近几十年来，中国一直致力于对于外太空的探索，尤其是对于月球的探索。2021年发布《2021中国的航天》白皮书，明确强调了月球探索对于国家未来发展的重要性，也对未来中国探月工程的进行有了总体规划。在《2021中国的航天》白皮书中提到依托月球探测工程，开展月球地质和月表浅层结构综合探测为中国探月工程四期的重要任务。然而，如何实现未知复杂地形的无人化探索和自动化环境勘探，并在有限能源供应的前提下实现探测机器能源的高效回收利用成为解决当前探月工程的难题。

为了早日实现其宜居性的突破，本项目提出一种基于飞轮储能的月球熔洞协同探测车设计，以高效安全的对月球熔洞进行探测问题为切入点，以能量的高效回收利用、高性能地形通过等角度出发，建立一种能够适应月球熔洞环境的月球熔洞协同探测车，预实现各种恶劣月球熔洞环境下复杂情况的勘探，旨在能够高效安全的对月球熔洞进行探测，为实现熔岩管宜居性改造这一未来愿景贡献力量。

本文所设计的月球熔洞协同探测车对驱动系统、协同方式与绞盘机构、变径轮机构、机械驱动结构以及探测机构要求如下：

1、驱动系统：使用大功率机械式飞轮储能装置，并配备主驱动电机和调速电机，为混合驱动系统在能量输出阶段提供足够的动力输出，以确保月球探测车在月球表面行驶时在起步、匀速和加速阶段都能得到合理且高效的能量分配，起到能量高效回收利用的效果，使其拥有长时间高速巡航能力和崎岖地形高通过性能。

2、协同方式与绞盘机构：大探测车可以搭载小探测车运行到月球熔洞附近，并通过绞盘机构使小探测车可以与大探测车连接，保证搭载的稳定性，并增强探测的安全性和回收性。

3、变径轮机构：小探测车需要能够在月球熔洞的复杂地形中行驶。因此设计变径轮结构，使探测车在不同的月球熔洞中能够具备较强的越障能力和稳定性，并保持良好的移动。

4、机械驱动结构：搭载了双电机驱动系统，该系统中高速电机、低速电机、减速箱相互配合，并对其结构进行优化处理，满足了月球探测子车在执行任务时的高速行驶和低速大扭矩输出的动能需求。

5、探测机构：能够准确清晰的反馈月球熔洞中的环境特征。

1.能量高效回收与长续航保障功能

针对月球能源获取有限的问题，通过飞轮储能混合动力系统实现能量循环利用，同时兼顾辅助能源供给，保障探测车长距离移动与长时间作业能力。

探测车下坡制动、绞盘下放子车时，飞轮通过离合器与行星轮系联动，回收车轮或绞盘产生的动能/重力势能，以飞轮高速旋转形式储存能量；上坡、加速等高能消耗场景下，飞轮释放储存能量，与驱动电机动力耦合输出，若飞轮能量充足，可单独驱动探测车，减少电机能耗；同时预留太阳能板追光装置接口，可通过高精度光敏传感器追踪太阳方位，最大化利用月球表面太阳能，补充能源供给。

2.子母车协同全域探测功能

通过“母车+子车”分工协作，突破月球表面与熔洞内部探测的场景限制，实现全域覆盖探测，同时保障探测安全与效率：母车具备长续航能力，负责月球表面熔洞位置探查、最优行驶路线规划，同时作为信号中继节点，解决子车在熔洞内部的通信遮挡问题，保障数据传输稳定；子车体积小巧、灵活性高，专注熔洞内部探测，通过绞盘机构与母车连接，实现安全下放至熔洞底部、完成探测任务后回收，避免母车进入复杂熔洞环境；绞盘与飞轮储能系统联动，下放子车时回收重力势能，回收时利用飞轮能量驱动绞盘，实现“探测+能量回收”双重目标。

3.复杂地形适配与强越障功能

针对月球表面崎岖地形与熔洞内部复杂路况，通过变径轮机构与结构优化，提升探测车地形通过性与越障能力：平坦地形时，变径轮连杆收缩，轮径最小，增大接地面积以提升行驶稳定性；崎岖地形或越障时，连杆展开，轮径增大，增强抓地力与障碍物跨越能力；经设计验证，探测车最大越障高度达 300mm，最大爬坡度 30°，可适配月球熔洞入口及内部多数复杂地形；

变径轮部件采用T300碳纤维复合材料，经有限元分析，轮边、变径杆、行星架最大应力均低于材料屈服强度，确保复杂地形下结构稳定。

4.多参数环境探测与数据反馈功能

    通过搭载多类型传感器与数据传输模块，实现月球熔洞内部环境、地形及样本的精准采集与实时反馈，为熔洞宜居性评估提供数据支撑：子车配备激光雷达，扫描获取熔洞内部地形三维数据，用于自主路径规划与避障；搭载扫描仪，采集熔洞内部温度、湿度、气体浓度等环境参数，记录环境特征；配备钻探装置，在平坦地形采集月球土壤与岩石样品；采集的地形、环境数据经子车传输至母车，再由母车中继至月球表面基站，实现数据实时反馈。