王 康，辛鵬飛，王 儲，潘 博

(北京空間飛行器總體設(shè)計部空間智能機器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點實驗室，北京 100094)

0 引 言

載人登月是實現(xiàn)人類星際航行的第一步,建設(shè)月球基地更是實現(xiàn)人類移民外星球夢想的基石[1]。近年來,載人登月再次成為國際熱點,美國、俄羅斯及日本均提出了月球基地建設(shè)規(guī)劃[1-3]。載人登月任務(wù)的主要科學(xué)目標是能夠獲取更加豐富的月面資源信息和開展更加深入的科學(xué)研究和技術(shù)驗證,而載人月面移動系統(tǒng)能夠顯著擴大航天員在月面的探測范圍,因此無論是月面短期駐留還是長期的月球基地建設(shè)和運營,載人月面移動系統(tǒng)都是提高月球探測效率必不可少的重要工具[4]。

同時,為保證載人月面移動系統(tǒng)成功登陸月球,需進行軟著陸,通常有效的軟著陸方式是隨著陸器實現(xiàn)軟著陸,如美國“阿波羅”計劃的載人月球車、中國嫦娥三號的玉兔一號月球車[5-6]等。目前,航天器主要采用著陸緩沖腿、緩沖氣囊和制動發(fā)動機3種方式實現(xiàn)軟著陸[7],如中國嫦娥五號探測器和祝融號火星車采用著陸緩沖腿方式、美國“機遇”火星車采用緩沖氣囊方式、美國“毅力”火星車采用“天空起重機”的發(fā)動機制動方式。國際上尚無星球車采用移動系統(tǒng)直接實現(xiàn)緩沖軟著陸案例,主要是由于目前的無人星球車移動速度較慢(不超過0.2 km/h),移動系統(tǒng)本身無彈性阻尼緩沖系統(tǒng);但對于載人月面系統(tǒng),一般要求移動速度較高(高于10 km/h以上),移動系統(tǒng)本身必須具有彈性阻尼系統(tǒng),所以采用包括懸架在內(nèi)的移動系統(tǒng)自身實現(xiàn)軟著陸成為可能,且更有利于移動系統(tǒng)整體的輕量化設(shè)計。目前已有多個研究機構(gòu)提出了移動式著陸器的概念設(shè)計,由移動系統(tǒng)實現(xiàn)月面軟著陸,如美國波音公司提出的火星貨運著陸器(MCL)[8],中國空間技術(shù)研究院提出的輪腿式可移動載人月面著陸器[9]等。本文根據(jù)載人月面移動居住艙著陸緩沖和大范圍移動的需求,提出了一種可調(diào)姿、變阻尼著陸行進一體化移動系統(tǒng),既可以實現(xiàn)大沖擊著陸緩沖,又可以在月面實現(xiàn)快速平順移動。

1 載人月面移動系統(tǒng)需求分析

載人月面移動系統(tǒng)按照服務(wù)對象分類可歸結(jié)為非增壓式和增壓式兩大類[10-11]。對于無增壓的敞篷式載人月面移動系統(tǒng),航天員身穿航天服操控移動系統(tǒng),受航天服供給能力的限制,移動系統(tǒng)活動范圍受限;而對于增壓式載人月面移動系統(tǒng),航天員不必穿航天服可直接在增壓艙內(nèi)操控移動系統(tǒng),可有效擴大其月面移動范圍。

本文重點針對增壓式載人月面移動系統(tǒng),其具備保障2名航天員的月面駐留功能。整體系統(tǒng)質(zhì)量達6 000 kg以上,主要由居住艙體和移動系統(tǒng)兩大部分組成,如圖1所示,移動系統(tǒng)每個車輪連接的懸架具有升降功能,可實現(xiàn)艙體的姿態(tài)調(diào)整。整器著陸時,需要由移動系統(tǒng)實現(xiàn)緩沖軟著陸;著陸完成后,航天員登陸居住艙實現(xiàn)最大速度10 km/h的平順性移動。

圖1 載人月面移動系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the manned lunar surface mobile system

增壓式載人月面移動系統(tǒng)需負載/搭載多種科學(xué)載荷,著陸時應(yīng)滿足載荷不受損壞;著陸后通過姿態(tài)調(diào)整保證與著陸器對接精度,以便于航天員由著陸器順利轉(zhuǎn)移到居住艙體;載人行駛過程中最大速度為10 km/h,應(yīng)保證航天員行駛舒適性/平順性。綜合以上幾方面要求,確定載人月面移動系統(tǒng)功能要求如表1所示。

表1 移動系統(tǒng)性能要求Table 1 Performance requirements for the mobile systems

2 移動系統(tǒng)著陸行進一體化設(shè)計

2.1 移動系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述性能要求,開展移動系統(tǒng)設(shè)計。與特種地面車輛設(shè)計相比,載人月面移動系統(tǒng)具有以下特點:

1)月面重力環(huán)境與地面不同,移動性能(尤其是平順性等人因相關(guān)屬性)需要特殊設(shè)計與分析;

2)溫度、真空、月壤等工作環(huán)境不同,單機及部件設(shè)計需要滿足月面工作需要;

3)使用場景包括著陸緩沖和移動,需要針對短時、大行程、大沖擊懸架開展特殊設(shè)計,并進行分析驗證。

參考特種地面車輛設(shè)計理念,載人月面移動系統(tǒng)設(shè)計由前車橋系統(tǒng)和后車橋系統(tǒng)兩部分組成,如圖2所示,兩套車橋系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思路,技術(shù)狀態(tài)一致,直接安裝于居住艙體底部。每套車橋系統(tǒng)包括兩套左右對稱的著陸行進一體化懸架系統(tǒng)。

圖2 移動系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of the mobile system

通過4個懸架的升降功能可實現(xiàn)居住艙體的姿態(tài)調(diào)整,如圖3所示,可調(diào)整角度與懸架升降行程正相關(guān)。軸距L設(shè)計為3 300 mm,輪距B設(shè)計為3 400 mm,前后懸架同時調(diào)整時可實現(xiàn)俯仰調(diào)姿,調(diào)整行程為;L·tanα左右懸架同時調(diào)整時可實現(xiàn)偏航調(diào)姿,調(diào)整行程為B·tanβ。以5°的調(diào)姿要求為例,懸架升降不小于297.5 mm。

圖3 居住艙體姿態(tài)調(diào)整示意圖Fig.3 Diagram of attitude adjustment of the habitat

2.2 著陸行進一體化懸架系統(tǒng)設(shè)計

著陸行進一體化懸架系統(tǒng)需要兼容著陸和行駛兩類區(qū)別很大的工作狀態(tài)。著陸時,因受到大沖擊力作用,懸架行程大,但作用時間很短;行駛是懸架工作常態(tài),其懸架行程和動載荷遠小于著陸狀態(tài),但需要滿足移動平順性要求。根據(jù)任務(wù)需求,懸架系統(tǒng)設(shè)計由懸架單元和金屬彈性車輪兩部分組成,如圖4所示。

圖4 著陸行進一體化懸架組成Fig.4 Composition of the landing-moving integrated suspension

其中,懸架單元的組成和原理如圖5所示。懸架采用雙橫臂形式,下橫臂連接彈簧彈性元件,上橫臂轉(zhuǎn)動副連接摩擦式減振器阻尼元件。整體主要由調(diào)姿組件、轉(zhuǎn)向組件和驅(qū)動組件3大部分組成。各部分設(shè)計如下:

圖5 懸架單元組成Fig.5 Composition of the suspension unit

1)調(diào)姿組件由調(diào)姿電動缸、彈簧、上下橫臂組成,其中調(diào)姿電動缸通過導(dǎo)軌推動彈簧的上連接件移動,從而由彈簧的下連接件推動懸架下橫臂擺動,實現(xiàn)整個懸架的上下擺動;

2)轉(zhuǎn)向組件由轉(zhuǎn)向電動缸、轉(zhuǎn)向拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)組成,其中轉(zhuǎn)向拉桿兩端由球副分別連接轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向電動缸,轉(zhuǎn)向電動缸通過導(dǎo)軌推拉轉(zhuǎn)向拉桿移動,從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)動;

3)驅(qū)動組件由萬向節(jié)、車輪轉(zhuǎn)接件組成,通過萬向節(jié)驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)接件轉(zhuǎn)動。

根據(jù)懸架系統(tǒng)設(shè)計狀態(tài),懸架單元能夠以標稱態(tài)位置為基礎(chǔ)可實現(xiàn)車輪向上調(diào)70 mm,向下調(diào)330 mm,如圖6所示,調(diào)姿總行程400 mm,大于實現(xiàn)移動系統(tǒng)5°調(diào)姿要求的297.5 mm行程的要求。

圖6 懸架單元調(diào)姿狀態(tài)Fig.6 Suspension unit in attitude adjustment state

懸架系統(tǒng)中,摩擦式減振器設(shè)計為可隨懸架姿態(tài)調(diào)整摩擦阻力矩大小。為實現(xiàn)這一設(shè)計目標,采用碟片彈簧組合方式實現(xiàn)其非線性阻尼特性。當懸架處于標稱狀態(tài)附近時,摩擦力矩較小,適用于移動系統(tǒng)行駛移動;當隨著懸架下調(diào)車輪時(設(shè)計使用下調(diào)330 mm狀態(tài)),摩擦阻力矩逐漸增大,更利于移動系統(tǒng)在著陸時以大摩擦力矩和大行程耗散沖擊能量,起到緩沖、軟著陸作用。

考慮月面特殊環(huán)境,車輪設(shè)計為雙輪面一體化結(jié)構(gòu),保證車輪使用壽命。為滿足強度、剛度和質(zhì)量要求,車輪采用金屬彈性車輪,如圖7所示,模擬地面雙輪胎結(jié)構(gòu),車輪由彈簧鋼片成形雙輪輞連接于鋁合金輪轂,并由輪刺連接雙輪輞,既增加整個車輪的側(cè)向剛度又提高車輪與月壤間的附著系數(shù),同時顯著降低了車輪質(zhì)量。

圖7 金屬彈性車輪結(jié)構(gòu)組成Fig.7 Structure of metal elastic wheels

3 移動系統(tǒng)分析模型建立與分析

3.1 懸架參數(shù)建模與分析

移動系統(tǒng)共有4套懸架,以單套懸架(1/4車體)建立簡化多自由度力學(xué)分析模型,如圖8所示,其中m1為簧上質(zhì)量(1/4車體質(zhì)量),k1為懸架彈簧剛度,c1為減振器摩擦阻尼,m2為車輪質(zhì)量(簧下質(zhì)量),k2為車輪剛度,x1和x2分別是m1和m2的獨立位移,Fc1為減震器摩擦阻尼力。

圖8 單懸架力學(xué)模型Fig.8 Single suspension mechanical model

移動系統(tǒng)著陸或行駛時的單懸架力學(xué)關(guān)系如下:

(1)

(2)

根據(jù)地面車輛設(shè)計經(jīng)驗,懸架偏頻范圍通常為1～1.5 Hz,阻尼比范圍為0.2～0.4[12]。結(jié)合懸架調(diào)姿行程和緩沖行程,確定懸架偏頻為1.16 Hz,簧下質(zhì)量為50 kg,簧上質(zhì)量為1 450 kg,由此確定懸架剛度77 000 N/m;確定阻尼比為0.3,行駛動行程為40 mm,行駛時懸架阻尼力為700 N。

綜合考慮著陸緩沖和行駛需求,最終確定的著陸行進一體化懸架的力-位移曲線如圖9所示,懸架位移為0時是指懸架下調(diào)極限狀態(tài)(如圖6(a)),此時減振器產(chǎn)生的摩擦阻力為最高8 000 N,著陸過程中隨著懸架位移的增加,摩擦阻力逐漸降低,彈簧力逐漸增加,可使二者合力以較小斜率增加,保護懸架承載安全。著陸完成后,可由調(diào)姿組件將懸架調(diào)整到減振器處于低位力矩的位置,此時對應(yīng)懸架阻尼力700 N,保證行駛平順性。圖10為懸架阻尼力隨懸架位移的變化曲線,圖11為減振器扭矩隨上橫臂擺角的變化曲線。

圖9 懸架單元力-位移曲線Fig.9 Force-displacement curve of the suspension unit

圖10 減振器扭矩隨上橫臂擺角的變化曲線Fig.10 Curve of the absorber torque with the upper transverse swing angle

圖11 懸架阻尼力隨懸架位移的變化曲線Fig.11 Curve of suspension damping force with suspension displacement

3.2 平順性建模與分析

建立了載人月面移動系統(tǒng)七自由度平順性仿真計算模型。該模型將車架與上裝簡化為一個剛體(車身,又稱簧上質(zhì)量),4個車輪簡化為質(zhì)點(簧下質(zhì)量),車輪與車身之間有懸架彈性元件和阻尼元件相連。如圖12所示。考慮簧上質(zhì)量的豎直方向的位移和俯仰、側(cè)傾兩個轉(zhuǎn)動,共3個自由度。4個簧下質(zhì)量為集中質(zhì)量,只考慮其豎直方向的位移。

圖12 移動系統(tǒng)多自由度振動模型Fig.12 Multi-degree-of-freedom vibration model of the mobile system

(3)

考慮到金屬車輪阻尼很小,根據(jù)多自由度系統(tǒng)隨機激勵理論,式(3)通過傅里葉變換可以求得4個車輪對應(yīng)的功率譜矩陣SQQ(ω),如下:

SQQ(ω)=C0(ω)+G(ω)

(4)

式中:C0(ω)為相干矩陣;G(ω)為路面高程的功率譜。根據(jù)路面不同,C0(ω),G(ω)有不同的表達形式。由車輪功率譜矩陣,進而可以獲得駕駛員處加速度和加權(quán)加速度均方根值。同時,根據(jù)理論公式,能夠開展懸架與車輪間最大位移、各輪相對動載等參數(shù)設(shè)計。

圖13為戈壁路面下駕駛員處的加速度均方根值隨車速的變化,結(jié)果表明駕駛員處的加速度均方根值不大于0.3 m/s2,滿足平順性許用值要求。

圖13 駕駛員處加速度均方根值Fig.13 Root mean square value of acceleration at the driver

4 移動系統(tǒng)仿真分析

為了驗證移動系統(tǒng)著陸行進一體化懸架方案設(shè)計的有效性,本文使用Adams軟件建立移動系統(tǒng)高精度的動力學(xué)數(shù)值仿真模型,對移動系統(tǒng)著陸緩沖和行駛平順性等典型工況進行動力學(xué)仿真。移動系統(tǒng)動力學(xué)模型的主要參數(shù)設(shè)置為:移動系統(tǒng)的軸距為3 300 mm,輪距為3 400 mm,總質(zhì)量為6 000 kg(包括艙體和移動系統(tǒng)),懸架剛度77 000 N/m,阻尼比為0.3,懸架單元力-位移曲線滿足圖9設(shè)計約束。

4.1 著陸緩沖仿真分析

移動系統(tǒng)著陸緩沖過程為:移動系統(tǒng)以一定高度和水平速度自由下落與8°斜坡月面接觸,通過懸架吸能完成移動系統(tǒng)的著陸緩沖。調(diào)整移動系統(tǒng)初始下落高度,使得移動系統(tǒng)自由落體、觸碰瞬間垂直下落速度為2.5 m/s,水平速度設(shè)置為0.5 m/s,移動系統(tǒng)與月面摩擦系數(shù)設(shè)置為0.8(考慮車輪沉陷增加摩擦系數(shù)),重力加速度為月面低重力環(huán)境1.63 m/s2,仿真時間為5 s,仿真步長為0.001 s。

移動系統(tǒng)著陸緩沖仿真過程如圖14所示。隨著著陸緩沖過程進行,移動系統(tǒng)四輪先后完成著陸,并在設(shè)計行程內(nèi)完成緩沖,未發(fā)生傾覆和側(cè)翻。仿真結(jié)果表明,移動系統(tǒng)可以適應(yīng)最惡劣的8°斜坡著陸緩沖工況。

圖14 移動系統(tǒng)8°斜坡工況著陸緩沖仿真過程Fig.14 Simulation of landing buffer under 8° slope condition of the mobile system

著陸緩沖過程車體質(zhì)心豎直方向加速度仿真結(jié)果如圖15所示,從中可以得到著陸緩沖過程中車體在豎直方向上最大加速度為10.35 m/s2。

在教育領(lǐng)域，核心素養(yǎng)概念的提出給傳統(tǒng)教育理念帶來很大轉(zhuǎn)變，很多國家組織哲學(xué)、社會學(xué)和教育學(xué)等方面的專家和學(xué)者，力圖改變以往重視教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容的傳統(tǒng)教學(xué)理念，開始探究核心素養(yǎng)理念下的高等教育新模式構(gòu)建，以達到提升教育教學(xué)質(zhì)量的最終目的。

圖15 8°斜坡工況著陸緩沖下的車體質(zhì)心加速度Fig.15 Centroid acceleration of vehicle body landing under 8° slope condition

4.2 行駛平順性仿真分析

車輛行駛平順性是車輛行駛動力學(xué)的重要研究內(nèi)容之一,它是指車輛以正常車速行駛時能保證乘坐者不致因車身振動而產(chǎn)生不適和疲乏并能保持運載貨物完整無損的性能。平順性評價有客觀評價法和主觀評價法,本文中采用客觀評價法,即通過對有關(guān)數(shù)據(jù)分析并與相關(guān)標準比較來進行評價。文獻[13]中規(guī)定,當人體總加權(quán)加速度均方根值小于0.315 m/s2時,人的主觀感覺是“沒有不舒服”,即滿足平順性要求。其中加權(quán)加速度的計算公式為

(5)

(6)

式中:aRMS為質(zhì)心處總加速度均方根值;aX為質(zhì)心處X軸加速度均方根值;aY為質(zhì)心Y軸加速度均方根值;aZ為質(zhì)心處Z軸加速度均方根值;aw為座椅處總加速度均方根值。

對于移動平順性指標,當前缺乏車輛在月表上的行駛信息。戈壁路面地形地勢與月表近似,因此常被用于評估月面移動平順性。以圖16所示戈壁路譜為仿真輸入條件,進行移移動系統(tǒng)平順性仿真分析。

圖16 戈壁路譜Fig.16 Gobi road spectrum

對于1.5 m/s的移動速度,進行170 s的平順性仿真,車體質(zhì)心在3個方向上的加速度仿真結(jié)果如圖17所示。

通過Adams/PostProcessor后處理工具可得到質(zhì)心處各軸加速度均方根值,根據(jù)式(3)、式(4)計算得到10 km/h行駛工況下座椅處總加速度均方根值為0.269 m/s2。因此,載人月面移動系統(tǒng)設(shè)計方案滿足乘員座椅支撐面加權(quán)加速度均方根值不大于0.315 m/s2的平順性許用值要求。

5 移動系統(tǒng)試驗驗證

移動系統(tǒng)試驗驗證的總體思路是在地面重力下,完成試驗與仿真的數(shù)據(jù)對比驗證,驗證仿真方法的有效性。試驗驗證共包括著陸緩沖試驗和平順性試驗兩部分。

5.1 著陸緩沖試驗驗證

移動系統(tǒng)的著陸緩沖總體方案設(shè)計如圖18所示,由懸吊解鎖裝置、配重工裝、移動系統(tǒng)、土槽(內(nèi)置模擬月壤,反映月壤特性)組成,由懸吊裝置起吊移動系統(tǒng)距離模擬月壤一定高度,然后解鎖懸吊裝置(電磁鐵斷電釋放),移動系統(tǒng)自由著陸在土槽內(nèi)。土槽需要滿足安全性要求,同時確保著陸試驗后不會產(chǎn)生模擬月壤堆積現(xiàn)象。著陸過程中可由工裝上的加速度測點監(jiān)測沖擊加速度,由高速相機監(jiān)測移動系統(tǒng)的著陸緩沖過程。

以質(zhì)量為6 000 kg的移動系統(tǒng)為例,當以2.5 m/s垂直速度和0.5 m/s水平速度著陸時,緩沖總能量為19 500 J;地面試驗狀態(tài)下,著陸高度為1.2 m,因此配重后地面試驗移動系統(tǒng)質(zhì)量設(shè)計為2 000 kg,緩沖總能量達23 520 J,緩沖能量可包絡(luò)月面著陸總能量。

圖19為地面移動試驗系統(tǒng)著陸緩沖現(xiàn)場圖片,著陸過程中質(zhì)心加速度曲線如圖20所示,最大加速度為59.7 m/s2。

圖19 移動系統(tǒng)著陸緩沖Fig.19 Mobile system landing buffer

圖20 著陸高度1.2 m質(zhì)心加速度信號Fig.20 Centroid acceleration signal at landing altitude of 1.2 m

對地面著陸緩沖試驗進行了相同條件的仿真分析,仿真分析獲得的車體質(zhì)心豎直方向加速度曲線如圖21所示,其極值為63.6 m/s2,與試驗值相對誤差為6.53%,驗證了設(shè)計和仿真的準確性。

圖21 著陸高度1.2 m仿真質(zhì)心加速度Fig.21 Simulated centroid acceleration at landing altitude of 1.2 m

5.2 平順性試驗驗證

平順性試驗通過將路面高程功率譜曲線加載至車輪四輪,驗證載人月面移動系統(tǒng)在類似地球重力下的月面路譜以最大速度10 km/h行駛時,上裝駕駛員處加速度均方根值不高于0.3 m/s2。

根據(jù)NASA公布的三種月表高程功率譜曲線,所得到的3種月表的高程不平度時域曲線,進行地面道路模擬實驗。3種道路不平度輸入如圖22所示。

圖22 月面高程功率譜轉(zhuǎn)化的幾何高程曲線Fig.22 Geometric elevation curves transformed from lunar elevation power spectrum

施加10 km/h行駛速度條件,并提取左后簧上位置加速度響應(yīng)進行對比分析。試驗與仿真曲線如圖23～圖25所示,結(jié)果表明實測值與仿真值誤差小,峰值誤差不超過7.3%,驗證了設(shè)計和仿真的準確性。

圖23 平坦月面平順性對比結(jié)果Fig.23 Comparison results of smoothness on the flat lunar surface

圖24 崎嶇月面平順性對比結(jié)果Fig.24 Comparison results of smoothness on the rough lunar surface

圖25 高地月面平順性對比結(jié)果Fig.25 Comparison results of smoothness on the highland lunar surface

6 結(jié) 論

本文提出一種可適用于載人登月的月面移動系統(tǒng)著陸行進一體化設(shè)計方案,懸架系統(tǒng)采用雙橫臂懸架構(gòu)型和變阻尼摩擦式減振器,有效兼顧大沖擊著陸緩沖和移動平順性要求。當移動系統(tǒng)準備著陸前,懸架調(diào)整到車輪下調(diào)330 mm的狀態(tài),減振器處于高位摩擦力矩狀態(tài),著陸時由懸架大行程和大摩擦力矩耗散能量;當移動系統(tǒng)著陸后由航天員駕駛行駛時,懸架調(diào)整到標稱狀態(tài),減振器處于低位摩擦力矩狀態(tài),可保證行駛的平順性。理論建模、仿真分析和試驗驗證了所提出方案的合理性和有效性:月面相當于1/6地面重力加速度環(huán)境中,以戈壁路路譜仿真行駛平順性指標優(yōu)于0.315 m/s2,著陸緩沖質(zhì)心加速度不超過1.06倍地面重力加速度;并完成了地面移動系統(tǒng)樣機的1.2 m高著陸緩沖試驗和平順性試驗,通過仿真與試驗的對比,驗證了仿真結(jié)果的有效性。