月面居住艙可折疊輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)想

李東瑾，齊臣坤，陳 萌，張文奇

(1.上海交通大學(xué)，上海200240；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109；3.上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201108)

1 引言

在載人登月和建設(shè)月球基地的任務(wù)中，月面居住艙是重要的組成部分，它負(fù)責(zé)攜帶實(shí)驗(yàn)儀器、月球探測(cè)車和航天員等從近月軌道著陸到月面，是航天員在基地生活和艙內(nèi)工作的主要場(chǎng)所。任務(wù)完成后，還需要月球艙攜帶航天員從月面起飛回到月球軌道，進(jìn)而返回地球。月面居住艙，其著陸機(jī)構(gòu)可以采用類似月面巡視探測(cè)器的機(jī)構(gòu)。目前，月面著陸機(jī)構(gòu)都是固定著陸，著陸后艙體不能移動(dòng)。在20世紀(jì)的美蘇登月競(jìng)賽中[1-2]，蘇聯(lián)的月球探測(cè)工程以及NASA的阿波羅計(jì)劃[3]所使用的月面著陸方案均是固定式的。當(dāng)今的月面著陸巡視探測(cè)任務(wù)都是采用固定式月面著陸器和移動(dòng)式巡視月球車的組合方案。我國(guó)于2013年發(fā)射的嫦娥三號(hào)[4-6]、2018年發(fā)射的嫦娥四號(hào)[7]的著陸探測(cè)部分都是由固定著陸器和移動(dòng)式巡視器組成。

在載人登月和建設(shè)月球基地的任務(wù)中，固定式月面居住艙有許多不足。對(duì)于載人登月探測(cè)來說，固定式著陸器會(huì)限制探測(cè)的范圍和效率。航天員和月球車每次探測(cè)完成后都需要返回同一地點(diǎn)，往返時(shí)路徑重復(fù)、效率較低。若航天員在外遇險(xiǎn)，固定式月面居住艙無法及時(shí)救援。對(duì)于月球基地建設(shè)來說，固定式居住艙對(duì)月面著陸的定位精度要求比較高，且著陸周圍的揚(yáng)塵影響設(shè)施和人員安全，建設(shè)基地要移動(dòng)離開著陸區(qū)一定距離。另外，固定式居住艙難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；膶?duì)接聯(lián)合，不能靈活規(guī)劃基地布局，容易浪費(fèi)空間資源。沒有移動(dòng)能力的設(shè)施廢棄后回收的成本也會(huì)相對(duì)較高[8-9]。因此，可移動(dòng)的月面居住艙成為目前研究的熱點(diǎn)。

為了應(yīng)對(duì)月球基地建設(shè)過程中資源探索、貨物運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)需求，國(guó)內(nèi)外的研究團(tuán)隊(duì)提出了可移動(dòng)式月面居住艙的設(shè)計(jì)方案。Wilcox[10]提出的ATHLETE機(jī)器人是一種全地形探測(cè)器，采用六輪足的移動(dòng)方案，能在平緩地形上用輪子移動(dòng)，在崎嶇地形上用六足行走，為月球艙的移動(dòng)和對(duì)接提供幫助。Birckenstaedt等[11]綜合考慮了航天員執(zhí)行探測(cè)任務(wù)、載荷轉(zhuǎn)移、LO2/LH2燃料貯存等需求，提出了配置LO2/LH2推進(jìn)系統(tǒng)的月球艙的幾種方案設(shè)想，為實(shí)現(xiàn)月球艙的移動(dòng)提供了可能性。Harrison等[12]設(shè)計(jì)的重型月球基地機(jī)器人Chariot是一種多用途、可重構(gòu)、模塊化的輪式機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)月球艙的移動(dòng)，能夠承載多個(gè)航天員以及較多的貨物，它的6個(gè)移動(dòng)輪均為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，具有比較靈活的越障和爬坡能力。張志賢等[13]設(shè)計(jì)了一種輪腿式的可移動(dòng)載人月面著陸器方案，總體分為制動(dòng)級(jí)、著陸移動(dòng)級(jí)和上升級(jí)，其中著陸移動(dòng)級(jí)由六邊形框架、儀器艙和6套輪腿組成。這種著陸器遇到障礙時(shí)可以利用六足行走，具有一定的越障能力，適用于長(zhǎng)距離探測(cè)、月球基地構(gòu)造、廢棄物清理等多種任務(wù)。

這些方案在一定程度上為月球艙提供了移動(dòng)能力，但仍然存在尺寸較大、占用空間較多等不足。同時(shí)，這些方案直接以移動(dòng)機(jī)構(gòu)作為支撐，展開后難以再收回或者拆卸，維護(hù)比較困難，也不容易對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模塊化利用。本文提出一種可折疊的月球居住艙移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)想，充分利用空間，給月面居住艙提供移動(dòng)能力，為未來構(gòu)建月球基地提供參考。

2 設(shè)計(jì)需求

根據(jù)月球環(huán)境的測(cè)量數(shù)據(jù)，月球表面處于冷熱劇變的狀態(tài)，溫度范圍約處于-180～150℃。月球表面地形崎嶇，地面松軟，月壤顆粒平均直徑70μm左右，孔隙比為 1.07±0.07，承載力在25 kPa左右[14]。除滿足溫度要求外，居住艙移動(dòng)機(jī)構(gòu)總質(zhì)量要求比較輕(假定為200 kg)，能夠承受居住艙重量(假定為5.5 t)，月面移動(dòng)輪受接地壓強(qiáng)限制(假定小于4 kPa)，居住艙移動(dòng)速度也有要求(假定為100 mm/s)。

根據(jù)以上需求，計(jì)算移動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本性能要求如下：

1)月面接觸壓力與接觸面積。月面重力加速度約為g/6，接觸壓力約為9.3 kN；根據(jù)月面平均接地壓強(qiáng)小于4 kPa的要求，得到接觸面積約為2.3 m2。

2)居住艙移動(dòng)牽引力與功率。根據(jù)輪壤摩擦系數(shù)和壓力，得到牽引力約為8.4 kN，牽引功率約為600～700 W。

3)落地豎直方向平均沖擊力與沖擊壓強(qiáng)。假定著陸沖擊持續(xù)時(shí)間10～20 ms，得到平均沖擊力約為1×106～2.2×106N；在著陸腿同步著陸的情況下，平均沖擊壓強(qiáng)不超過1 MPa。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 月面著陸系統(tǒng)

載人登月著陸系統(tǒng)主要經(jīng)歷4種工作情況：從月球軌道降落到月面、在月面移動(dòng)、在月面停放、從月面起飛返回月球軌道。結(jié)構(gòu)上主要分為上下2級(jí)。其中上級(jí)為柱形的月面居住艙艙體，軸向?yàn)榇怪狈较?，下?jí)為著陸時(shí)起減速作用的制動(dòng)系統(tǒng)，如圖1(a)所示。

假定艙體的直徑約為4 m，主體高度約為4.5 m，周圍對(duì)稱分布有4個(gè)剛性的支撐腿。在月球表面上時(shí)，艙體底部有高約1.5 m、直徑約4 m的可用空間。為了盡量減少移動(dòng)機(jī)構(gòu)占用空間，設(shè)想移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以完全包絡(luò)于艙底，如圖1(b)所示。

3.2 工作原理

圖1 月面著陸系統(tǒng)Fig.1 Lunar landing system

提出的居住艙移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：1個(gè)垂直升降機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)4個(gè)移動(dòng)輪的落地和回收；4個(gè)安裝在升降滑架上的滾輪支臂，端部安裝移動(dòng)輪；4個(gè)收放滾輪支臂的折疊機(jī)構(gòu)，圓周均勻分布在升降滑架上，用于控制4個(gè)移動(dòng)輪的展開和折疊姿態(tài)，如圖2(a)所示。該移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有4個(gè)驅(qū)動(dòng)，分別位于每個(gè)移動(dòng)輪處。在較平緩地形上，移動(dòng)機(jī)構(gòu)利用兩側(cè)輪子的差速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。收放滾輪支臂的折疊機(jī)構(gòu)是被動(dòng)機(jī)構(gòu)，只有2種固定的姿態(tài)，包括折疊狀態(tài)(圖2(b)(c))和展開狀態(tài)(圖 2(a))。

3.3 工作模式

降落時(shí)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)為折疊姿態(tài)。在降落過程中，著陸系統(tǒng)依靠制動(dòng)噴射器減速制動(dòng)，由居住艙體四周的姿態(tài)控制噴射器調(diào)整方位。在接近落地時(shí)，制動(dòng)噴射器將會(huì)被拋棄。這個(gè)過程中，居住艙移動(dòng)機(jī)構(gòu)一直處于收攏狀態(tài)，如圖1(b)、圖2(b)(c)所示。由于其包絡(luò)空間足夠小，不會(huì)影響制動(dòng)噴射器和姿態(tài)調(diào)整噴射裝置的正常工作。

移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)為展開移動(dòng)姿態(tài)。在居住艙移動(dòng)過程中，折疊機(jī)構(gòu)先將4個(gè)移動(dòng)輪張開，垂直升降機(jī)構(gòu)再放下移動(dòng)輪觸地，抬起居住艙，直至四周的著陸腿完全離開地面，如圖3所示。移動(dòng)采用四輪驅(qū)動(dòng)，為月面移動(dòng)提供足夠的動(dòng)力。

停放時(shí)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)為展開鎖定姿態(tài)。在居住艙停放過程種，垂直升降機(jī)構(gòu)緩慢回縮，將居住艙放落地面，直至著陸腿完全支撐起居住艙。此后4個(gè)移動(dòng)輪保持張開且鎖定。

起飛返回時(shí)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)為折疊姿態(tài)。居住艙起飛返回時(shí)不再需要移動(dòng)，移動(dòng)輪折疊收起到最小包絡(luò)空間中。

圖2 移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案Fig.2 Design scheme of mobile mechanism

圖3 移動(dòng)機(jī)構(gòu)張開觸地Fig.3 Unfolding and touchdown of mobile mechanism

提出的移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案能夠在居住艙停放時(shí)收起移動(dòng)輪，減輕移動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載；還能有效利用月面居住艙的空間，減小總體體積，為其他設(shè)備的安裝提供條件；結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，比較容易維護(hù)；還能夠設(shè)計(jì)成可拆卸的形式，在規(guī)模化的月球基地建設(shè)中為不同的居住艙提供移動(dòng)能力。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證技術(shù)

在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)移動(dòng)月面居住艙的功能需求，首先需要通過論證來確定移動(dòng)機(jī)構(gòu)原型樣機(jī)的方案。確定初步方案后，需要對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化，綜合移動(dòng)模擬仿真、強(qiáng)度校核、壽命校驗(yàn)等現(xiàn)代化研究手段，預(yù)測(cè)基本性能參數(shù)，驗(yàn)證移動(dòng)機(jī)構(gòu)能否滿足實(shí)際功能需求。

在實(shí)際考慮載人航天、月球基地工程的建設(shè)時(shí)，應(yīng)該充分利用我國(guó)月面著陸探測(cè)工程的成功案例作為設(shè)計(jì)和比對(duì)驗(yàn)證的參考，比如嫦娥三號(hào)和嫦娥四號(hào)著陸探測(cè)工程。同時(shí)也需要充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外探月工程的各種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，盡量將著陸器自身結(jié)構(gòu)以及裝載機(jī)構(gòu)輕量化、小型化，比如徐彥等[15]綜述的充氣式月球基地防護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)，能夠減輕航天器的載荷和能源負(fù)擔(dān)。

4.2 重載著陸緩沖技術(shù)

在載人登月、月球基地建設(shè)工程中，月面居住艙攜帶的載荷除了月球車、各種實(shí)驗(yàn)儀器外，還有航天員以及相應(yīng)的生存環(huán)境維持系統(tǒng)、月面作業(yè)輔助設(shè)備等，比當(dāng)今的登月工程的載荷要更加重。

目前，月面著陸器的著陸緩沖機(jī)構(gòu)多為3～4支撐桿的簡(jiǎn)單支柱式或復(fù)雜桁架式構(gòu)型[16]。在重載情況下，結(jié)合月面不同區(qū)域的特征和月壤特性，月面居住艙著陸的選址、定位精度、著陸緩沖等方面都會(huì)有更高的要求。重載著陸緩沖技術(shù)需要確保居住艙穩(wěn)定、準(zhǔn)確地著陸在月球表面，才能保證月球探測(cè)、人員運(yùn)送、基地建設(shè)的進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。

4.3 重載驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

重載的可移動(dòng)式月面居住艙的驅(qū)動(dòng)與控制相對(duì)較困難。重達(dá)幾噸的居住艙在崎嶇的月面移動(dòng)，不但需要保證平穩(wěn)行駛，還需要具有一定的爬坡和越障能力。

重載情況下，驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)需要在提供足夠驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)，能夠通過合理的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和優(yōu)化控制，來應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地面情況，保證居住艙的自身平衡和平穩(wěn)移動(dòng)。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代化設(shè)計(jì)手段[17]，可以提高月面居住艙驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性。

4.4 高效能源動(dòng)力技術(shù)

移動(dòng)重載的月面居住艙需要更多的能源。在載人航天工程中，不但需要足夠的能源支持居住艙在一定范圍內(nèi)移動(dòng)，還需要維持航天員的生活環(huán)境，攜帶航天員起飛返回。在月球基地建設(shè)中，還需要進(jìn)一步建設(shè)長(zhǎng)期供能的月球能源站。這需要結(jié)合如柔性太陽(yáng)電池陣、空間核電源、空間燃料電池、寬溫鋰離子電池等的新型能源技術(shù)[18]，開發(fā)重量更輕、體積更小和容量更大的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)。

4.5 自主檢測(cè)維護(hù)技術(shù)

月面居住艙的移動(dòng)機(jī)構(gòu)需要一定的輔助維護(hù)能力。如果重載的居住艙在月面移動(dòng)時(shí)遭遇突發(fā)狀況，比如陷入凹坑、身體失衡等，移動(dòng)機(jī)構(gòu)需要通過驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)協(xié)助居住艙解決問題。

移動(dòng)機(jī)構(gòu)也需要建立自身的機(jī)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)。當(dāng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)自身出現(xiàn)故障，比如電機(jī)故障、軸承故障、控制器故障等，可以通過基于信號(hào)處理的檢測(cè)診斷系統(tǒng)進(jìn)行自我修復(fù)或者地面遠(yuǎn)程遙控修復(fù)[19]。

5 小結(jié)

該可折疊輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有折疊著陸、展開移動(dòng)、鎖定停放、折疊起飛返回4種基本的工作模式；關(guān)鍵技術(shù)包括機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證技術(shù)、重載著陸緩沖技術(shù)、重載驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、高效能源動(dòng)力技術(shù)以及自主檢測(cè)維護(hù)技術(shù)等；該機(jī)構(gòu)具備尺寸較小、移動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)擔(dān)較輕、維護(hù)較容易、具備模塊化運(yùn)用的能力等優(yōu)點(diǎn)。