月球重約30kg，採用銀鎘電池驅動直流電機，輪胎一開始是和固特異合作的特殊橡膠輪胎。但GMDRL後續開發了金屬絲編織輪，Ferenc Pavlics和他的團隊因此在1969年獲得了該項專利，成為劃時代的設計。

圖3.通用汽車公司在1964年開發的6x6 Rover，注意其透明的鋼絲編織胎設計

在1964年，通用汽車完成移動實驗室（MOLAB）方案，該方案為4X4輪式加壓艙式的設計，提供兩周、行駛400公里的探索任務。車輪比履帶方案更好，因為耗能少，更簡單並且對極端溫度不敏感等優點，美國地址勘探局在新墨西哥州的沙漠中利用MOLAB研究月球探測的勘探程序和設備。

圖4. 在移動實驗室（MOLAB）方案中，通用汽車提交了加壓艙式的設計，長5.2米，採用137厘米充氣輪胎，最高時速40公里，重2,272千克。

（三）兩位後起之秀波音和BENDIX

波音如雷貫耳，不細講了，他與通用汽車一起合作開展月球車項目競標。另外還有一家承包商，叫做本迪克斯（BENDIX），名不見經傳，僅僅存在了60年，是美國眾多高科技企業中的滄海一粟，但其研發能力也不可小覷，土星5火箭的慣導平台（型號為ST-124-M3）製造就出自他家，從60年代初期就自籌資金，積极參与月球車的項目，他把月球車立為公司長遠發展項目。

圖5. Bendix研發的移動測試站 (MTA)，在馬歇爾太空飛行中心演示彈力圈圈輪的減震效果。測試數據有助於設計月球車

1964年3月，馬歇爾太空飛行中心啟動MOLAB（移動實驗室）的車輛設計招標，這是阿波羅物流支持系統（ALSS）的一部分，要求加壓艙設計，在月球上提供兩名宇航員14天的任務需求。1964年6月，Bendix，波音，克萊斯勒，通用電氣和格魯曼公司均參與了競標，最後波音公司（GMDRL作為車輛技術分包商）和Bendix獲得了合同。波音公司的方案，核心是使用編織線輪和電機獨立驅動每個車輪（這就是剛才提到的GMDRL開發的技術），液氫/液氧燃料電池提供動力，這給NASA留下了深刻的印象。

（四）月球吉普車——馮?布勞恩的理性推崇

相對理性的馮?布勞恩1964年2月在為「大眾科學」雜誌撰寫《馮博士講述如何在月球上旅行》的科普文中，闡述了他的觀點：對於短距離旅行，一輛不加壓的「月亮吉普車」可能就足夠了。宇航員跳上車，依靠加壓太空服來保護，由背包提供生命支持。研製輕便的月球漫遊車（The Lunar Roving Vehicle ，LRV)，而不是笨重的加壓車的觀點影響著阿波羅項目研究的方向。

圖6. 馮?布勞恩試乘試駕Brown Engineering公司研製的月球吉普車

身體力行的馮博士還試乘試駕Brown Engineering公司研製的月球吉普車，該車設計用於攜帶兩名宇航員和一些物品，宇航員將著宇航服和個人生命支持系統（PLSS）駕駛這輛車。鋁製車架，車艙裸露，配置的防滾架可在側翻情況下起到保護作用，由傳統電池和充氣輪胎提供動力。

另外馬歇爾太空飛行中心還研究了可以從地球控制的無人月球車：在地面的模擬器，依靠月球車上傳的可視圖像遙控月球車，不過數秒時延是遙控駕駛的大問題。這可以說是現代車聯網概念的鼻祖！！！

二、一波三折，差點夭折的月球車項目

科學界，包括參與研究的航空航天公司一直相信阿波羅登月會採用人貨分離的雙土星5火箭發射！雄心勃勃的月球探測設想包括在月球能夠打洞3米的鑽機，宇航員可以駕駛月球飛行器（LFV）在月面飛行，或者駕駛項目成本達到25億美元的加壓月球車！

理想是美好的，現實是骨感的，雖然在1966年阿波羅登月項目佔到了聯邦預算的近4.5%，但從1967年之後，阿波羅項目的預算迅速下降，經濟現實決定了每次阿波羅任務都只能用一枚土星五號火箭！一枚土星5號火箭的運載能力現實的擺在那裡，月球車的想法被擱置了……

圖7.毛新願博士（太空精釀）繪製的阿波羅登月計劃占聯邦預算的比例圖，從1967年之後項目資金呈明顯下降趨勢

前期為之付出無數心血的承包商、研究單位對於只能使用一枚土星5號表示憤怒，但通用汽車公司月球和行星計劃的負責人——羅馬諾先生並沒死心……他試圖力挽狂瀾，讓月球車項目起死回生！

要讓一枚土星5號就能捎上天，月球車必須儘可能輕便小巧！不再考慮那些奇奇怪怪的加壓艙汽車，之前不被人看好的月球漫遊車重新進入了他的視線，但究竟要瘦身到多少？1968年末，他帶著幾位工程師前往華盛頓，並與負責登月艙的NASA項目經理會面，羅馬諾想知道可能的月球車可用空間以及重量限制可能是多少？他被告知可以使用登月艙梯子右側的儀器艙，但車輛重量的上限不能超過227公斤（500磅）。

圖8.登月艙梯子右側的儀器艙倒是可以考慮捎上月球車

這位羅馬諾，基本上在阿波羅功臣譜上是找不到的，但他的毅力、執行力可以說是航天知行合一的優秀代表。羅馬諾在四個月內完成了方案研究，提出了一個適合該儀器艙體積、重量不到500磅方案，同時製作了一個1/ 6級的月球車模型和一個登月艙模型。

圖9. 羅馬諾製作的1/6縮比模型，通過輕巧和可摺疊型力挽狂瀾讓月球車項目起死回生

為了說服NASA領導，他製作了一部電影，拍攝了月球漫遊車摺疊並放置在登月艙內。這部電影被帶到了馬歇爾太空飛行中心，播放給專家布拉德福德（Len Bradford）和他的一些工程師，布拉德福德被震驚：「我們必須向馮?布勞恩博士證明這一點！「

一群人來到馬歇爾太空飛行中心4200號樓9樓，遙控月球漫遊車模型開到馮?布勞恩博士辦公室門口。布勞恩博士驚呆了，掛斷了手頭的電話，問道：「你們在這裡幹什麼？」 羅馬諾娓娓道來，並通過半個小時左右的電影並告訴布勞恩他們是怎麼實現的。布勞恩聽完，用拳頭砸在桌子上說：「我們必須這樣做（We must do this）。」

插播：很多項目負責人、工程師經常抱怨：領導不懂技術啊……稀里糊塗的……等等，請記住，一個領導，他雖然有決策權，但要平衡的事情太多！即便布勞恩博士早就支持月球吉普車這個折中的方案，但也必須用他能夠迅速可以決斷的可行方案來說服！

改進方案馬上被執行！1969年初NASA的載人航天飛行辦公室正式要求格魯曼公司進行加強版J系列登月艙（J-MISSION，具體為阿波羅15～17任務）研究，允許後期更長的任務時間並增加月球漫遊車等有效載荷。1969年4月7日，馮博士宣布馬歇爾太空飛行中心建立一個月球漫遊車（Lunar Roving Vehicle，LRV）任務組。

然後，在1969年7月11日，也就是在阿波羅11號登月成功之前不久，LRV任務組根據之前的廣泛研究，向29個NASA承包商發出標書，列出了月球漫遊車的22項具體要求，分別是：

10.標書上準確詳細的描述了LRV的22項工作要求

隨著阿姆斯特朗和奧爾德林成功登月以及阿波羅11號船員即將返回的興奮，7月23日在NASA米庫德裝配廠舉行了投標人簡報會，只有波音公司，本迪克斯公司，格魯門航空公司和克萊斯勒航天事業部四家公司接受了建造LRV的挑戰。馬歇爾太空飛行中心在1969年10月23日的內部文件中公布了結果，波音（聯合通用汽車國防研究實驗室）報價1728萬美元，目標車輛重量為181.6千克（399.5磅），Bendix報價2295.7萬美元，目標車輛重量為180.9千克（398.0磅）。考慮包括車輛設計的經驗及其可靠性、製造能力、管理團隊的經驗，在演示和談判期間的態度以及他們履約能力和時間表，10月28日，馬歇爾航天飛行中心正式宣布波音為LRV合同的中標者--1,960萬美元（這對本迪克斯來說是一個巨大的打擊）。顯然，波音是低價中標者，為了保護政府的權益，約束波音在進度、質量、成本控制等方面的工作，正式合同上註明：如果按計劃和要求交付第一輛LRV，波音公司將得到獎勵金，不過得要按期提供阿波羅15～17號的3輛LRV，才能拿到最高4000萬美元的預算。否則，頂多在合同原價上加成1%！

三、生命不息、減重不止——最貴的電動敞篷汽車

不僅僅是情懷，也為了額外的獎勵，好像是被打了雞血，波音整個團隊動員起來，攻堅八個主要分系統，包括移動分系統，電力分系統，導航分系統，通信分系統，熱控分系統，機組站分系統，控制和顯示分系統以及部署系統。波音公司只有17個月用來完成整個研發和製造工作，但最終波音公司不負眾望，聯合通用汽車國防研究實驗室（後來稱為Delco電子部門）的工程師，順利完成任務。

月球漫遊車3.1m長，1.83m寬和1.14m高，一輛大眾甲殼蟲的尺寸（軸距略寬，為2.29米）。底盤實際上由三部分鉸接而成，可摺疊；兩個並排的座位類似野餐摺疊椅，非常簡陋，座椅前衛中央控制手柄；車前部為電池、通信和導航系統以及車載電子設備；後部為月樣收集袋和科學儀器包，配置有鎚子，取樣勺，刷子和耙子。車架由2219鋁合金管焊接製成，其他均為鋁，鎂等合金，輕巧強壯，設計用於運送2名宇航員，以及生命維持裝備、科學儀器和收集的月樣，可以裝載490公斤，其中363公斤用於「全副武裝」的宇航員，59公斤的科學和攝影設備以及32公斤的月球石。滿載時LRV的離地間隙為35.6厘米。

圖11.月球漫遊車整體結構

乍一看是一輛簡單的車輛，但實際上它很複雜，專為月球環境（溫度和地形）而設計，讓我們來看看他的設計：

（一）純手工編織鋼絲胎

最大的挑戰，來自減重，前期馬歇爾太空中心通過大量的論證，固特異充氣橡膠胎（不耐高溫）、格魯曼的金屬掃把輪、風火輪、Bendix的彈力圈圈輪（太重）都不及通用汽車的金屬絲編織輪胎，現在進入「量產」階段了。

直徑為81.8厘米，寬度為22.8厘米的輪胎內部是一個2024-T4鋁製輪轂，其外是一個64.8厘米直徑的緩衝止動框架小「鈦金屬內胎」，以吸收岩石等大衝撞、保護輪轂，最大可經受454公斤的衝擊。

圖12.注意內部的內胎，可以以吸收岩石等大衝撞、保護輪轂

儘管馬歇爾中心的天體實驗室、空間科學實驗室、岩土工程研究實驗室對輪胎抓地力等參數採用了數學建模等理論分析，但都是紙上談兵！阿波羅11、12和14的帶回的月球土壤和岩石樣本用來證明才是最令人信服！美國陸軍工程師航道實驗站對六種版本的波音-通用汽車金屬絲編織輪進行了大量測試，使用的是碎石玄武岩，模擬月球土壤，類似於從阿波羅11號和12號採集的樣品，這些測試是在1-G（地面一個重力加速度）條件下進行的，確認了最合適的鋼絲直徑和網眼大小，滿足剛度和最小嵌入月球土壤岩石要求。編織外胎由0.083厘米直徑的800股鍍鋅鋼絲編織而成，每根鋼絲都經過仔細X光探傷以避免缺陷。依靠特殊模具純手工編織，控制波紋間隔為0.47厘米；鋼絲繩網鉚接在鋁製輪輞上。該外胎很容易在遇到小障礙物時變形吸能，提供平穩駕駛。

圖13.六步法編織月球車鋼絲外胎

圖14、車輪中使用的鋼絲網是用這種特殊的織機純手工編織而成

人字形鈦條鉚接在胎面頂部，覆蓋了50％的接觸區域，以獲得更好的抓地和牽引力！可攀爬25度傾坡並克服高達1英尺高的障礙物（不過大家要注意，人字形的尖頭可以用來表示行駛方向，這樣抓地力最大，但我發現很多拖拉機和山地車的輪胎方向是裝反的）。

圖15、人字形鈦條鉚接在胎面頂部，覆蓋了50％的接觸區域，以獲得更好的抓地力

整個輪子，在地球上僅重5.4公斤，到了月球上僅為1/6，大約是900克，非常輕巧，儘管在阿波羅15～17任務期間經常遇到月球表面粗糙的地形，但輪胎零故障。不過這些金屬絲輪最大的問題就是容易進灰，並拋在宇航員身上。在月球，低重力，真空，由於靜電，月塵相當的粘人，因此增加了橘黃色玻璃纖維擋泥板，另外宇航員配備了刷子來清潔車載電子設備，包括散熱器。

月球車在月表工作實拍，可以清晰看到揚起的月塵

（二）雙叉臂式四輪獨立懸架——頂配

雙叉臂指的是採用A字形上下擺臂，外加減震器和轉向拉杆實現輪胎的定位、緩衝，（市面普通小轎車一般採用下叉臂上減震筒三點固定的麥弗遜前懸掛）。

獨立懸架系統是每個車輪都是單獨地通過彈性懸架系統懸架在車架或車身下面的，前後左右車輪單獨跳動，互不相干，減少車身傾斜和震動，並提高了車輪的地面附著力，改善汽車的舒適性和行駛穩定性。不過雙叉臂獨立懸架系統存在著結構複雜、成本高、維修不便，基本只用在高級別的車型上，例如寶馬X5、瑪莎拉蒂總裁等，但該技術在月球漫遊車上卻使用了！！！

圖16.注意A字形上下擺臂，黃銅色為減震器，減震器上方為轉向拉杆

（三）電驅動馬達和高科技齒輪減速器

4個車輪由嵌入輪轂的4個刷式直流電機獨立驅動，四驅、四輪轉向實現更好的自主性和更高的機動性，滿足在3.1米最小轉彎半徑，符合標書的要求。

圖17. 內側車輪具有較大的轉向角，令轉向系統可以實現最小3.1米的轉彎半徑

電機功率為1/4馬力，LRV的總輸出為一馬力。電機由兩個36V銀鋅非充電電池供電，電池由密蘇里州喬普林的Eagle Picher設計，把能量密度做到極致，每個27千克電池容量為121安時，採用輕質鎂合金外殼和樹脂玻璃芯。在圖16中，整個電機和減速器、內置機械剎車也就一聽可樂大小。

每個牽引驅動裝置都非常複雜，對於轉速為10000轉/分的電機進行80:1變速傳動，要求變速器體積小，重量輕，傳動精度高，回差（傳動中嚙合齒非工作面間的間隙，又稱齒隙、間隙、背隙、空回）小，在真空、白天高溫的月球上能夠正常工作，還要求通過密封壁隔絕月塵，對於上述這些要求，現有的一般傳動裝置已經滿足不了了，新的突破代表就是諧波齒輪傳動。

諧波齒輪傳動是美國人沃爾特?穆瑟（Walter Musser，義大利裔)於1955年提出的專利，1959年得到批准。該技術使得旋轉部件可以密封，不會受到空間真空和月球塵埃的影響，而且無回差、高緊湊性和輕重量、高減速比、高扭矩能力和同軸輸入和輸出。行星齒輪產生10：1減速比的空間中，諧波齒輪傳動可以實現30：1至320 ：1之間的減速比。1960年他將它授權給馬薩諸塞州的聯合鞋業機器公司（United Shoe Machinery）製造生產。

諧波齒輪傳動由波發生器、柔輪、剛輪三大件組成，結構簡單。傳統的機械傳動是建立在剛體力學基礎上的, 即旋轉元件為剛性，並繞固定軸作圓周運動。而諧波齒輪傳動卻是以彈性力學為基礎, 靠可控制的柔性元件變形波的移動來實現運動傳遞、轉換或控制機械運動。

圖18.諧波齒輪傳動由波發生器、柔輪、剛輪三大件組成，結構簡單

但要把它的工作過程說清楚，還真不是那麼容易，先從下面這張GIF動圖說起，藍色（外圓）：剛輪，圓形花鍵（固定）；紅色（中間柔性圓）：柔輪，連接到輸出軸；綠色（內部橢圓形）：波發生器（連接到輸入軸），由橢圓盤和柔性軸承組成。

圖19.橢圓輪強迫柔輪和剛輪比誰的齒牙少從而實現減速

來個動圖

從上圖可以看到柔輪比剛輪要少幾個齒牙，波發生器的橢圓輪強迫柔輪變形，兩端咬合剛輪並旋轉，當波發生器繞剛輪走了一周之後，實際上柔輪，磨洋工，基本是原地踏步，還退步了，少走了幾個齒牙。對的，我們要的就是這個效果，減速比就出來了，而且非常可觀。用視頻比較方便看懂一些：

諧波齒輪傳動的基本特點是柔輪連續不斷的變形，不斷的應力循環狀態下其工作條件惡劣，所以柔輪是影響諧波齒輪傳動裝置工作性能的關鍵零件，長期以來柔輪的變形與疲勞強度一直是諧波齒輪傳動領域研究的難點和熱點，諧波齒輪傳動裝置的壽命、可靠性、運動精度等主要受到了柔輪的限制。

聯合鞋業機器公司為了阿波羅月球漫遊車也是費盡心機，一開始測試的時候，柔輪在僅僅幾千轉後就發生疲勞和破裂！聯合鞋業機器公司和通用汽車的冶金學家合作，提出了各種退火的方法，最終克服了這個難題。正如歷史所證明的那樣，這套80：1的諧波齒輪傳動技術在月球上完美運行，後續也在天空實驗室（Skylab）中用於部署太陽能電池板的絞車。經過阿波羅計劃發揚光大，這種傳動的優越性快引起世界各國的重視，並逐漸擴展到民用和一般機械上，目前在機器人領域大量應用。

另外杜邦公司為太空計劃開發了科慕（Krytox）的全氟聚醚潤滑劑，用作諧波傳動齒輪潤滑，滿足高真空、極端溫度和衝擊振動、接觸燃油和氧化劑的苛刻太空飛行條件。

為防止意外，電機驅動裝置還包括一個釋放機構，在驅動器發生故障的情況下，可以將電機驅動脫鉤並允許輪胎隨動，也就是說，最糟糕的情況下，只要還有一個電機驅動器正常，其他三個脫鉤，宇航員也能駕車回到登月艙回家。負責轉向的電機如果出現故障，相關的輪胎可鎖定在中心位置，防止偏移干擾另一套轉向系統。

當然，這輛車設計的再高大上，塞不進登月艙的狹小空間也是白搭，下一步就是要看怎麼「螺獅殼裡做道場」，把這個高級「敞篷車」塞到登月艙里，我們下回分解。

（未完待續）

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