王宇燕

（中國(guó)北方車(chē)輛研究所 信息中心，北京100072）

0 引言

世界各航天大國(guó)均重視對(duì)行星表面的探測(cè)。利用行星表面巡視探測(cè)車(chē)（漫游機(jī)器人），可完成對(duì)行星表面的地形地貌實(shí)地勘測(cè)[1]。前蘇聯(lián)最早將月球車(chē)送上月球，而美國(guó)不僅實(shí)現(xiàn)了載人登月，而且還開(kāi)展了一系列的火星表面巡視探測(cè)。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究開(kāi)展較晚，但也掀起了行星表面巡視探測(cè)車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)研究熱潮，承擔(dān)相關(guān)技術(shù)研發(fā)的單位眾多，已取得了一些研究成果。

作者對(duì)國(guó)外的月球車(chē)和火星車(chē)進(jìn)行了跟蹤調(diào)研，重點(diǎn)考察了歐洲空間局（ESA）的“火星快車(chē)”探測(cè)器項(xiàng)目[2]，其中探測(cè)器的底盤(pán)設(shè)計(jì)由俄羅斯承擔(dān)。本文對(duì)“火星快車(chē)”（以下稱火星車(chē)）自行底盤(pán)概念的設(shè)計(jì)思想和具體實(shí)施情況進(jìn)行了深入分析。

1 火星車(chē)的運(yùn)動(dòng)性能考慮

火星車(chē)在任務(wù)、功能、結(jié)構(gòu)、控制方法等主要方面與月球車(chē)有很多相似之處[2]。月球表面地形復(fù)雜，崎嶇不平，而且還覆蓋了一層厚厚的風(fēng)化層，這種松軟細(xì)密的風(fēng)化層很容易使月球車(chē)車(chē)輪打滑，從而失去牽引作用，甚至陷入月壤無(wú)法前行[3]。因此，月球車(chē)要完成預(yù)定的探測(cè)任務(wù)，就必須要有良好的運(yùn)動(dòng)性能，包括越障性能、爬坡性能、通過(guò)性能、抗傾覆性能以及地形適應(yīng)性能等[4]。同樣，火星車(chē)在火星表面不同地形地貌上移動(dòng)并完成預(yù)定的探測(cè)任務(wù)，須考慮與月球車(chē)一樣的共性問(wèn)題。

火星車(chē)的運(yùn)動(dòng)性能與其底盤(pán)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。在考慮火星車(chē)底盤(pán)方案類型時(shí)，最重要的因素是車(chē)輪在火星疏松土壤上的支撐通過(guò)性能和在火星復(fù)雜崎嶇表面（如巖石障礙）的幾何通過(guò)性能[5]。火星車(chē)底盤(pán)方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮在滿足幾何通過(guò)性能要求的基礎(chǔ)上，最大限度地提高火星車(chē)的支撐通過(guò)性能[6]。為了確?；鹦擒?chē)對(duì)火星表面的適應(yīng)性和巡視探測(cè)任務(wù)的成功，除了提高其各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)性能外，這些性能具有高可靠性同樣至關(guān)重要。

2 火星車(chē)底盤(pán)方案的初步考慮

2.1 底盤(pán)類型的選擇

火星車(chē)的底盤(pán)主要有輪式底盤(pán)和履帶式底盤(pán)兩種類型。履帶式推進(jìn)裝置具有較高的牽引能力，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其與輪式底盤(pán)相比效率較低，而且可靠性較差。因此，優(yōu)先選擇輪式底盤(pán)方案。

2.2 推進(jìn)裝置的選擇

為提高火星車(chē)底盤(pán)輪子的牽引能力，俄羅斯車(chē)輛運(yùn)輸研究所經(jīng)過(guò)廣泛而深入的研究，開(kāi)展了理論仿真和地面試驗(yàn)，提出了輪式-跨步組合形式的推進(jìn)裝置。

盡管這種新的推進(jìn)裝置比輪式推進(jìn)裝置略重些（因?yàn)樗黾恿艘粋€(gè)額外的驅(qū)動(dòng)器），但能使車(chē)輪相對(duì)于底盤(pán)本體作縱向位移。通常，行星車(chē)在發(fā)射飛行中是折疊放置到緊湊的運(yùn)輸艙中，當(dāng)著陸到行星表面上后，它才會(huì)展開(kāi)成工作姿態(tài)，而展開(kāi)動(dòng)作就要用到一些特殊的展開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。輪式-跨步推進(jìn)裝置中的展開(kāi)功能由跨步驅(qū)動(dòng)執(zhí)行，不再需要額外的機(jī)構(gòu)，避免了質(zhì)量的增加。因此，“火星快車(chē)”項(xiàng)目中的火星車(chē)演示樣機(jī)優(yōu)先選用了這個(gè)方案，如圖1所示。

圖1 “火星快車(chē)”項(xiàng)目的火星車(chē)樣機(jī)Fig. 1 Model prototype of rover for Mars Express program

2.3 輪式方案的選擇

四輪式車(chē)輛的參數(shù)h /D（車(chē)輛越過(guò)臺(tái)階高度與車(chē)輪直徑之比）的理論極限值為 0.4（在附著系數(shù)φ≥1的條件下），而非標(biāo)準(zhǔn)的六輪式車(chē)輛，其參數(shù)h /D的數(shù)值可以超過(guò)1.0，并且每個(gè)輪子的載荷更均勻，可確保車(chē)輪有較大的行程。因此，火星車(chē)選擇6×6輪式方案。

3 火星車(chē)的底盤(pán)結(jié)構(gòu)方案

3.1 懸掛方案

影響“火星快車(chē)”的通過(guò)性能的最重要因素之一是輪子的承載情況：輪子承載越均勻，則其通過(guò)性能就越好。

輪子的自行底盤(pán)設(shè)計(jì)受到了極大的限制，因?yàn)樗髮⒄麄€(gè)有效載荷分布到單位容積上。在這種情況下，尤其不能采用鉸接的自行底盤(pán)[7]。

可以采用的有非獨(dú)立彈性懸掛和平衡式非彈性懸掛兩種方案。

1）非獨(dú)立彈性懸掛方案

非獨(dú)立彈性懸掛方案的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，蘇聯(lián)和美國(guó)最早的月球車(chē)采用的都是這種方式。但是，這種懸掛方式有其自身的缺陷：當(dāng)車(chē)沿著復(fù)雜的路面行走時(shí)，所懸掛的彈性元件并不能確保輪子承受常量載荷。此外，當(dāng)車(chē)爬坡的時(shí)候，這種懸掛方式還降低了車(chē)行的穩(wěn)定性。為了克服這些缺點(diǎn)，俄羅斯車(chē)輛運(yùn)輸研究所對(duì)火星車(chē)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，研制出IARES 模型樣機(jī)（圖2），采用專門(mén)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以改變懸掛彈性元件的受力狀態(tài)。當(dāng)然，改進(jìn)設(shè)計(jì)會(huì)使結(jié)構(gòu)變得愈加復(fù)雜，相應(yīng)也會(huì)增加質(zhì)量。

圖2 IARES 模型樣機(jī)Fig. 2 Model prototype of IARES

2）平衡式非彈性懸掛方案

平衡式非彈性懸掛方案通過(guò)所懸掛的元件改變輪子的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，從而平衡每個(gè)車(chē)輪的承載情況。這種懸掛方案在4×4輪式底盤(pán)中實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，而在6×6輪式底盤(pán)中就較為復(fù)雜。綜合考慮各方面的因素，研究人員認(rèn)為平衡式非彈性懸掛方案適用于“火星快車(chē)”。

3.2 自行底盤(pán)的組合方案

最初研究和分析時(shí)，考慮有以下幾種自行底盤(pán)的組合方案：

1）4×4×4輪式結(jié)構(gòu)和平衡式非彈性懸掛的自行底盤(pán)的組合方案（A型）；

2）4×4×4＋4ш輪式結(jié)構(gòu)和平衡式非彈性懸掛的自行底盤(pán)的組合方案（B型）；

3）6×6×4＋4ш輪式結(jié)構(gòu)和平衡式非彈性懸掛的自行底盤(pán)的組合方案（C型）。

每個(gè)組合方案中的第 3個(gè)數(shù)字表示裝的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)的車(chē)輪數(shù)量，而符號(hào)“＋4ш”表示有 4個(gè)跨步驅(qū)動(dòng)器。

А型和 В型自行底盤(pán)的每一側(cè)輪子成對(duì)地裝在一根縱向平衡的拉桿上，用同步機(jī)構(gòu)附加聯(lián)動(dòng)，而同步機(jī)構(gòu)可保證平衡構(gòu)件相對(duì)于車(chē)架向相反方向旋轉(zhuǎn)同樣的角度。每個(gè)車(chē)輪都配有單獨(dú)的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

B型方案的每個(gè)輪子還另配裝了跨步驅(qū)動(dòng)器，而A型方案沒(méi)有。圖3所示的是B型自行底盤(pán)的各種姿態(tài)：а、b、с分別為車(chē)體標(biāo)定、車(chē)體升高后和車(chē)體降低時(shí)的姿態(tài)；d 為跨步時(shí)的姿態(tài)；е為沿崎嶇不平路面行駛的姿態(tài)；f為在運(yùn)輸時(shí)的姿態(tài)；g、h、i均為工作時(shí)的姿態(tài)。

圖4 所示的是C型自行底盤(pán)的各種姿態(tài)。該自行底盤(pán)的每側(cè)輪子之間互相聯(lián)結(jié)，輪子又通過(guò)懸掛方式與車(chē)架相聯(lián)結(jié)；而懸掛方式是一個(gè)鉸接-杠桿機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)可以使每側(cè)3個(gè)輪子的載荷均勻地分布，此外，3個(gè)輪子側(cè)向的模塊之間通過(guò)同步機(jī)構(gòu)相聯(lián)結(jié)（類似于А 和В型底盤(pán)的結(jié)構(gòu)）。4個(gè)角上的輪子均配有單獨(dú)的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和跨步驅(qū)動(dòng)器。圖4中各種姿態(tài)的定義如下：а、b、с均為當(dāng)?shù)妆P(pán)沿崎嶇不平路面行駛時(shí)的姿態(tài)，d、e分別為車(chē)體升高后和車(chē)體降低時(shí)的姿態(tài)；f為自行底盤(pán)車(chē)體往土壤上著落的姿態(tài)；g、h均為工作時(shí)的姿態(tài)；i為在運(yùn)輸狀態(tài)下的姿態(tài)。

圖3 B型自行底盤(pán)和它的各種不同姿態(tài)Fig. 3 B type chassis and its various configurations

圖4 C型自行底盤(pán)和它的各種不同姿態(tài)Fig. 4 C type chassis and its various configurations

3.3 3種組合方案的比較

表1列出了A型、B型和C型自行底盤(pán)的技術(shù)特性比較。

表1 3種自行底盤(pán)方案的技術(shù)特性比較Table1 Comparison of the calculated characteristics between three self-propelling chassis plans

從表1中可以看出：С型自行底盤(pán)的質(zhì)量偏大，但技術(shù)特性最佳，因此它被確定為最優(yōu)方案。

3.4 C型組合方案的進(jìn)一步優(yōu)化

為了提高“火星快車(chē)”的通過(guò)性能，對(duì) C型組合方案的懸掛結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。

平衡式非彈性懸掛的理想狀態(tài)是，不僅要確?；鹦擒?chē)在平坦的路面上行駛時(shí)每個(gè)輪子上所承受的載荷均勻，而且在復(fù)雜的路面上行駛時(shí)所承受的載荷同樣要均勻。

圖5所示的是6×6輪式火星車(chē)逾越障礙物的受力情形。

越過(guò)障礙物的理想條件是：φ3(φ1Pz1＋φ2Pz2)≥Pz3。當(dāng)φ1=φ2=φ3時(shí)，懸掛方式已確保輪子在任意垂直方向上φ≥0.7移動(dòng)時(shí)能實(shí)現(xiàn)Pz1≈Pz2≈Pz3，也就是說(shuō)如果附著系數(shù)大于0.7，在均勻的土壤上越障，有可能實(shí)現(xiàn)輪子均勻承載。但是實(shí)際情況如圖 5 所示的情形，即輪子在沿崎嶇不平的路面勻速行駛的時(shí)候，有一個(gè)縱向移動(dòng)的分運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)會(huì)讓輪子承受的載荷重新分布，使得Pz2的值極大地減小；當(dāng)Pz2接近0的時(shí)候，越障條件是φ≥1?；鹦巧献畹湫偷脑秸锨闆r是凸出的石頭，此時(shí)的越障條件應(yīng)為φ1＜0.4～0.5[7]。為了越過(guò)障礙，要求后輪與障礙物的附著系數(shù)大于2，而在大部分情況下這是不可能達(dá)到的。

圖5 自行底盤(pán)越障時(shí)每個(gè)輪子的受力示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the forces acting on each wheel when the self propelling chassis goes over obstacles

這樣一來(lái)，火星車(chē)的幾何通過(guò)性能在很大程度上取決于懸掛方式的特性。為了提高火星車(chē)的幾何通過(guò)性能，應(yīng)設(shè)法避免輪子作縱向移動(dòng)。這也是火星車(chē)成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

4 模型樣機(jī)的試驗(yàn)研究

針對(duì)以上的方案分析結(jié)果，俄方研制了模型樣機(jī)（比例為1∶2），稱之為“ExoMaDeR”樣機(jī)（如圖6所示）。

在樣機(jī)研制中，所采用的方案沒(méi)有配裝跨步驅(qū)動(dòng)器，而是用專門(mén)的離合器來(lái)替代，以模擬跨步驅(qū)動(dòng)器的功能。

模型樣機(jī)每側(cè)輪之間相互聯(lián)結(jié)，輪子又通過(guò)懸掛方式與車(chē)架相聯(lián)結(jié)，而懸掛方式采用的是絞鏈-杠桿機(jī)構(gòu)。此外，3個(gè)輪子側(cè)向模塊之間采用同步機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)。

ExoMaDeR模型樣機(jī)在ESTEC的試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果表明：其全負(fù)載情況下的通過(guò)性能甚至比無(wú)負(fù)載下的通過(guò)性能尤其是穩(wěn)定性還要好[8]，也沒(méi)有出現(xiàn)輪子縱向移動(dòng)。由此可見(jiàn)，自行底盤(pán)概念設(shè)計(jì)的思想是正確的。

5 結(jié)束語(yǔ)

行星車(chē)在復(fù)雜地形中的運(yùn)動(dòng)能力、穩(wěn)定性和可靠性，將直接影響深空探測(cè)項(xiàng)目的成敗[9]。2013年，我國(guó)按計(jì)劃將發(fā)射月球車(chē)，開(kāi)展月面巡視探測(cè)。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)還將制定和實(shí)施火星探測(cè)計(jì)劃。為了確保巡視探測(cè)任務(wù)的成功，廣泛地吸納國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)尤為重要。

通過(guò)對(duì)“火星快車(chē)”自行底盤(pán)設(shè)計(jì)思路的跟蹤調(diào)研與分析，得出了一些基本結(jié)論，這些工作可為我國(guó)開(kāi)展行星車(chē)的進(jìn)一步研究提供參考。針對(duì)我國(guó)深空探測(cè)項(xiàng)目實(shí)施的需求，應(yīng)在以下幾個(gè)方面開(kāi)展工作：

1）車(chē)輪土壤支撐通過(guò)能力的理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證研究；

2）以單側(cè)車(chē)輪負(fù)載均衡化為設(shè)計(jì)目標(biāo)的行走構(gòu)型的研發(fā)；

3） 深空探測(cè)行星車(chē)專用部件的模塊化設(shè)計(jì)研究，以利于根據(jù)不同的探測(cè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)功能的快速組合；

4）具有整車(chē)折疊的跨步機(jī)構(gòu)的研究，以提高車(chē)輛通過(guò)性能。

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