基于对月球探测车移动系统的关键技术分析，有何系统特点？

夏伟斌

月球探测车是月球探测技术中的重要媒介之一,已成为全世界广泛研究的热点。月球表面地形环境恶劣,月球探测车在这种复杂的地形环境中执行科学探测任务,必须具备性能优越、自适应能力强的移动系统。
月球探测车的移动系统是探测车整体系统的关键,其性能的好坏和工作的稳定性、可靠性直接影响着月球探测车的使用性能和作业寿命。
由于移动系统在月球探测车中的重要地位,深入研究各类型适应月球地形环境的移动系统,尽快开展月球探测,使中国的月球探测车登上月球,具有深远意义。
本文分析了复杂的月球环境,得出月球探测车移动系统应具备的主要功能。在综合各类型移动系统性能特点的基础上,提出六轮摇臂一转向架式移动系统的设计方案,并对该系统需解决的关键技术和具体实施方案进行了深入探讨。
在月球探测车的移动系统乃至整个探测车的设计过程中,月球表面的环境是必须要考虑的因素。根据现有的国际探测和研究资料可知,月球是一个无风、无雨、无水、无气,冷热剧变的静寂天体。
月球的昼夜时间各长达约14.75d,昼夜温差大,白昼温度高达130-150℃,夜间可下降到160-180℃,这种大温差环境将对探测车的结构材料引起热应力。
因月球表面没有大气保护,太阳风、太阳耀斑粒子等直接辐射到月球表面,易产生溅蚀、电离和聚合,毁坏月球探测车结构和电子部件,因月球表面无大气,属超真空环境,易造成润滑剂蒸发,金属表面不能产生氧化层,导致金属与金属表面间直接接触。
月球表面高低起伏不平,可以划分出不同地形:月海和类月海、月陆和山脉、环形山、月谷和月溪,等。月球探测车在月球表面上运行,月球表面地形将是影响探测车移动系统行驶性能的重要因素。
从宇航员在月球上的实际考察得知,整个月球表面覆盖着一层松散层,是由岩石碎块,角砾状岩块、砂和尘土组成的,称为月壤。在月海中月壤厚度为2-10m,在月陆上月壤厚度达20m。
同时月球环境中充满灰尘,具有强磨蚀性,易产生静电,引起轴承表面磨蚀,光学仪器表面粘着。
影响月球探测车移动系统性能的主要因素是月球的地形,包括地形的起伏,全局或局部地区的坡度变化,火山坑的特征和出现的频率,存在的障碍物,如岩石的尺寸和特征及月球土壤的机制等。
因此,要研制在环境非常恶劣的月球上长期工作的月球探测车,首先应研究能够适应其环境的月球探测车移动系统。月球探测车的移动系统是构成探测车机体的基础,也是各仪器设备安置和运输的平台,其功能和适应性的好坏将直接关系到探测车的使用寿命和完成探测任务的情况。
虽然导航和控制技术可使探测车的避障能力得以加强,但其机动性的关键还取决于探测车的移动系统,包括底盘结构、机械传动和驱动系统等。在月球探测车的运行过程中,通讯用的天线应一直指向地球,指向精度约为士0.5。
为此,移动系统必须能够减轻车体振动,保证车体平稳。因车上载有各种科学探测和通讯设备,故对探测车系统结构的运动学、动力学特性也有很高的要求。
如:为保证车体内的科学探测仪器具有正常的工作状态,需使探测车车体保持相对水平;为适应月球表面的重力情况,机械系统应具有适应微/小重力环境的能力。
月球探测车若能适应恶劣的月球环境,必须具有温度控制、元器件密封等系统。在稀薄大气层情况下,探测车应具有抗宇宙射线辐射的能力。此外,探测车还应具有防尘、防水、防磁等能力。
月球探测车需经过发射、转移轨道、奔月轨道、绕月飞行、登陆才能进入月球并在月球上执行任务。
在星际飞行过程中,月球探测车又需置于由飞行器所携带的着陆器内,而着陆器既是探测车飞行的保护载体、又是连接探测车与地球站的通讯控制中继站。
以上这些因素要求探测车体积要小、重量轻和低功耗。因此,月球探测车的移动系统应力求结构紧凑、体积小、重量轻。美国和前苏联成功登陆月球的探测车的体积和重量都比较大,甚至可以载人。
但美国的Sojoumer火星探测车成功解决了重量问题,使其自重未超过11.5kg。在地形复杂的月球表面,月球探测车的灵活避障、越障和自动复位能力对于探测车完成探测工作异常关键。避障能力要求导航和控制系统灵敏有效;越障能力体现在抗倾覆、爬坡和跨坑道等。
到目前为止,月球探测车的移动系统基本分为腿式、履带式和轮式等类型。
不同移动系统的月球探测车各具优缺点,腿式移动系统在机动性和能效方面特别优于轮式系统,因腿式移动系统的落足点是几个离散的位置点,可以越过更高的障碍,穿过更崎岖的地形,具有较强的越野能力。
另外,腿式移动系统能够自主隔振,可保证传感器和科学设备沿平滑预定的轨迹运行。但腿式移动系统的结构和控制系统复杂,行走速度较慢,而且其相关技术也不太成熟。
履带式移动系统具有良好的越障性能,较强的适应性和使用寿命,适合在崎岖的地面行驶,其适应范围广,运动效率高。
因此,在月球探测车的研制过程中,假定月球的土壤强度是中等的情况下,履带式移动系统曾被认为是替代轮式移动系统的一种。
但是考虑到月球的低重力环境,如果按照地球上的标准,这种所谓的“中等强度”实际上是相当低的。而且,前苏联在设计月球探测车时也曾考虑过采用履带式移动系统的方案,但经实验验证,月球的土壤颗粒似磨砺,履带很快将会被磨损甚至磨断。
另外,履带式移动系统的整体机构笨重、复杂,运动分析及控制也十分困难。因此,不得不放弃选择履带式移动系统。
由于轮式移动系统在相对平坦的地形中具有相当的优势,同腿式移动系统相比,其移动系统的运行速度快,控制也较简单,故大多数的研究者都倾向于将探测车的移动系统设计成轮式结构。
轮式移动系统运动迅速、平稳,尽管其比较适合平缓的环境,但可以通过选择合适的悬架系统来使其适应凹凸不平的地形。
轮式移动系统按轮的数量可分为三轮、四轮、五轮、六轮以及多轮等类型。三轮式移动系统的结构稳定性较差,故研究相对少些;四轮式移动系统的结构相对简单,但越野能力有限;五轮式移动系统的结构不具有对称性,研究也相对较少。
六轮式移动系统具有代表性的是美国JPL实验室研制的Rocky系列探测车,它们均采用六轮摇臂一转向架式移动系统,具有较强的适应性和越障性能,Rocky系列探测车移动系统的具体结构参见图1、2所示。

图1 Rocky1-2系列探测车的移动系统

图2 Rocky3-4系列探测车的移动系统
因轮式移动系统的运行速度较快,控制相对简单,尤其是曾经在月球上成功运行过。月球探测车移动系统采用六轮摇臂-转向架式移动系统。该系统采用六轮结构和摇臂一转向架式悬挂,整体结构如图3所示。

图3 六轮摇臂一转向架式移动系统的仿真模型
摇臂-转向架式移动系统是一个被动的无弹簧悬挂系统,为左右对称式结构。由左右两个单侧摇臂一转向架机构组成,单侧摇臂一转向架机构由一个摇臂和一个转向架组成,摇臂两端连接后轮和转向架,转向架两端装有前轮和中间轮,这样每侧的摇臂一转向架机构上各装有三个车轮。
同时两侧的摇臂通过横轴连接附着到车体上,车体的前后俯仰由差速连杆系统控制,其俯仰为两侧摇臂的平均俯仰,为科学仪器和传感器提供了一个平稳的平台。
为节省着陆器上的安装空间,月球探测车应具有折叠特性,即“蹲坐”,这通过锁定铰接到车体上的摇臂来实现。探测车若要恢复到工作位置,可通过将前面2轮和中间2轮锁定,驱动后面2轮来完成。
当摇臂恢复到期望的工作位置时,将有一个弹簧捕捉机构锁定该位置。探测车采用6轮独立驱动,前后4轮独立转向,共需10个电机,利用ADAMS软件建立探测车的仿真模型。
与四轮移动系统相比,由于引人转向架和中间驱动轮,当遇到障碍时,通过转向架的转动,并借助中间的驱动轮来调整重力在各个车轮上的分力,提高车体的平稳性和越障性能。
同时该系统两侧的车轮均采用各自独立的伺服驱动系统,使得被控部件具有更大的控制自由度,更强的适应性和机动性。
（一）轮系结构
基于六轮摇臂一转向架式移动系统的基本结构及其体积小、重量轻的设计原则,月球探测车移动系统的轮系采用驱动一传动一轮体一体化的轮系结构。
图4为所设计的月球探测车的一体化轮系结构。该轮系在结构上共由3部分组成:车轮支架、驱动传动装置和轮体。车轮支架用来把六个车轮分别连接到两侧的摇臂一转向架机构上,该结构除起支撑作用外,其前后的两对支架分别装有转向装置以完成探测车的前后转向。
驱动传动装置中,六个驱动轮在结构上集驱动、减速、传动、速度与位置检测于一体,减少了传动环节和车体重量,提高了系统的效率和可靠性。
为适应不同地表条件下的行走需要,轮体各部分的材料和结构要求严格,且其重量应尽可能轻。驱动一传动一轮体一体化的结构设计造成了轮体较宽(相对于车轮直径),但这增加了车体的稳定性和抗倾覆能力,简化了车体结构。
因探测车的所有设备如计算机系统、驱动电机、激光探测器、通讯用无线调制解调器等都需电源,所以能源供应也是月球探测车完成探测任务的一个关键。
太阳能电池组可作为探测车的主要能源供应设备,固定于一个面板上,并置于探测车车体的顶部。采用自动跟踪机构跟踪太阳的垂射方向,以保证其能量吸收效率最高。
而高能电池组则是在太阳能电池供电不足时,来满足探测车必要的能量需求,一般不用于运行和其它高耗能探测活动。

图4 驱动一传动一轮体一体化轮系
（二）转向机构
传统车辆的转向由一个转向装置控制的,而在月球上运行的探测车为保证其灵活越障与避障,提高其行走与离障的机动性,应使探测车的前后两对车轮均具有独立的转向能力。故月球探测车前后两对车轮都需在支架与摇臂连接处安装转向电机及其附属装置,来实现前后两对转向车轮独立的转向。
（三）能源系统
月球探测车的能源系统主要完成以下3项任务:提供动力、仪器舱加热、作仪器的电源。因探测车的所有设备如计算机系统、驱动电机、激光探测器、通讯用无线调制解调器等都需电源,所以能源供应也是月球探测车完成探测任务的一个关键。
月球表面环境复杂,选择性能良好的移动系统是设计月球探测车整体系统的关键。在综合比较各类型探测车移动系统性能的基础上,选择了六轮摇臂一转向架式移动系统。
该系统具有良好的越障、离障性能和地形适应性,能够适应月球环境,完成月球探测任务,该系统所涉及的相关技术问题均可得到解决,能够满足月球探测车移动系统的功能需求。

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