火星探測(cè)車的研究設(shè)計(jì)

德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 李正陽 王嵋 李彩霞 梁麗梅

引言

火星是地球的近鄰，了解火星的演化對(duì)了解地球的過去和未來演化有十分重要的意義?；鹦潜砻嫔鲜欠裨?jīng)存在過生命，現(xiàn)今是否依然存在生命，是人類尤為關(guān)心的問題。圍繞火星是否曾經(jīng)存在生命的探索一直是火星探測(cè)的重要主題，人類對(duì)火星的探索從未停止。通過已經(jīng)發(fā)射到火星上的探測(cè)器發(fā)現(xiàn)火星上不僅大氣稀缺，而且可以供宇航員生存的必需品也是少之又少，又由于火星沒有大氣層的保護(hù)，火星上常常吹起沙暴，火星這樣的自然條件不適合宇航員活動(dòng)。因此設(shè)計(jì)一輛具有綜合能力的載人探測(cè)車幫助人們完成各種任務(wù)是十分必要的。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)

火星探測(cè)車主要由主艙室、副艙室、塔吊機(jī)構(gòu)、通訊系統(tǒng)、電磁行走機(jī)構(gòu)和車架等組成。主艙室視野開闊并配有完善的導(dǎo)航系統(tǒng)，可同時(shí)容納多名宇航員，副艙室用來進(jìn)行塔吊指揮并協(xié)同主艙室空間工作。探險(xiǎn)車具有強(qiáng)大的遠(yuǎn)程通信功能，并且具有抗電磁波干擾的能力。其電磁行走機(jī)構(gòu)安裝六個(gè)電磁行走輪，每個(gè)行走輪都是單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，不會(huì)由于動(dòng)力不足而停止探索工作，其整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 火星探測(cè)車結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 探測(cè)車的車架設(shè)計(jì)

車架通過四根大直徑的撓性柱與車底、車頂連接。保證其連接的牢固性又能緩沖地面崎嶇所產(chǎn)生的沖力。車架采用合金的鋼板沖壓制成，強(qiáng)度大、不易被惡劣的未知液體或氣體腐蝕。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車架結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電磁行走機(jī)構(gòu)

火星車的移動(dòng)環(huán)境復(fù)雜，一是移動(dòng)能力和火星表面構(gòu)造的力學(xué)特性直接相關(guān)，而我們對(duì)這些特性知之甚少；二是火星表面石塊等障礙分布密集，火星車以自主行駛為主，被石塊卡滯的風(fēng)險(xiǎn)較大；三是火星表面溫度變化頻繁，存在沙塵天氣，更容易發(fā)生車輪卡死失效；四是火星表面多石塊環(huán)境對(duì)車輪輪緣的強(qiáng)度、耐磨性提出更高要求。為此探險(xiǎn)車共安裝六個(gè)電磁行走輪，每個(gè)電磁行走輪都是單獨(dú)供電，位于車體中部的兩個(gè)電磁輪由兩個(gè)輪轂架固定；車體兩端的電磁輪通過單個(gè)的輪轂架固定。電磁行走輪的結(jié)構(gòu)采用渦輪壓片式的結(jié)構(gòu)，不僅大大減少了輪胎的重量，還提高了轉(zhuǎn)向的性能。

2 火星探測(cè)車的組合設(shè)計(jì)及工作原理

火星探測(cè)車的整體由車架支撐，在車架的兩邊各設(shè)置有三個(gè)輪軸連接裝置。車架的底部是車輛的整體電力輸出中心，車內(nèi)所有的能量從車底的發(fā)電機(jī)組輸出分配。在車架與主艙室的連接處設(shè)置爬梯方便宇航員行動(dòng)，主艙室和副艙室兩者相互協(xié)調(diào)共同完成火星探測(cè)車的行動(dòng)和施工。在副艙室的側(cè)翼設(shè)置塔臺(tái)機(jī)構(gòu)，用于搬運(yùn)重物。探測(cè)車的頂端安裝遠(yuǎn)程遙感裝置和衛(wèi)星通訊裝置，兩者都可以任意旋轉(zhuǎn)。其爆炸結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 火星探險(xiǎn)車爆炸結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)論

該探險(xiǎn)車操作性能優(yōu)越，適應(yīng)火星的各種位置地形，具有探測(cè)范圍廣、精度高的優(yōu)點(diǎn)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）操作性能優(yōu)越。主、副艙室聯(lián)合操控，負(fù)責(zé)探索車的各項(xiàng)基本性能指標(biāo)；副艙室管理塔臺(tái)的調(diào)動(dòng)、指揮工作行動(dòng)。

（2）六足聯(lián)動(dòng)行動(dòng)方便，可以適應(yīng)各種位置地形。探索車每個(gè)電磁行走輪都是由單獨(dú)的電磁驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，適應(yīng)地形能力強(qiáng)。

（3）配備遠(yuǎn)程遙感裝置，可用于探測(cè)深度大、寬度大、溫度異常等特殊環(huán)境的區(qū)域。