王宇燕

（中國北方車輛研究所 信息中心，北京100072）

0 引言

世界各航天大國均重視對行星表面的探測。利用行星表面巡視探測車（漫游機器人），可完成對行星表面的地形地貌實地勘測[1]。前蘇聯(lián)最早將月球車送上月球，而美國不僅實現(xiàn)了載人登月，而且還開展了一系列的火星表面巡視探測。國內(nèi)相關(guān)研究開展較晚，但也掀起了行星表面巡視探測車的關(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。

作者對國外的月球車和火星車進行了跟蹤調(diào)研，重點考察了歐洲空間局（ESA）的“火星快車”探測器項目[2]，其中探測器的底盤設(shè)計由俄羅斯承擔(dān)。本文對“火星快車”（以下稱火星車）自行底盤概念的設(shè)計思想和具體實施情況進行了深入分析。

1 火星車的運動性能考慮

火星車在任務(wù)、功能、結(jié)構(gòu)、控制方法等主要方面與月球車有很多相似之處[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，這種松軟細密的風(fēng)化層很容易使月球車車輪打滑，從而失去牽引作用，甚至陷入月壤無法前行[3]。因此，月球車要完成預(yù)定的探測任務(wù)，就必須要有良好的運動性能，包括越障性能、爬坡性能、通過性能、抗傾覆性能以及地形適應(yīng)性能等[4]。同樣，火星車在火星表面不同地形地貌上移動并完成預(yù)定的探測任務(wù)，須考慮與月球車一樣的共性問題。

火星車的運動性能與其底盤設(shè)計密切相關(guān)。在考慮火星車底盤方案類型時，最重要的因素是車輪在火星疏松土壤上的支撐通過性能和在火星復(fù)雜崎嶇表面（如巖石障礙）的幾何通過性能[5]?；鹦擒嚨妆P方案設(shè)計應(yīng)考慮在滿足幾何通過性能要求的基礎(chǔ)上，最大限度地提高火星車的支撐通過性能[6]。為了確保火星車對火星表面的適應(yīng)性和巡視探測任務(wù)的成功，除了提高其各項運動性能外，這些性能具有高可靠性同樣至關(guān)重要。

2 火星車底盤方案的初步考慮

2.1 底盤類型的選擇

火星車的底盤主要有輪式底盤和履帶式底盤兩種類型。履帶式推進裝置具有較高的牽引能力，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其與輪式底盤相比效率較低，而且可靠性較差。因此，優(yōu)先選擇輪式底盤方案。

2.2 推進裝置的選擇

為提高火星車底盤輪子的牽引能力，俄羅斯車輛運輸研究所經(jīng)過廣泛而深入的研究，開展了理論仿真和地面試驗，提出了輪式-跨步組合形式的推進裝置。

盡管這種新的推進裝置比輪式推進裝置略重些（因為它增加了一個額外的驅(qū)動器），但能使車輪相對于底盤本體作縱向位移。通常，行星車在發(fā)射飛行中是折疊放置到緊湊的運輸艙中，當著陸到行星表面上后，它才會展開成工作姿態(tài)，而展開動作就要用到一些特殊的展開驅(qū)動機構(gòu)。輪式-跨步推進裝置中的展開功能由跨步驅(qū)動執(zhí)行，不再需要額外的機構(gòu)，避免了質(zhì)量的增加。因此，“火星快車”項目中的火星車演示樣機優(yōu)先選用了這個方案，如圖1所示。

圖1 “火星快車”項目的火星車樣機Fig. 1 Model prototype of rover for Mars Express program

2.3 輪式方案的選擇

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

3 火星車的底盤結(jié)構(gòu)方案

3.1 懸掛方案

影響“火星快車”的通過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，則其通過性能就越好。

輪子的自行底盤設(shè)計受到了極大的限制，因為它要求將整個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[7]。

可以采用的有非獨立彈性懸掛和平衡式非彈性懸掛兩種方案。

1）非獨立彈性懸掛方案

非獨立彈性懸掛方案的結(jié)構(gòu)非常簡單，蘇聯(lián)和美國最早的月球車采用的都是這種方式。但是，這種懸掛方式有其自身的缺陷：當車沿著復(fù)雜的路面行走時，所懸掛的彈性元件并不能確保輪子承受常量載荷。此外，當車爬坡的時候，這種懸掛方式還降低了車行的穩(wěn)定性。為了克服這些缺點，俄羅斯車輛運輸研究所對火星車進行了改進設(shè)計，研制出IARES 模型樣機（圖2），采用專門的驅(qū)動機構(gòu)以改變懸掛彈性元件的受力狀態(tài)。當然，改進設(shè)計會使結(jié)構(gòu)變得愈加復(fù)雜，相應(yīng)也會增加質(zhì)量。

圖2 IARES 模型樣機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所懸掛的元件改變輪子的運動關(guān)系，從而平衡每個車輪的承載情況。這種懸掛方案在4×4輪式底盤中實現(xiàn)起來比較簡單，而在6×6輪式底盤中就較為復(fù)雜。綜合考慮各方面的因素，研究人員認為平衡式非彈性懸掛方案適用于“火星快車”。

3.2 自行底盤的組合方案

最初研究和分析時，考慮有以下幾種自行底盤的組合方案：

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的組合方案（C型）。

每個組合方案中的第 3個數(shù)字表示裝的轉(zhuǎn)向驅(qū)動的車輪數(shù)量，而符號“＋4ш”表示有 4個跨步驅(qū)動器。

А型和 В型自行底盤的每一側(cè)輪子成對地裝在一根縱向平衡的拉桿上，用同步機構(gòu)附加聯(lián)動，而同步機構(gòu)可保證平衡構(gòu)件相對于車架向相反方向旋轉(zhuǎn)同樣的角度。每個車輪都配有單獨的轉(zhuǎn)向驅(qū)動機構(gòu)。

B型方案的每個輪子還另配裝了跨步驅(qū)動器，而A型方案沒有。圖3所示的是B型自行底盤的各種姿態(tài)：а、b、с分別為車體標定、車體升高后和車體降低時的姿態(tài)；d 為跨步時的姿態(tài)；е為沿崎嶇不平路面行駛的姿態(tài)；f為在運輸時的姿態(tài)；g、h、i均為工作時的姿態(tài)。

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

圖3 B型自行底盤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型自行底盤的技術(shù)特性比較。

表1 3種自行底盤方案的技術(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型組合方案的進一步優(yōu)化

為了提高“火星快車”的通過性能，對 C型組合方案的懸掛結(jié)構(gòu)作進一步改進設(shè)計。

平衡式非彈性懸掛的理想狀態(tài)是，不僅要確?；鹦擒囋谄教沟穆访嫔闲旭倳r每個輪子上所承受的載荷均勻，而且在復(fù)雜的路面上行駛時所承受的載荷同樣要均勻。

圖5所示的是6×6輪式火星車逾越障礙物的受力情形。

越過障礙物的理想條件是：φ3(φ1Pz1＋φ2Pz2)≥Pz3。當φ1=φ2=φ3時，懸掛方式已確保輪子在任意垂直方向上φ≥0.7移動時能實現(xiàn)Pz1≈Pz2≈Pz3，也就是說如果附著系數(shù)大于0.7，在均勻的土壤上越障，有可能實現(xiàn)輪子均勻承載。但是實際情況如圖 5 所示的情形，即輪子在沿崎嶇不平的路面勻速行駛的時候，有一個縱向移動的分運動，這個運動會讓輪子承受的載荷重新分布，使得Pz2的值極大地減小；當Pz2接近0的時候，越障條件是φ≥1?；鹦巧献畹湫偷脑秸锨闆r是凸出的石頭，此時的越障條件應(yīng)為φ1＜0.4～0.5[7]。為了越過障礙，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到的。

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

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

4 模型樣機的試驗研究

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

在樣機研制中，所采用的方案沒有配裝跨步驅(qū)動器，而是用專門的離合器來替代，以模擬跨步驅(qū)動器的功能。

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

ExoMaDeR模型樣機在ESTEC的試驗場進行了試驗，驗證結(jié)果表明：其全負載情況下的通過性能甚至比無負載下的通過性能尤其是穩(wěn)定性還要好[8]，也沒有出現(xiàn)輪子縱向移動。由此可見，自行底盤概念設(shè)計的思想是正確的。

5 結(jié)束語

行星車在復(fù)雜地形中的運動能力、穩(wěn)定性和可靠性，將直接影響深空探測項目的成敗[9]。2013年，我國按計劃將發(fā)射月球車，開展月面巡視探測。在此基礎(chǔ)上，我國還將制定和實施火星探測計劃。為了確保巡視探測任務(wù)的成功，廣泛地吸納國外的成功經(jīng)驗尤為重要。

通過對“火星快車”自行底盤設(shè)計思路的跟蹤調(diào)研與分析，得出了一些基本結(jié)論，這些工作可為我國開展行星車的進一步研究提供參考。針對我國深空探測項目實施的需求，應(yīng)在以下幾個方面開展工作：

1）車輪土壤支撐通過能力的理論研究和試驗驗證研究；

2）以單側(cè)車輪負載均衡化為設(shè)計目標的行走構(gòu)型的研發(fā)；

3） 深空探測行星車專用部件的模塊化設(shè)計研究，以利于根據(jù)不同的探測任務(wù)實現(xiàn)功能的快速組合；

4）具有整車折疊的跨步機構(gòu)的研究，以提高車輛通過性能。

（References）

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[9]陳世榮. 搖桿-轉(zhuǎn)向架式月球車月面通過性能研究[D].合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文, 2009