楊曉青，羅小桃，劉殿富，2，王衛(wèi)軍，3

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109；2.上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201108；3.中國航天科技集團(tuán)有限公司空間結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，上海201108)

1 引言

移動(dòng)系統(tǒng)在月球表面，與在地球表面行走差異較大，主要是因?yàn)榈厍蛲寥琅c月壤在力學(xué)特性的差異所致。為真實(shí)模擬月球車在軌工作環(huán)境和狀態(tài)，需要在地面建立一套有效的試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，進(jìn)行車輪與月壤接觸特性的模擬、月面著陸區(qū)地形的三維重構(gòu)、月球車地面行走時(shí)1/6g低重力狀態(tài)的模擬、月球車從著陸器上可靠分離至月面的全過程模擬、移動(dòng)系統(tǒng)在月面地形通過性測(cè)試等，保證月球車試驗(yàn)的充分性、有效性和可靠性，從而正確評(píng)估月球車的性能和在軌工作能力。

20世紀(jì)70年代，俄羅斯的無人探測(cè)器和美國的載人登月車登上月球，20世紀(jì)末和21世紀(jì)初，美國多輛火星巡視器登陸火星。國內(nèi)地外天體巡視器的試驗(yàn)移動(dòng)系統(tǒng)地面試驗(yàn)技術(shù)將是全新自主的嘗試。本文對(duì)月球車移動(dòng)系統(tǒng)研制過程中進(jìn)行的所有地面測(cè)試和評(píng)價(jià)設(shè)備、方法進(jìn)行總結(jié)，從溫度、密封、壤力學(xué)性能、非結(jié)構(gòu)化地形地貌、低重力模擬、釋放分離、移動(dòng)功能與性能等方面開展試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 月球環(huán)境及試驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)狀分析

月球月晝和月夜的溫差高達(dá)300℃以上，移動(dòng)系統(tǒng)在無任何主動(dòng)熱控措施的情況下需承受300℃以上的溫差。目前空間機(jī)構(gòu)的環(huán)境溫差均小于月球環(huán)境，因此需要研制新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備以適應(yīng)新的溫差范圍。

月球表面月塵帶靜電，極具吸附性，容易吸附在活動(dòng)部件的關(guān)節(jié)處，因此需要對(duì)活動(dòng)部件采取有效的防塵密封措施，提高移動(dòng)系統(tǒng)的壽命和效率。目前沒有針對(duì)高低溫和揚(yáng)塵環(huán)境下密封件的試驗(yàn)方法，需要新建試驗(yàn)方法，有效評(píng)價(jià)密封件的防塵效果。

作為月球車運(yùn)動(dòng)的載體，月壤是研究月球車移動(dòng)特性不可或缺的部分。如何將月壤的物理力學(xué)性能與模擬月壤的顆粒大小、粒徑級(jí)配、配置過程的擾動(dòng)程度、烘烤程度等幾何參數(shù)建立聯(lián)系，配備出符合工程要求的模擬月壤需要進(jìn)一步研究。

由于月表形貌的復(fù)雜性、月壤物理力學(xué)參數(shù)的離散性、非規(guī)則結(jié)構(gòu)輪與非規(guī)則化路面接觸面積的不確定性，因此需要結(jié)合仿真分析和豐富的經(jīng)驗(yàn)獲得準(zhǔn)確的移動(dòng)通過性參數(shù)，配合車輪臺(tái)架試驗(yàn)，建立一套易實(shí)現(xiàn)且可靠的輪壤作用特性地面驗(yàn)證系統(tǒng)。

月面為非結(jié)構(gòu)化路面，地形復(fù)雜多變，不同地形地貌下月球車的性能需要充分考核。同時(shí)由于不同區(qū)域月壤粒徑和力學(xué)性能差異，月球車的極限能力也不盡相同。因此地面需要構(gòu)建不同的極限地形進(jìn)行組合以考核月球車的在軌工作能力；需要根據(jù)指標(biāo)要求，采用地形典型化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)和劃分典型功能試驗(yàn)區(qū)相結(jié)合的方法，建立一套模擬月表非結(jié)構(gòu)化路面的地形地貌試驗(yàn)區(qū)域。

月球重力為地球的1/6，月球車地面各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)與在軌各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)之間的等價(jià)關(guān)系無法通過理論或經(jīng)驗(yàn)來評(píng)價(jià)。因此需要建立一套1/6g低重力平衡吊掛裝置，在移動(dòng)系統(tǒng)爬坡、越障、轉(zhuǎn)向等姿態(tài)連續(xù)變化或突變時(shí)，抵消移動(dòng)系統(tǒng)多余的5/6g的重力，從而評(píng)價(jià)地面試驗(yàn)的有效性。

由于著陸區(qū)的地形充滿未知可能，因此著陸器著陸后的姿態(tài)是不確定的，只能控制在一定的指標(biāo)范圍內(nèi)。地面需要對(duì)該指標(biāo)范圍內(nèi)的所有組合角度進(jìn)行模擬，建立一套著陸器模擬系統(tǒng)，模擬著陸后的不同的角度組合，從而開展移動(dòng)系統(tǒng)在不同姿態(tài)下的分離試驗(yàn)，驗(yàn)證分離能力。

月面環(huán)境復(fù)雜、地形多樣，移動(dòng)分系統(tǒng)在軌工作過程中每個(gè)動(dòng)作都涉及多種性能，地面需要考核的指標(biāo)多。試驗(yàn)設(shè)計(jì)中需要將性能指標(biāo)轉(zhuǎn)化為可測(cè)試的試驗(yàn)項(xiàng)目，測(cè)試中控制產(chǎn)品與環(huán)境狀態(tài)以保證測(cè)試結(jié)果與技術(shù)指標(biāo)的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，并對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的極限能力形成準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)。在軌工作時(shí)產(chǎn)品各性能都是相互作用的，地面測(cè)試獲得單一功能或性能的最大值并以少量參試樣本、有限試驗(yàn)次數(shù)充分驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性方案在國內(nèi)外暫無公認(rèn)的通用標(biāo)準(zhǔn)，均需根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際情況進(jìn)行分析，提出一系列具有科學(xué)依據(jù)并切實(shí)可行的試驗(yàn)方法。

3 可靠性試驗(yàn)技術(shù)的組成

月面巡視器移動(dòng)分系統(tǒng)需要驗(yàn)證的技術(shù)指標(biāo)繁多、驗(yàn)證復(fù)雜，為了真實(shí)可靠地模擬移動(dòng)分系統(tǒng)月面工作情況，地面試驗(yàn)系統(tǒng)圍繞在軌任務(wù)開展，移動(dòng)系統(tǒng)地面試驗(yàn)技術(shù)構(gòu)成見圖1。其主要包括月面極端溫差試驗(yàn)技術(shù)、密封件大溫差揚(yáng)塵環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)、月壤力學(xué)性能模擬技術(shù)、非結(jié)構(gòu)化地形地貌綜合模擬、月面輪壤作用地面試驗(yàn)技術(shù)、低重力環(huán)境模擬技術(shù)、釋放分離集成模擬技術(shù)、月面移動(dòng)功能與性能驗(yàn)證技術(shù)?？煽啃栽囼?yàn)按照先部件后系統(tǒng)的順序進(jìn)行。

3.1 月面極端溫差試驗(yàn)技術(shù)

結(jié)合材料學(xué)、熱學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、氣動(dòng)學(xué)等專業(yè)知識(shí)，同時(shí)對(duì)密封、熱、控制、結(jié)構(gòu)和整體布局等進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，研制一套長時(shí)間高效深冷環(huán)境模擬系統(tǒng)、一套超高真空環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面長時(shí)間極端溫度和超高真空熱環(huán)境的模擬，解決了移動(dòng)分系統(tǒng)產(chǎn)品月夜極端溫度適應(yīng)能力與超高真空環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證難的問題。

該深冷生存試驗(yàn)系統(tǒng)由深冷容器系統(tǒng)、斯特林制冷系統(tǒng)、冷水機(jī)組、氦氣冷量供給系統(tǒng)、氦氣補(bǔ)氣與抽氣系統(tǒng)、液氮供給系統(tǒng)、液氮回收系統(tǒng)、氣氮供給系統(tǒng)、真空泵抽氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。它主要有2大特點(diǎn)：

1)冷卻速度快。輻射冷卻的方式隨著物體間溫差的縮小，冷卻速率急劇減小，通常需要幾十個(gè)小時(shí)的時(shí)間才能降低到目標(biāo)溫度。且該目標(biāo)溫度受冷源液氮的限制以及有限時(shí)間內(nèi)存在有限溫差的限制，一般在-170℃以上。本系統(tǒng)則采用內(nèi)部非真空條件的工作模式，即在試驗(yàn)罐體內(nèi)部工作區(qū)域充注氦氣，除與熱真空罐相同的輻射換熱外，增加了氦氣在腔內(nèi)進(jìn)行自然對(duì)流和導(dǎo)熱的雙重強(qiáng)化傳熱效果，從而大大加快了對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品的降溫速度。研究表明，在27℃至-188℃的降溫過程中，降溫速率可保證大于 3℃/min，在-188℃至-205℃的降溫過程中，降溫速率也大于0.4℃/min。其直接效果是使得原先通過真空罐冷卻所需的時(shí)間縮短為幾十分之一。

2)工作溫區(qū)寬。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作溫區(qū)為-205～+100℃，通過內(nèi)置加熱籠的方式，高溫可以到達(dá)160℃。設(shè)計(jì)中除了布置液氮冷卻通路外，主要采用大制冷量斯特林制冷機(jī)為冷源，該制冷機(jī)可在-205℃提供1200 W制冷量，在-253℃提供200 W制冷量，這為系統(tǒng)擴(kuò)展至更低工作溫區(qū)提供了條件。同時(shí)斯特林制冷機(jī)中的循環(huán)系統(tǒng)保證了資源的有效利用，為長達(dá)15天的長時(shí)間深冷試驗(yàn)提供了保障。

移動(dòng)系統(tǒng)深冷高低溫存儲(chǔ)的溫度為+155～-190℃，移動(dòng)系統(tǒng)主要運(yùn)動(dòng)部件的溫度試驗(yàn)均在此高低溫箱中完成。這套試驗(yàn)系統(tǒng)的建立為移動(dòng)系統(tǒng)研制工作的順利開展提供了必要條件。

3.2 密封件大溫差揚(yáng)塵環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)

結(jié)合密封圈的工作環(huán)境，包括大溫差、真空和月塵吸附等，建立密封圈性能測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)包括密封圈安裝軸、揚(yáng)塵空間、密封圈和月塵收集器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。在揚(yáng)塵空間內(nèi)，有揚(yáng)塵機(jī)構(gòu)不斷將該區(qū)域內(nèi)的模擬月壤翻至密封件的密封部位，同時(shí)密封圈安裝軸與驅(qū)動(dòng)工裝連接，在測(cè)試過程中，密封圈安裝軸按照給定速度不停轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 防塵測(cè)試系統(tǒng)的主要組成Fig.2 Composition of dust prevention test system

在防塵能力測(cè)試時(shí)，將一整套測(cè)試設(shè)備全部置于高低溫箱中，保證密封件工作在不斷交變的溫度環(huán)境下。當(dāng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，密封圈轉(zhuǎn)過規(guī)定的圈數(shù)后，試驗(yàn)結(jié)束。此時(shí)將采集器從測(cè)試設(shè)備上拆下，用放大鏡觀察采集器上有無模擬月壤。如果在采集器上沒有發(fā)現(xiàn)模擬月壤，則說明密封件通過防塵功能測(cè)試，該密封件的材料、密封形式能夠滿足月面使用要求。

防塵測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)全面地測(cè)試了密封件的密封性能，將溫度因素、月塵的吸附特性、針對(duì)活動(dòng)部件防塵的特點(diǎn)、密封件的長壽命防塵等特點(diǎn)融為一體。原理清楚，測(cè)試方法正確，測(cè)試結(jié)果有效。

3.3 月壤力學(xué)性能模擬技術(shù)

模擬月壤制備時(shí)，采用同質(zhì)原料進(jìn)行模擬月壤的制備，重點(diǎn)分析粒徑分布對(duì)力學(xué)性能的影響，根據(jù)需求設(shè)計(jì)不同粒徑級(jí)配方法實(shí)現(xiàn)月壤力學(xué)性能的相似模擬。

根據(jù)需要制備了SNJ系列應(yīng)用于月面車輛力學(xué)基礎(chǔ)試驗(yàn)的多種模擬月壤，其性質(zhì)參數(shù)在月壤樣本的變化范圍之內(nèi)，見表1。

對(duì)月壤粒徑分布與承載特性進(jìn)行專項(xiàng)研究，分析得出粒徑分布對(duì)模擬月壤承壓性能影響大：粒徑粗且分布均勻的模擬月壤承壓能力強(qiáng)；相對(duì)粒徑越小、顆粒越均勻，承載能力越差[2]。根據(jù)現(xiàn)有資料，真實(shí)月壤中值粒徑分布為 44～130μm，根據(jù)需要，共研制了5種SNJ系列中值粒徑模擬月壤[3]。詳見表2，其中SNJ-2為大范圍測(cè)試用壤，其他為摸底試驗(yàn)用壤[4]。

表1 月壤及模擬月壤力學(xué)參數(shù)指標(biāo)Table 1 The mechanical parameters of lunar soil and simulated lunar soil

表2 SNJ系列模擬月壤的中值粒徑Table 2 The median diameter of SNJ series simulated lunar soil /μm

配備不同粒徑的模擬月壤，并對(duì)它們的物理特性進(jìn)行研究，從而建立模擬月壤的物理力學(xué)性能與粒徑大小、配置過程等幾何參數(shù)的關(guān)系，用以研究模擬月壤的承載特性，為后續(xù)的單輪臺(tái)架試驗(yàn)和移動(dòng)系統(tǒng)的綜合仿真和測(cè)試提供理論和物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.4 非結(jié)構(gòu)化地形地貌綜合模擬

根據(jù)探測(cè)器著陸區(qū)附近的地形，結(jié)合移動(dòng)分系統(tǒng)試驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)劃，將地形簡化為平地、斜坡、坑和障礙3種類型。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)的試驗(yàn)區(qū)面積大小，按照真實(shí)月表的坑和石塊的分布概率進(jìn)行估算，得出試驗(yàn)場(chǎng)中坑的個(gè)數(shù)、石塊直徑和數(shù)量。

試驗(yàn)場(chǎng)地按驗(yàn)證產(chǎn)品指標(biāo)項(xiàng)目進(jìn)行區(qū)域劃分，形成月表形貌綜合模擬試驗(yàn)室。試驗(yàn)室內(nèi)設(shè)有直線行駛區(qū)、固定斜坡區(qū)以及固定斜坡模擬塊、轉(zhuǎn)向區(qū)、越障區(qū)以及典型障礙模塊、V形坑區(qū)、可調(diào)斜坡區(qū)以及可調(diào)斜坡設(shè)備、綜合形貌區(qū)、不同模擬月壤下移動(dòng)性能摸底測(cè)試區(qū)等，如圖3所示。

月表形貌綜合模擬試驗(yàn)室中角度可調(diào)斜坡裝置可構(gòu)建5°～45°之間任意一個(gè)坡度值的斜坡，與典型障礙組合，可實(shí)現(xiàn)各種極限地形地貌快速構(gòu)建，用于進(jìn)行月球車的不同模擬月壤的極限坡度適應(yīng)能力、一定坡度下越障極限能力、一定障礙下最大坡度適應(yīng)能力的考核[5]。

圖3 月表形貌綜合模擬試驗(yàn)室圖Fig.3 Comprehensive simulation laboratory for lunar landform

通過地面輪壤試驗(yàn)測(cè)得，車輪擾動(dòng)深度不超過20 cm，因此月面形貌綜合模擬試驗(yàn)場(chǎng)地鋪設(shè)厚度為30 cm。在模擬月壤場(chǎng)地整備時(shí)，根據(jù)月壤密度垂直分布特點(diǎn)，逐層進(jìn)行模擬月壤初始鋪裝，以減少底部模擬月壤的容重不均勻現(xiàn)象，并模擬底部月壤的密實(shí)狀態(tài)。對(duì)表層模擬月壤進(jìn)行旋耕翻松處理，深度在150～200 mm范圍內(nèi)，模擬月表擾動(dòng)層在自然堆積下的疏松狀態(tài)。為避免外界干擾，使用專用整備平臺(tái)將鋪設(shè)的模擬月壤表面刮平后，通過散落法制備出不小于10 mm的極度松散模擬月壤淺表層，模擬月球表面散落月塵的自然狀態(tài)。模擬月壤初始鋪裝工藝流程見圖4。

圖4 模擬月壤鋪裝與整備流程Fig.4 The pavement and treatment of simulated lunar soil

場(chǎng)地鋪設(shè)完畢后，對(duì)模擬月壤疏松度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試設(shè)備如圖5所示，在一定重力載荷作用下，圓錐儀相對(duì)模擬月壤下沉一定的深度，通過測(cè)量桿上對(duì)應(yīng)的尺度，換算出該測(cè)試點(diǎn)模擬月壤疏松度[6]。

圖5 模擬月壤疏松度測(cè)試裝置Fig.5 The testing device for prosity of simulated lunar soil

在有限資源情況下模擬地形地貌，構(gòu)建出不同的極限地形組合以考核月球車的在軌工作能力。模擬月壤的鋪設(shè)方法，在國內(nèi)外沒有通用標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過模擬月壤疏松度測(cè)試能控制模擬月壤特性的一致性，從而提高移動(dòng)系統(tǒng)與輪壤相關(guān)的各項(xiàng)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

3.5 月面輪壤作用地面試驗(yàn)技術(shù)

車輪與月壤的接觸特性和承壓特性是月球車移動(dòng)系統(tǒng)在月面移動(dòng)的理論基礎(chǔ)，需研制滑移小、牽引力大、通過性強(qiáng)的車輪[7]。

基于輪壤作用動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)研制輪壤作用試驗(yàn)系統(tǒng)，通過高精度傳感器的合理布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，牽引力測(cè)量精度可達(dá)0.05 N；車輪沉陷量測(cè)量精度可達(dá)0.1 mm；車輪驅(qū)動(dòng)力矩的測(cè)量精度可達(dá)±0.5%FS，試驗(yàn)系統(tǒng)見圖6。

圖6 輪壤作用試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 The test system for interaction between wheel and soil

該輪壤作用試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能包括：

1)通過力矩傳感器的車輪載荷反饋，對(duì)車輪進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)加載；

2)精確設(shè)置車輪運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)控制試驗(yàn)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和前進(jìn)速度；

3)在車輪過坑、越障等過程中，加載臺(tái)隨車輪垂直位置的起伏自主跟隨和退讓；

4)配備各類精密傳感器，實(shí)時(shí)精確測(cè)量車輪的掛鉤牽引力、側(cè)向力、滑轉(zhuǎn)率、沉陷等參數(shù)；

5)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，并通過可視化曲線觀測(cè)特性參數(shù)的變化趨勢(shì)；

6)實(shí)時(shí)計(jì)算車輪的側(cè)偏性能、轉(zhuǎn)向性能、越障性能、爬坡性能、抗側(cè)滑性能等力學(xué)特性，用于模擬巡視器在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中克服幾何障礙而正常通過各種地面和地形的行駛能力。

通過建立該輪壤作用試驗(yàn)系統(tǒng)突破場(chǎng)地的限制，更加專注地研究車輪與模擬月壤之間的作用關(guān)系。利用模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行車輪多方案比較，再通過輪壤作用試驗(yàn)系統(tǒng)，從而獲得最優(yōu)的車輪構(gòu)型。

3.6 1/6g低重力環(huán)境模擬技術(shù)

月球車在月面工作時(shí)為1/6g低重力，因此地面需要模擬月球車運(yùn)動(dòng)時(shí)的低重力，才能更真實(shí)地模擬月面工作情況。移動(dòng)系統(tǒng)地面低重力模擬狀態(tài)如圖7所示。該低重力模擬裝置包括恒張力控制系統(tǒng)與吊掛位姿跟蹤子系統(tǒng)[8]。

通過恒張力控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)吊掛力的快速調(diào)整，該系統(tǒng)主要由收放吊索機(jī)構(gòu)、力控制機(jī)構(gòu)、定滑輪、傾角測(cè)量機(jī)構(gòu)、力傳感器、彈簧裝置以及吊掛工裝構(gòu)成。當(dāng)移動(dòng)分系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，引起吊索的擺動(dòng)，通過串聯(lián)在吊索中的力傳感器測(cè)出吊索的張力變化，給出力控制機(jī)構(gòu)中的電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)方向，改變平衡壓縮彈簧的變形量，從而實(shí)現(xiàn)吊索的恒張力控制。當(dāng)電動(dòng)缸的伸出或收縮長度達(dá)到一定值時(shí)，收放吊索機(jī)構(gòu)開始工作，收吊索或放吊索，完成吊索長度的調(diào)整[9-10]。恒張力控制吊掛裝置如圖8所示。

通過吊掛位姿跟蹤子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤，該系統(tǒng)由桁車平臺(tái)、7個(gè)二維跟隨小滑臺(tái)、吊掛伸縮調(diào)整裝置以及轉(zhuǎn)盤組成。

圖7 移動(dòng)分系地面低重力模擬狀態(tài)圖Fig.7 The ground simulation of low gravity for the mobile sub-system

圖8 恒張力控制吊掛裝置Fig.8 The hanging device for constant tension control

水平運(yùn)動(dòng)方向采用桁車與滑臺(tái)調(diào)節(jié)組合。桁車平臺(tái)采用縱向大車及橫向小車組合模式，保證水平方向大范圍運(yùn)動(dòng)的可達(dá)性。每個(gè)小滑臺(tái)由x、y方向2組高精度直線驅(qū)動(dòng)單元組成，作為小范圍運(yùn)動(dòng)的跟隨執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)快速精確的小范圍調(diào)整。豎直運(yùn)動(dòng)方向采用電動(dòng)缸和卷揚(yáng)設(shè)備調(diào)節(jié)，其中電動(dòng)缸滿足快速調(diào)節(jié)要求，卷揚(yáng)實(shí)現(xiàn)大范圍的可調(diào)。轉(zhuǎn)向通過安裝在桁車系統(tǒng)下滑臺(tái)上的轉(zhuǎn)盤完成，轉(zhuǎn)盤安裝后滿足±570°的轉(zhuǎn)角要求。系統(tǒng)力與位置協(xié)調(diào)控制分2層：

1)實(shí)時(shí)控制。根據(jù)角度傳感器的反饋信息，實(shí)時(shí)控制二維跟蹤平臺(tái)的伺服電機(jī)動(dòng)作，調(diào)整吊索傾角，保證吊索處于鉛垂方向。根據(jù)力傳感器的反饋信息，恒張力控制桿和卷揚(yáng)機(jī)動(dòng)作，保證吊索張力滿足控制要求。對(duì)于吊索角度和張力控制，要求實(shí)時(shí)性高，響應(yīng)快。所以該層控制策略上處于最高級(jí)。

2)分時(shí)控制。根據(jù)吊點(diǎn)信息計(jì)算出吊點(diǎn)位置信息是否達(dá)到閾值，如果達(dá)到，縱向運(yùn)行大車、橫向運(yùn)行小車運(yùn)動(dòng)，保證吊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)在合適范圍內(nèi)；如果月面巡視器運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，通過轉(zhuǎn)盤控制單元控制轉(zhuǎn)盤作相應(yīng)的轉(zhuǎn)向，保證水平跟隨平臺(tái)的坐標(biāo)系與巡視器坐標(biāo)系平行[11]。

該1/6g低重力吊掛系統(tǒng)通過多點(diǎn)吊掛組合能實(shí)現(xiàn)位置激變后載荷的快速準(zhǔn)確調(diào)整，能解決移動(dòng)系統(tǒng)活動(dòng)部件多、位置變化無規(guī)律的特點(diǎn)。

3.7 釋放分離集成模擬技術(shù)

探測(cè)器和月球車分離時(shí)，探測(cè)器的著陸姿態(tài)對(duì)分離的難度有很大影響，如果著陸姿態(tài)傾斜小，則分離難度小；著陸姿態(tài)傾斜大，則月球車分離難度也隨著傾斜角度的增大而增大。分離過程如圖9所示。

圖9 探測(cè)器和月球車分離過程Fig.9 The separation process of rover and probe

按照分離過程的要求，構(gòu)建一套與移動(dòng)分系統(tǒng)相匹配的著陸器姿態(tài)模擬平臺(tái)，如圖10所示。著陸器姿態(tài)模擬平臺(tái)具有實(shí)現(xiàn)巡視器與著陸器釋放過程、月面著陸后著陸器頂板和懸梯可能出現(xiàn)的各種姿態(tài)模擬功能，可用于移動(dòng)分系統(tǒng)模擬與著陸器釋放、轉(zhuǎn)移、分離過程中各種功能性能測(cè)試。平臺(tái)主體以“共心三軸承”機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，選擇上楔盤子系統(tǒng)和下楔盤子系統(tǒng)共同構(gòu)成裝置的角度調(diào)節(jié)部分。下楔盤和上楔盤具有相同的楔角(23°)。兩者的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以疊加得到0°～46°之間的任意角度，從而使頂板模塊產(chǎn)生0°～46°之間的任意傾斜角度。即3個(gè)自由度“合成”所需的俯仰角和側(cè)傾角，保證平臺(tái)在大載荷大傾角狀態(tài)下定位精度高，且角度連續(xù)可調(diào)[12]。

圖10 著陸器姿態(tài)模擬平臺(tái)圖Fig.10 The attitude simulation platform for the lander

釋放分離集成模擬系統(tǒng)解決了巡視器與著陸器在軌壓緊、釋放、轉(zhuǎn)移、分離全過程中各種工況的地面模擬問題，實(shí)現(xiàn)了極限工況全覆蓋下移動(dòng)性能與機(jī)構(gòu)能力，同時(shí)考核在軌狀態(tài)實(shí)時(shí)快速跟蹤復(fù)現(xiàn)與驗(yàn)證的效果。以“共心三軸承”技術(shù)為基礎(chǔ)，采用3個(gè)自由度“合成”所需的x、y二自由度方法，解決了釋放轉(zhuǎn)移過程中著陸器頂板載荷大、姿態(tài)傾角大、角度調(diào)整要求連續(xù)快捷與頂板定姿精度要求高、地面模擬成本要求低等多組對(duì)立約束問題，達(dá)到了頂板大載荷下定姿精度高、頂板角度快速連續(xù)可調(diào)的效果，為兩器分離模擬試驗(yàn)的開展提供更好方式。

3.8 月面移動(dòng)功能與性能驗(yàn)證技術(shù)

對(duì)月面地形和著陸姿態(tài)進(jìn)行分析，月球車需具備克服200 mm障礙、20°坡、最小轉(zhuǎn)彎半徑小于1.5 m、橫向靜態(tài)穩(wěn)定性大于30°、縱向靜態(tài)穩(wěn)定性大于36°及最大速度大于200 m/h等能力。

采用多交集事件單軸驗(yàn)證方法，提出了一系列簡便可行、準(zhǔn)確有效的典型移動(dòng)功能性能測(cè)試方案，構(gòu)建了最小轉(zhuǎn)向半徑、最大移動(dòng)速度、適應(yīng)坡度、越障、過坑、加電與斷電制動(dòng)保持等功能與性能測(cè)試方案[13]，明確了移動(dòng)分系統(tǒng)參試產(chǎn)品狀態(tài)、環(huán)境模擬方法、指標(biāo)與試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系等。

除在非結(jié)構(gòu)地形地貌場(chǎng)地進(jìn)行月球車各項(xiàng)性能摸底試驗(yàn)外，還基于綜合建模、分析評(píng)估和結(jié)果分析技術(shù)(Probabilistic Risk Assessment，PRA)，建立了一套移動(dòng)分系統(tǒng)在軌工作可靠性試驗(yàn)及評(píng)估體系，包括組件可靠性試驗(yàn)及評(píng)估、各功能事件的試驗(yàn)及評(píng)估、系統(tǒng)綜合試驗(yàn)及評(píng)估等方面，涉及事件樹和故障樹建模、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建模、應(yīng)力-強(qiáng)度分析、貝葉斯分析以及蒙特卡洛仿真分析等技術(shù)方法，建模示意見圖11。

圖11 基于事件鏈的任務(wù)過程綜合建模示意圖Fig.11 Comprehensive modeling of task process based on event chain

4 地面試驗(yàn)技術(shù)驗(yàn)證

在試驗(yàn)和評(píng)估體系形成的共同架構(gòu)下，移動(dòng)系統(tǒng)順利通過地面評(píng)估，在軌按照各種規(guī)劃路徑，為月球車在軌探測(cè)提供了可靠的移動(dòng)平臺(tái)。

4.1 月球車在軌工作情況

玉兔2號(hào)月球車2019年1月3日與探測(cè)器順利分離，抵達(dá)月面，進(jìn)入月面工作階段。在軌完成了移動(dòng)系統(tǒng)的主要功能驗(yàn)證，包括月面著陸前階段承載和生存功能，月面分離功能，支撐巡視器重量功能，前進(jìn)、后退、制動(dòng)等能力，在平面和坡上具有原地轉(zhuǎn)向和行進(jìn)間轉(zhuǎn)向等多種轉(zhuǎn)向能力，具有地形適應(yīng)能力，包括坡、坑和障礙物等，具有縱向和橫向穩(wěn)定性，具有加電和斷電保持巡視器靜止的功能，適應(yīng)月面環(huán)境，月晝期間正常工作，安全度過月夜后具有正常工作能力。

移動(dòng)系統(tǒng)在軌典型工況中速度和電流的曲線如圖12、圖13所示，在軌工作數(shù)據(jù)表明，在軌運(yùn)動(dòng)的速度和電流等指標(biāo)與地面試驗(yàn)情況保持一致，從而充分肯定了地面試驗(yàn)的有效性。

圖12 在軌盲走驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)曲線Fig.12 The data curve of the driving wheel

圖13 在軌轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)曲線Fig.13 The data curve of the steering wheel

從在軌避障相機(jī)拍攝的圖片(圖14)可看出，車輪在月面行駛時(shí)，月塵的吸附特性導(dǎo)致車輪表面很多區(qū)域都積滿了月塵，從而推斷活動(dòng)部件附近，尤其是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)附近也積滿月塵，由此看出，密封件的防塵效果顯著，進(jìn)一步表明密封防塵試驗(yàn)方法的有效和準(zhǔn)確。

移動(dòng)系統(tǒng)按照路徑規(guī)劃結(jié)果，在軌直線行駛到位精度高、轉(zhuǎn)向定位準(zhǔn)確，為精確探測(cè)、尋找休眠點(diǎn)等關(guān)鍵事件的快速實(shí)現(xiàn)提供良好的基礎(chǔ)。

至3月13日第3次休眠，經(jīng)歷了3個(gè)月晝和月夜，月球車完成3個(gè)月壽命期的在軌工作，累計(jì)移動(dòng)距離達(dá)到163 m。目前移動(dòng)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)正常，狀態(tài)良好。月球車在月面行走軌跡圖如圖15所示。

圖14 在軌車輪積滿月塵Fig.14 The wheel full of lunar dust

圖15 月球車月面移動(dòng)軌跡圖Fig.15 The trajectory of lunar rover on the moon

4.2 在軌數(shù)據(jù)與地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

巡視器在軌完成的主要工作為盲走和原地轉(zhuǎn)向，從直線行駛能力、原地轉(zhuǎn)向能力方面，將在軌數(shù)據(jù)和地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 在軌和地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Comparison of on-orbit and ground test

對(duì)比結(jié)果表明，在軌的平均工作電流和平均移動(dòng)功耗與地面基本保持一致，地面試驗(yàn)?zāi)茏鳛橐苿?dòng)分系統(tǒng)產(chǎn)品合格的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

在月球車可靠性試驗(yàn)研究過程中，建立了能夠適應(yīng)345℃溫差的深冷高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬月面溫度環(huán)境；建立了活動(dòng)部件密封圈試驗(yàn)系統(tǒng)，掌握高低溫、揚(yáng)塵環(huán)境下密封產(chǎn)品的試驗(yàn)方法；建立了月球車月面通過性試驗(yàn)和月面低重力模擬的月貌試驗(yàn)室，能準(zhǔn)確評(píng)估移動(dòng)系統(tǒng)的性能；研制了專門研究不同構(gòu)型的車輪和月壤作用關(guān)系的輪壤測(cè)試設(shè)備，用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)車輪的行駛性能；研制了釋放分離設(shè)備，模擬月球車與探測(cè)器分離所有角度，全面模擬兩器分離的所有工況。月球車在軌成功服役表明地面試驗(yàn)技術(shù)能作為其評(píng)價(jià)的手段，為其他深空探測(cè)移動(dòng)平臺(tái)的試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，后續(xù)根據(jù)探測(cè)星球的土壤特點(diǎn)，還需進(jìn)一步完善試驗(yàn)條件和評(píng)價(jià)體系。