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玉兔二号一小步 航天事业一大步

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  1月3日10时26分,由航天科技集团抓总研制的嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面东经177.6度,南纬45.5度附近的预选着陆区,并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图。此次任务实现了人类探测器首次月背软着陆、首次月背与地球的中继通信,开启了人类月球探测新篇章。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。着陆器上监视相机拍摄了玉兔二号在月背留下第一道痕迹的影像图,并由“鹊桥”中继星传回地面。

  八院承担了嫦娥四号着陆器、巡视器五个半分系统的研制任务,包括巡视器移动分系统、结构与机构分系统、测控数传分系统、电源分系统、综合电子分系统移动/机构控制与驱动组件、着陆器一次电源分系统。

  在本次发射试验中,嫦娥四号巡视器将在月背行驶并进行一些科学探测活动,而前提是巡视器能够与着陆器安全分离。在地月旅程中,巡视器与着陆器一直“绑定”在一起,登陆月球后,巡视器如何从着陆器顶部安全行驶至月背呢?

  航天设计师们贴心地为巡视器设计了两根转移机构悬梯导轨,类似古代的吊桥。只要巡视器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。

  保持稳定并不是一件简单的事,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,或者月尘厚度、松软度不均匀的地方,着陆器、巡视器倾斜,两根导轨之间存在倾斜角度;就算降落在平面上,释放悬梯导轨的过程中,巡视器车轮也可能滑动,万一滑落,后果不堪设想。805所的移动分系统、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。经过反复的论证和试验,设计师们发现可从车轮的棘爪入手,使车轮棘爪与导轨悬梯上的棘齿咬合,再将“DSP+FPGA”的架构设计和模块化电机驱动设计引入我国深空探测的机构控制领域,提高了控制的精度,确保车轮零转速保持,月球车就可以稳稳地停在导轨上。

  提起与导轨棘齿咬合的棘爪,其实,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。月背上有着千奇百怪的地形地貌,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所的设计师提出了筛网轮的设计构想,轮子是网状的材质搭配棘爪,其一个直径300mm宽度150mm的车轮仅735g,比市面上婴儿车的车轮还轻,筛网轮在地面车辆上并没有应用过,产品遭到了国内轮载专家的质疑。嫦娥四号移动分系统主任设计师刘殿富介绍说:“我们需要凭试验数据说话,联系了国内专门研究车轮工程的单位,测试了筛网轮的挂钩牵引力、适应性、承载力等。当初质疑的专家也不得不信服,纷纷感慨没想到我们的车轮能有这么好的效果。”

  安全分离只是登陆的第一步,巡视器的行驶和越障能力是更大的考验。月球表面干燥、松软的月壤承载能力较低,所以巡视器的自重、车轮设计都必须要满足月壤的承压能力,否则就可能出现车轮打滑、下陷的问题。为了给巡视器减重,移动分系统也动了很多脑筋,经过前期的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20.5kg的重量承载整个巡视器135kg重量的巨大突破。

  解决了轻量化设计问题,并不意味着巡视器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。好莱坞大片中经常可以看到汽车越障的画面,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,月宫之旅就结束了。

  为避免上述情况的发生,保证巡视器的行驶和越障能力,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,如果单侧某一车轮越过200mm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,继续工作。

  移动分系统的设计师们攻克了该领域的一个又一个研制难题,最终保证了巡视器任务的圆满完成。

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