载人四轮月球车的电机驱动方式调研和方案设计构想

SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY现代车辆新技术及发展趋势课程课程论文THESISOFCURRICULUM论文题目：载人四轮月球车的电机驱动方式调研和方案设计构想学生姓名:杨屹闻学生学号:5130109136学院:船舶海洋与建筑工程学院专业:海洋工程与土建类一、载人四轮月球车的意义太空是人类积极探索的一个方面，而月球一直是人类探索太空的重点。在我国，“玉兔号”无人月球车已经成功地登上了月球，于是研发出我国的载人月球车便是对月研究的下一个目标。载人月球车是用于月面的重要研究媒介和探测工具，可以更高效地搭载宇航员到达距离、探月基地较远的地方，更有效地完成多种探测任务。因此，载人月球车对于研究月球有着极为重要的作用。二、载人四轮月球车的驱动方式选取载人四轮月球车作为一种车辆，就不可避免地需要搭载一种驱动方式。现在我们平时所见的车辆通常采用内燃机来提供动力。但是，由于在月球上补给困难，而且汽油等燃料由于空间限制无法携带过多，在登月时也会额外消耗能量，所以载人四轮月球车无法使用常规汽车所采用的内燃机驱动。在月球上可以被月球车利用的资源主要是太阳能，因此选取太阳能电池与月球车自带电池给电机供电，以电机来驱动较为可行。三、电机驱动方案设计构想3.1太阳能电池在月球上，太阳能资源较为丰富，只需要在月球车启动后展开太阳能电板即可。对于太阳能电池，可以采取晶体硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池的结构示意图如图一所示。晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进行工作。一般采用n+/p同质结的结构，即在约10cm×10cm面积的p型硅片（厚度约500μm）上用扩散法制作出一层很薄（厚度约0.3μm）的经过重掺杂的n型层。然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极。在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极。这样就形成了晶体硅太阳电池。为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜。图一当光照射在距太阳电池表面很近的pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在p区、n区和结区光子被吸收会产生电子–空穴对。那些在结附近n区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散。只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处。在p区与n区交界面的两侧即结区，存在一空间电荷区，也称为耗尽区。在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n区指向p区，这个电场称为内建电场。这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p区。同样，如果在结附近p区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n区。结区内产生的电子–空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区。如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势。这一现象称为光伏效应。利用光伏效应获得的光生电动势就能够给电机供电。但是，单一地以太阳能作为载人月球车的能源系统并不理想，因为载人月球车耗能相对较大，将会导致太阳能帆板体积相应增大。而且由于月表的巨大昼夜温差及14天黑夜期，使得要利用太阳能作为能源系统，需要附加设计以满足能耗损要求。因此，载人四轮月球车就需要配备额外的电力供应装置，即一块自带的电池。从现有的月球车来看，燃料电池是一个比较好的选择。3.2载人四轮月球车设计方案构想载人月球车的基本结构如图二所示，由于宇航员身着宇航服，对太空环境已有一定的防护，因此月球车可以采取类似于“敞篷”的设计，以此减小车身自重来降低能量消耗，延长续航时间。图二月球车的基本结构与传统车辆相仿，采取后轮驱动，用电机来取代汽油机。在车身的两侧加装太阳能电池板，以便在收到日照时储蓄电能。同时，作为勘探月球的工具，载人四轮月球车应当不仅仅具有扩大宇航员活动范围的功能，还必须具备一定的研究能力。比如说采集月岩并收集起来，以供宇航员带回登月舱、月球基地等进行进一步的研究工作。因此，月球车还要装载一定的工作设备来应对研究方面的需求。月球车的操作由一名驾驶员来完成，操作应当尽可能得简单为好。基于简化操作这一点，可以采取手柄操作，宇航员通过手柄来控制方向、启动、制动等操作。由于月球上没有其他车辆，突发事件较之地球可谓是寥寥无几，因此不需要ABS、TCS、EBD等略显复杂的装置来应对，简洁的操作方式以及月球车设计足以帮助宇航员们勘探月球了。这样的一辆载人四轮月球车具备了完成科学任务的能力，可以搭载两名宇航员，并且尽可能地减少了车身的重量，操作不复杂，具有一定的安全性，可以帮助宇航员扩大活动范围，更好地完成研究任务。参考文献[1]电机驱动的丝杆传动月球车的设计;胡超,太原科技;第10期;2008[2]载人月球车概念设计;邓宗全;深空探测研究;第3期;2010