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媒体解析玉兔月球车小身板大载荷机关重重

发布时间:2019-11-09 19:52:01 编辑:笔名

媒体解析玉兔月球车:小身板大载荷“机关”重重

北京时间今晨4时35分,嫦娥三号着陆器与巡视器分离,“玉兔号”巡视器顺利驶抵月球表面。

中国“玉兔”是一只1米1高、1米5长、1米宽、体重140公斤的银色“兔子”,有着一对太阳能帆板做翅膀,六只轮子为脚掌。在电视画面中,人们可以看到它自如地越障、过坑、爬坡、休眠、唤醒,但却很难想象它背后的种种机关。

测控数传

九天探月一线牵

在几十万公里外的月球表面,嫦娥三号要实现与祖国的联系,要按要求完成自己的行程,就需要通过测控数传分系统,将大量的科学数据传回地面。如果说翱翔天际的太空探测器像风筝一样,那么,测控数传分系统就是探测器系着祖国的风筝线。

嫦娥三号巡视器天线辐射性能受环境影响大,面临未知的月球表面状态,工况复杂,风险极大。为此,嫦娥三号探测器采用了新型天线设计方案,实现了天线半球空间全向高增益辐射性能。为了降低天线受车体影响的程度,科研人员还为天线增加了支架,支架采用碳纤维复合材料,可以有效减重、加强架构。

太阳翼

重复展开创纪录

目前,国内航天器太阳翼展开大都是采用同一展开方向、一次性连续展开的方案;配备可重复展开的太阳翼,是“玉兔”号月球车的一大创新——月昼时月球车在月面行驶并进行一些科学探测活动,这时月球车上的太阳电池翼可以展开对日定向提供动力;月夜来临,月球车停止行驶和工作进入睡眠状态,为防止其“腹腔”内的机电产品、设备完全暴露在极寒温度下,太阳电池翼能够自动收拢,犹如在“腹腔”上盖了一条毯子,起到保温的作用。

舱体

“小身板”大载荷

月球车结构机构分系统由结构、桅杆、太阳电池翼、机械臂四个子系统组成,其中组成巡视器的所有单机,均通过结构进行承载。

结构子系统的舱体安装着各种仪器设备,其长1410毫米、宽820毫米、高651毫米,分为上下两层,下舱体安装着电源、控制与驱动机构组件等设备,上舱体安装着太阳翼、桅杆、太阳敏感器等设备。月球车的舱体仅是一副0.75立方米的“小身板”,却承载着自身重量6倍的大载荷。

机械臂

3个自由度运动

月面巡视器的机械臂是中国机械臂家族中的“小个子”,它虽不长却能实现3个自由度的运动,运动的精度更是能精确到正负2毫米。当它承载的X射线谱仪向地球发回份科学探测数据时,这个“小个子”一定不知道,自己已经被冠上“中国外星球探测臂”的美名。

传统工业机械臂采用的都是模块化设计,电、机产品分体组装,往往带来体积大、重量重的弊端,“奔月”肯定负担重。经过充分调研和分析,设计师们采用机电一体化的设计解决了这个难题。

电源系统

月夜可自动休眠

月球的环境与地球不同,它的一个月夜长达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着陆器和巡视器来说,如何依靠自身存储的能量度过月夜将是一个很大的挑战。因为在这14天的月夜里,如果仅仅依靠蓄电池提供能量,则需要自带100安时容量以上的蓄电池,容量的增加,随之带来的是重量的上升。而重量是探测器研制的一个制约因素。面对这一难题,科研人员创新性的提出了休眠唤醒的概念。依靠休眠唤醒功能,着陆器和巡视器日出而作,日落而息,而不用为能源的问题担忧。

移动系统

在月面留下道车辙

月面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。为此,设计师为“玉兔”打造了一副独特的筛轮,筛轮的挂钩牵引力、适应性、承载力等都显示出很好的效果。为保证巡视器的行驶和越障能力,月球车移动分系统采用了独立转向的构型方案,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面地形,保证月球车所有车轮均与月面接触,且整车抬起姿态相比一般汽车减小一半。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。

驱动机构

“脑袋”小精度高

月面巡视器在月面上的“巡视”依靠控制与驱动组件对整车所有活动部件的运动控制,控制与驱动机构组件其实就是巡视器的大小脑,其需要完成信息采集、控制算法、故障判断与处理、功率驱动、信息交互、数据备份等功能来实现运动控制。传统航天器靠运动控制类单机来实现运动控制,1台单机多能控制4个活动部件,而嫦娥三号月面巡视器仅用1.6千克的单机重量、7瓦功耗就实现了对多套机构的闭环驱动控制。

此外,传统航天器的控制电路普遍都要使用码盘,传统码盘根本无法适应月面上极端恶劣的温度环境,为此,设计师们创造性地设计了一种多传感器数据融合及处理复用技术,难题迎刃而解。

密封圈

让月尘无孔可入

为适应月球表面从-180度到150度的“恶劣”环境,设计师们经过硬度、磨耗系数等数项测试,终于找到了合适的密封圈材料。

月面巡视探测器移动分系统、结构机构分系统共有六种不同尺寸的活动关节需要防尘密封,设计师们针对各关节对防尘密封圈的技术要求,再分别试验考察密封圈的高低温适应性、摩擦阻力矩、耐磨性、寿命等性能,终交出了一份满意答卷——主副唇双密封层的创新设计、双密封圈串联安装、密封唇过盈量优化,确保了防尘密封效果。

本版文字胡芳芳刘子仙陶礼炫潘佳音王涛

原标题:媒体解析玉兔月球车:小身板大载荷“机关”重重

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稿源:中新

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