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有了上海航天打造的“风火轮” 玉兔二号在月背上越障过坑“跑得欢”

发布时间:2019/01/05 新闻

原标题:有了上海航天打造的“风火轮”,玉兔二号在月背上越障过坑“跑得欢”

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1月3日晚间,嫦娥四号着陆器与巡视器成功分离,“玉兔二号”巡视器(即月球车)顺利驶抵月背表面,随即在月背留下了人类探测器的第一道印迹。“玉兔二号”是如何从着陆器上走下来的?接下来,要想漫步月球背面,小玉兔还要面临哪些挑战?就这些问题,记者采访了为玉兔打造“风火轮”的上海航天技术研究院专家。

走向月背竟如此从容

矗立在着陆器顶部的“玉兔二号”展开太阳翼,伸出桅杆,向转移机构缓慢移动,而后转移机构正常解锁,在着陆器与月面之间搭起一架斜梯,“玉兔二号”沿着斜梯缓缓走向月面……北京航天飞行控制中心飞控大厅的屏幕上,记录着“玉兔二号”的一举一动。看似轻松的画面,但却牵动每一位国人的心。

“玉兔二号”月球车从嫦娥四号着陆器上缓缓走下。(国家航天局)

  嫦娥四号探测器着陆月球后,为了能让“玉兔二号”月球车安全从着陆器中走下来,上海航天的设计师们可谓费劲心思。“我们为玉兔二号设计了两根转移机构悬梯导轨,类似古代的吊桥。只要“玉兔二号”能精确地将左右两边的车轮分别行驶到两根导轨上,并保持稳定,就可以安全到达月背。”嫦娥四号副总指挥兼副总设计师张玉花说。

但保持稳定并非事,因为最后着陆器并不一定降落在较为平坦的月背上,一旦着陆在崎岖的高地或月尘厚度、松软度不均的地方,着陆器、巡视器倾斜,两根导轨之间就可能存在倾斜角度。就算降落在平面上,释放悬梯导轨过程中,“玉兔二号”车轮也可能滑动,万一滑落,后果不堪设想。为此,上海航天805所移动分系统、控制驱动组件的设计师们联合攻关,提高巡视器的静态稳定性。他们从车轮的棘爪入手,使车轮棘爪与导轨悬梯上的棘齿咬合,月球车就可稳稳地停在导轨上。

其实,与导轨棘齿咬合的棘爪,最初并不是为安全分离设计的,而是为了提高巡视器在松软月背上的通过能力。

月背地形地貌千奇百怪,起伏的山峦、崎岖的高地、广阔的平原,覆盖着几十厘米至几十米不等的月壤,月壤松软、干燥,呈沙土状,普通车轮很容易下陷或打滑,提高车轮的直径和宽度势必增加重量又不符合轻量化的设计要求。805所的设计师提出筛网轮的设计构想,轮子是网状的材质搭配棘爪,其一个直径300毫米宽度150毫米的车轮仅735克,比市面上婴儿车的车轮还轻。经过实战检验后,当初质疑的专家也不得不信服,纷纷感慨没想到筛网轮能有如此好的效果。”

为月背行驶自如护航

“玉兔二号”与着陆器的安全分离只是登陆月背的第一步。接下来,“玉兔二号”要想漫步月球开展巡视探测,对其行驶和越障能力将提出更大考验。嫦娥四号移动分系统主任设计师刘殿富说,月球表面干燥、松软的月壤承载能力较低,巡视器的自重、车轮设计如果不能满足月壤的承压能力,就可能出现车轮打滑、下陷问题。

地面调试“玉兔二号”。(上海航天技术研究院)

  为了给巡视器减重,上海航天移动分系统设计们动了很多脑筋,经过大量数字化仿真试验,他们大胆采用了行进驱动、转向驱动、车轮一体化设计,以及一体成型式轮毂、中空式摇臂、差动机构等构型设计。实现了在保证释放分离过程中的承载刚度指标情况下,以移动分系统自身20.5千克的重量承载整个“玉兔二号”135千克重量的巨大突破。

解决了轻量化设计问题,并不意味着“玉兔二号”就能够在月背上行驶自如。

巡视器除了能够前进、后退、转向、制动,还需要会越障、过坑。现实中,如果汽车的一边轮胎被较高障碍物抬高,整车就会倾斜,被抬高一侧的轮胎均会离开地面。如果巡视器与汽车的车架结构一样,一侧被抬高,就不是倾斜那么简单了,有可能另一侧下陷至月壤中,月背之旅也就算结束了。

为避免出现上述情况,保证“玉兔二号”的行驶和越障能力,805所的月球车移动分系统采用了主副摇臂差动式悬架、六轮独立驱动、四轮独立转向的构型方案。通俗来说,如果单侧某一车轮越过200毫米高的障碍时,月球车能在差动机构和摇臂作用下被动适应月背地形,保证月球车所有车轮均与月背接触,且越障时车体的俯仰角比一般车辆减少一半。同时,从驱动能力上保证了即使行进间某个轮子被卡住,其他独立驱动的车轮也能帮助月球车摆脱陷阱,继续前进。

“玉兔二号”移动分系统采用了主副摇臂差动式悬架、六轮独立驱动、四轮独立转向的构型方案。(上海航天技术研究院)

伴随太阳升降规律作息

专家表示,“玉兔二号”还要面对月球表面昼夜温差变化大、低重力环境以及细小微尘的污染等问题。

特别是,月球重力仅为地球1/6,这将考验“玉兔二号”的移动速度、距离以及越障等能力。并且,要结合月面散落的陨石和撞击坑的状态,使其具有一定的障碍识别和自主避障能力,保证它的通过性、机动性以及地形适应性。

一个月夜/月昼相当于地球上的14天,在没有光照的漫长黑夜里,对于依靠太阳能提供能量的嫦娥四号着陆器和“玉兔二号”来说,如何依靠自身存储的能量安全度过月夜将是一个很大的挑战。更要命的是,要面临月昼和月夜的极端温差,月夜最低温度可达零下180度。

面对这一难题,研制人员提出了休眠唤醒的概念。当太阳缓慢地升起时,着陆器和巡视器将开始忙碌的14天工作——着陆器在原地实施科学探测;“玉兔二号”则漫步月背巡视探测。当月夜降临时,会为自己找好栖身之所,收起桅杆,合上太阳翼,开始休眠。一直到太阳照射到月球车太阳翼的电池片上,沉睡的“玉兔二号”和着陆器将被唤醒,开启又一次勘测。

嫦娥四号探测器巡视器(左)、着陆器(右)、中继星“鹊桥”(上)示意图。

  值得关注的是,这次嫦娥四号着陆器上安装了地形地貌相机、降落相机、低频射电频谱仪、与德国合作的月表中子及辐射剂量探测仪等4台载荷;“玉兔二号”上安装了全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪和与瑞典合作的中性原子探测仪。接下来的一段日子里,这些仪器将在月背通过就位和巡视探测,开展低频射电天文观测与研究,巡视区形貌、矿物组份及月表浅层结构研究,并试验性开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境研究。

科研人员为了更够让“玉兔二号”在月背走得更稳、更远、更广,设计团队专门为它定义了感知、移动、探测、充电、安全、月昼转月夜、休眠、月夜转月昼七种工作模式,轻松应对不同工作环境、适应不同工作状态。

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