張 軍,方寶東,陸 希,宋愛國,李 松,周必磊,徐 亮

(1.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海200240；3.上海市深空探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240)

小行星登陸器星體表面附著錨固方案研究

張 軍1,方寶東2,3,陸 希2,3,宋愛國1,李 松1,周必磊2,3,徐 亮2,3

(1.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海200240；3.上海市深空探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240)

小行星表面微重力環(huán)境對于登陸器星體表面附著、運(yùn)動和作業(yè)提出了艱巨的挑戰(zhàn)，登陸器錨固在小行星表面又是這些任務(wù)中首先要解決的難題。為此，分析了不同表面情況下附著的約束條件，提出了幾種可能的登陸器附著錨固方案，對其工作原理、適用條件、優(yōu)缺點(diǎn)、可否重復(fù)利用等方面進(jìn)行了研究，并分析了在實(shí)際應(yīng)用中所要考慮的因素和采取的可靠方案。繼而通過對比研究提出一種基于切割的錨固方法，并設(shè)計實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)系統(tǒng)對該方法的可行性和有效性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)切割花崗巖石板大約180 s時的切割深度達(dá)15 mm。

小行星探測；微重力；表面附著；錨固方案；切割錨固；3R機(jī)械臂

1 引言

小行星是一類小天體，可能含有太陽系起源的證據(jù)和生命起源的秘密，因此具有重要的科學(xué)研究價值[1]；小行星上可能存在有大量高純度的稀有金屬，一些小行星上面可能含有水等資源，小行星采礦的概念和技術(shù)近些年得到部分航天機(jī)構(gòu)和公司的廣泛研究[2]；近地小行星還有可能撞擊地球，毀壞人類的生存環(huán)境和文明。小行星的科學(xué)研究意義、經(jīng)濟(jì)開發(fā)價值，以及防止其撞擊地球的社會意義都使得小行星的研究成為目前深空探測的一個熱點(diǎn)。

目前一些小行星觀測任務(wù)正在進(jìn)行中，特別是一些近地危險小行星的觀測研究。靠近小行星的探測項(xiàng)目可以分為兩大類:一類是將體積較小的小行星捕獲后拖回到地球和月球的拉格朗日平衡點(diǎn)再進(jìn)行探測研究[3]，這一概念由NASA提出；另一類小行星探測是利用深空探測器飛近小行星對其進(jìn)行靠近觀測、繞飛和伴飛觀測、星體表面登陸取樣、本地研究或樣品返回地球分析，甚至是載人小行星探測。在這些任務(wù)中，最重要也是最難的是小行星表面取樣和作業(yè)，而大量的取樣和作業(yè)的前提是登陸器能夠牢固的在小行星表面附著和錨固。

世界各國的諸多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了小行星探測任務(wù)，一些已經(jīng)完成的小行星探測項(xiàng)目有美國國家航空航天局的近地小行星交會、深空1號、星塵、曙光號等探測任務(wù)和探測器[4]，日本的隼鳥1號探測器[5，6]等。正在執(zhí)行任務(wù)的探測器如歐空局的羅塞塔號[7-9]等。還有一些將要進(jìn)行的探測任務(wù)如美國的奧西里斯-風(fēng)化層探測者[10]，歐空局的堂吉訶德小行星防衛(wèi)任務(wù)，以及日本的隼鳥2號探測任務(wù)[11]。但是目前還沒有成功的實(shí)現(xiàn)小行星表面登陸、采樣、作業(yè)任務(wù)，雖然隼鳥1號從小行星Itokawa取回了少量的樣品，但是其可能是及其少量的風(fēng)化層灰塵，科學(xué)研究價值不大。

要實(shí)現(xiàn)大量的取樣和作業(yè)任務(wù)，登陸小行星是必須的，本文針對登陸器小行星表面附著難題，分析了表面附著的約束條件，提出了幾種可能的錨固方案，并對基于切割法的錨固方案進(jìn)行了深入研究，設(shè)計實(shí)現(xiàn)樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本文的研究結(jié)果能夠?yàn)槲覈⌒行翘綔y任務(wù)提供借鑒。

2 小行星表面附著約束條件分析

小行星表面與火星和月球等較大的天體相比環(huán)境更特殊，其特殊環(huán)境對小行星表面附著的約束主要集中在以下幾個方面:

1)小行星表面的微重力環(huán)境

小行星體積小、質(zhì)量較輕，因此表面引力非常微弱，依靠小行星無法提供取樣器鉆進(jìn)所需要的持續(xù)的引力。因此，要想在小行星表面附著、行走和作業(yè)首先需要解決登陸器在小行星表面微重力環(huán)境附著問題[12]、航天員在小行星表面行走問題、以及取樣過程中取樣器反推力的平衡問題。

2)小行星表面的真空環(huán)境

因?yàn)樾⌒行堑囊^小，很難捕獲空氣形成大氣層，故小行星沒有大氣[13]，其表面近似超真空環(huán)境，電動器件及鉆頭等工作時的散熱將成為問題。在登陸器設(shè)計中可以考慮熱循環(huán)系統(tǒng)，將工作過程產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)并回收利用，用于登陸器或航天員生命保證系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙重效益。

3)小行星表面的高低溫環(huán)境

因?yàn)樾⌒行潜砻鏇]有大氣層的保護(hù)，面向太陽的半邊溫度較高，背對太陽的半邊溫度較低，如小行星21 Lutetia表面最高溫度約為－28℃，最低溫度約為－103℃[14]，小行星4 Vesta表面最高溫度為－3℃，最低溫度為－188℃[15]，可見小行星表面溫度較低，且溫差極大，因此這種環(huán)境中溫度對機(jī)械結(jié)構(gòu)以及電子器件等的影響都可能成為棘手的問題。

4)小行星表面巖石硬度和脆性不確定

小行星表面巖石的硬度和脆性不確定[16]，這使得穩(wěn)固的錨固困難極大，并帶有不確定性，所采用的錨固方案必須同時適用于各種硬度和脆性的巖石，這對錨固系統(tǒng)提出了很大的挑戰(zhàn)。要實(shí)現(xiàn)在不同硬度和脆性的巖石表面錨固附著在地球上也極為不易，更何況是在微重力等小行星特殊環(huán)境中。

5)小行星表面風(fēng)化層厚度不確定

小行星表面受到宇宙射線和太陽輻射的照射、太陽風(fēng)粒子的轟擊、隕石和微流星體的撞擊，會形成風(fēng)化層和碎石層[17]，但是以目前對小行星的了解，對其風(fēng)化層和碎石層厚度和組成等沒有完全弄清楚，只有少數(shù)小行星探測任務(wù)對一些特定的小行星的風(fēng)化層有所了解，并且這些小行星還表現(xiàn)出不同的風(fēng)化層厚度[18]。這使登陸器在小行星表面附著難度增大，要實(shí)現(xiàn)成功附著，首先需要了解風(fēng)化層的厚度，并設(shè)計多用途和適應(yīng)性極強(qiáng)的錨固方案。

6)小行星表面地形平整度不確定

根據(jù)已有的小行星探測資料，如Itokawa[19]和67P[20]我們知道小行星表面可能存在風(fēng)化層、隕石柱、裂縫，甚至懸崖等，其表面地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，已有的研究結(jié)果只能為我們提供借鑒，但是我們對未探測過的小行星表面的平坦度不清楚，這就為表面的著陸、錨固、行走和作業(yè)方案的設(shè)計和實(shí)施帶來了困難，我們需要在著陸前通過伴飛和繞飛觀測和檢測小行星表面的地形信息，尋找平坦的表面進(jìn)行著陸。

以上的約束條件使小行星表面的附著錨固極具挑戰(zhàn)，需要研究可靠和適用范圍廣的錨固方案。

3 小行星表面附著錨固方案

3.1 風(fēng)化層和碎石層去除方案

為了使登陸器牢固的附著在小行星表面，需要使其與小行星之間建立剛性連接，而小行星表面的風(fēng)化層厚度不確定，并可能還有碎石層，其會影響剛性錨固的實(shí)施。為此提出以下四種風(fēng)化層和碎石層的去除方案:

1)吹氣法

由于小行星表面重力微弱，借助登陸器著陸過程中噴氣可將風(fēng)化層星壤和碎石吹開。在登陸器下降過程中，不斷檢測地面環(huán)境信息，在接近地面一定高度時，借助反推火箭的噴氣將星壤吹開，并通過土壤測厚儀測量厚度，直到星壤被去除后，登陸器再下降著陸。此方法需要登陸器正向和反向推力火箭共同作用，正向推力火箭將登陸器推向小行星，反向推力火箭噴氣將星壤吹開，該方案系統(tǒng)所消耗的能量可能很大。

2)噴水法

噴水法指的是登陸器著陸腿上可以安裝高壓水槍，在登陸器著陸過程中，通過噴水將星壤或碎石沖開，為登陸器附著在堅(jiān)硬的巖石表面上做好準(zhǔn)備。該方案也較為簡單，但是該方案需要登陸器儲存水，增加了系統(tǒng)的質(zhì)量，同時噴出的水可能造成樣品污染。

3)清掃法

登陸器著陸腿上可以安裝柔性旋轉(zhuǎn)清掃裝置，將灰塵清掃開。登陸器接近小行星表面時，通過其控制系統(tǒng)，保證登陸器與小行星之間的距離使得著陸腿上安裝的旋轉(zhuǎn)清掃裝置接觸到小行星表面開始清掃，并控制小行星正向推力火箭給清掃裝置一個推力，完成清掃后登陸器再著陸。

4)刮削法

刮削法是一種可用于星壤和碎石的清除和取樣的機(jī)械臂方案。該方法實(shí)際操作時，登陸器著陸腿上可以安裝剛性旋轉(zhuǎn)刀片或料斗刮削機(jī)構(gòu)，通過刮削去除灰塵和風(fēng)化層，該方案更適合于表層具有較厚的風(fēng)化層和碎石層的場合，可靠性高于其它幾種方案，但是其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

四種方案比較:吹氣法可以利用登陸器現(xiàn)有的噴氣清除灰塵，不需要外部其它設(shè)備，簡單方便，但在灰塵太厚，或者灰塵顆粒之間的凝聚力太大等情況下，不能完全很好的清除星壤層；噴水法噴出的水可能對樣品有污染；清掃法比吹起法更能夠清除較多的星壤，但是需要更多的設(shè)備；刮削法可以刮去更多的灰塵，但同樣需要額外的設(shè)備。這四種方案將在實(shí)際應(yīng)用中可選用其中的一種，或者兩種組合，如吹氣法和刮削法組合。

3.2 巖石層附著錨固方案

在風(fēng)化層去除的基礎(chǔ)上，針對以上的約束條件，提出了以下十種可能的巖石層錨固方案:

1)子彈錨固法

受隼鳥1號[5]小行星探測任務(wù)彈丸取樣方式的啟發(fā)，提出子彈錨固法，如圖1所示，向目標(biāo)小行星的多個方向同時發(fā)射帶有倒鉤的子彈，子彈后面連接有細(xì)鋼絲倒鉤，當(dāng)子彈穿過風(fēng)化層射入巖石層內(nèi)后由于倒鉤的作用無法撥出，然后收緊鋼絲繩就可以達(dá)到固定登陸器的目的。該方法適用于巖石層不是過硬的地質(zhì)條件，其優(yōu)點(diǎn)是鋼絲繩具有一定的柔性，在子彈錨固后可以將登陸器拉向小行星表面，實(shí)現(xiàn)登陸器的軟著陸，防止其與星體表面碰撞后再次彈開，該方案的缺點(diǎn)是子彈撞擊巖石層過程中濺飛起的碎石可能擊中登陸器，對巖石的硬度和脆性有限制，且該方案的子彈不能重復(fù)使用。

圖1 子彈錨固法示意圖Fig.1 Diagram of the bullet anchoring method

2)展開錨固法

如圖2所示，展開錨固法的工作原理是當(dāng)?shù)顷懫飨蛐⌒行墙德鋾r先垂直向下射出穿甲彈(內(nèi)含二次遙控高爆子彈頭)，穿甲彈穿過風(fēng)化層擊碎巖石層表面，登陸器升高至安全距離遙控高爆子彈頭爆炸在巖石層下面炸開一個口子。在同一地點(diǎn)重復(fù)這一過程，則可以炸出一個有一定深度的坑。通過繩索投下固定錨，固定錨到達(dá)深坑伸開兩根水平錨桿，水平錨桿同步伸展，其前端具有高頻振動打孔器，通過反作用力，兩水平錨桿能夠分別鉆入左右兩側(cè)的堅(jiān)硬巖石壁內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)一個固定錨。通過展開錨上的鋼絲繩收緊可以將登陸器錨固在小行星表面。該方法適用于巖石層不是過硬的地質(zhì)條件，其優(yōu)點(diǎn)與子彈錨固法的優(yōu)點(diǎn)類似，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

圖2 展開錨固法示意圖Fig.2 Diagram of the unfolding anchoring method

3)打磨膠固錨固法

如圖3所示，打磨膠固錨固法先利用推進(jìn)器的推力，通過登陸器前端三個固定腳上的三個掃刀將風(fēng)化層掃開，并形成一個較為平坦的局部表面，使得中間圓柱形腳底接觸小行星的堅(jiān)固物質(zhì)層，然后打開每個固定腳下的氧氣和快速凝固膠水，將三個固定腳粘結(jié)到堅(jiān)固物質(zhì)層上。膠固法完成任務(wù)后固定腳需要脫離登陸器，或者加熱熔化已固定的膠水，才能實(shí)現(xiàn)登陸器脫離小行星表面，進(jìn)行多點(diǎn)取樣或返回，膠固法的優(yōu)點(diǎn)是不需要推進(jìn)器施加很大的推力就可以快速錨固。

圖3 打磨膠固錨固法示意圖Fig.3 Diagram of the anchoring method by using glue after polishing

4)鉆孔錨固法

如圖4所示，在風(fēng)化層清除后，利用推進(jìn)器的推力，通過登陸器前端登陸腿上的高低頻復(fù)合振動鉆與巖石層以一定角度傾斜打孔，多個登陸腿上的振動鉆打孔后，可以為登陸器提供錨固力，將登陸器剛性固定在星體表面。鉆孔錨固法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，消耗的能量也較大，可以重復(fù)使用，缺點(diǎn)是只適合于巖石硬度不是很高的場合，硬度過高的巖石只能打進(jìn)巖石表皮，并且對巖石脆性可能有要求。

圖4 鉆孔錨固法示意圖Fig.4 Diagram of the drilling based anchoring method

5)可伸縮倒刺鉆釘錨固法

如圖5所示，可伸縮倒刺鉆釘錨固法工作時通過采用火工品提供動力驅(qū)動錨釘發(fā)射，錨釘打進(jìn)巖石層后，在鋼絲繩拉時，倒刺可以卡緊在巖石孔壁上，提供一定的錨固力。這種錨固方案和子彈錨固法類似，也可以在登陸器接觸星體表面前將錨釘打進(jìn)星體表面，將登陸器拉近星體表面，實(shí)現(xiàn)軟著陸，但也只適合于巖石硬度不大的小行星，并且不能重復(fù)使用。羅塞塔探測器搭載的菲萊著陸器設(shè)計使用該方法防止其在彗星67P表面著陸時反彈，但是很遺憾其沒有正常工作[21]。但該方法還是有很好的參考價值，可作為未來小行星探測的備選方案之一。

6)夾持錨固法

圖5 可伸縮倒刺鉆釘錨固法示意圖Fig.5 Diagram of the anchoring method by using nails with barbs

圖6 夾持錨固法示意圖Fig.6 Diagram of the anchoring method by using grippers

如圖6所示，夾持錨固法工作時，登陸腿上帶有夾持腿或微型夾持器[22]，在登陸器著陸前通過圖像傳感器等檢測到星體表面凸起巖石的地形，降落后通過夾持腿夾住突出巖石從而達(dá)到錨固的目的。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可以重復(fù)使用，缺點(diǎn)是只適合于小行星表面有凸起巖石的場合，范圍較窄，夾持錨固的可靠性不高，且需要精確控制登陸器著陸過程，只可能作為一種配合使用的方案。

7)磁力錨固法

如圖7所示，磁力錨固法是指針對一些具有鐵磁性金屬表面的巖石層，可以利用磁力實(shí)現(xiàn)登陸器的錨固，在登陸腿上安裝有電磁錨，在清除風(fēng)化層后利用電磁鐵吸附將登陸腿固定在小行星表面。這種方法簡單可靠，可重復(fù)利用，但是一般適用于鐵磁性材質(zhì)的小行星，并且由于小行星表面溫度變化劇烈，磁力也會有變化，這種錨固方法的可靠性和穩(wěn)定性需要進(jìn)行研究。

圖7 磁力錨固法示意圖Fig.7 Diagram of the magnetic force based anchoring method

8)仿生吸附手抓錨固法

如圖8所示，仿生吸附手抓錨固法是指采用具有納米吸附脫附材料的機(jī)構(gòu)，吸附于光滑巖石表面或抓于非光滑的巖石表面，類似于受壁虎等動物啟發(fā)而制作出的爬壁機(jī)器人[23]。該錨固方法簡單可靠，可以重復(fù)利用，但是需要針對小行星表面特殊材質(zhì)設(shè)計相應(yīng)的吸附機(jī)構(gòu)，而且小行星表面沒有大氣，需要研究在沒有大氣以及極端溫度環(huán)境下的吸附，其可靠性有待深入研究。

圖8 仿生吸附手抓錨固法示意圖Fig.8 Diagram of the anchoring method by using the bio-inspired adsorption pads

9)液體凝固錨固法

如圖9所示，液體凝固錨固法是指通過液體浸入風(fēng)化層接觸巖石層，其凝固后將風(fēng)化層、登陸腿和巖石層固結(jié)為一體，從而達(dá)到錨固的效果，在登陸器起飛離開時可以將登陸腿上的套筒機(jī)構(gòu)拋棄，或者通過加熱等方法將凝固體熔化[24]，因此該方案可以重復(fù)使用，該方案簡單可靠，錨固過程不需要推進(jìn)器的推力，但是要找到具有合適的凝固溫度的液體，也需要了解小行星表面的環(huán)境溫度變化規(guī)律等。

圖9 液體凝固錨固法示意圖Fig.9 Diagram of the anchoring method by concreting of liquid

10)切割錨固法

如圖10所示，切割錨固法是在登陸腿上安裝有切割片，在風(fēng)化層去除后，利用推進(jìn)器的噴氣推力為登陸器上的錨固系統(tǒng)提供切割所需要的力和力矩，通過控制切割片以一定的傾角切入巖石層，幾條登陸腿同時收緊，即可達(dá)到錨固登陸器在星體表面的目的。切割錨固法的優(yōu)點(diǎn)是效率高，可靠性好，可用于各種硬度的巖石切割，適用范圍廣，且可以重復(fù)使用，缺點(diǎn)是切割運(yùn)動的驅(qū)動和控制系統(tǒng)復(fù)雜。

圖10 切割錨固法示意圖Fig.10 Diagram of the anchoring method based on cutting

以上十種錨固方案在實(shí)際應(yīng)用中往往都有局限性，要實(shí)現(xiàn)登陸器在小行星表面的軟著陸和剛性固定，實(shí)現(xiàn)可靠的附著錨固，需要結(jié)合幾種方案，如在軟著陸前采用可伸縮倒刺鉆釘錨固法，在登陸接觸小行星表面后采用鉆孔或切割錨固法。此外還要根據(jù)載人小行星探測任務(wù)的需要，比如探測器規(guī)模、是否與星體表面行走作業(yè)綜合考慮設(shè)計、錨固方案的效率、錨固系統(tǒng)質(zhì)量、錨固力和力矩等來確定最終方案。

4 基于3R機(jī)械臂的切割錨固系統(tǒng)

在上面小行星表面附著可行性方案研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)切割錨固法幾乎可能適用于各種硬度的巖石表面，通過初步桌面試驗(yàn)研究得知切割法比鉆取法效率高，所需要推力也較小，此外切割法也可以用于巖石切割取樣系統(tǒng)設(shè)計，因此這里對切割錨固法進(jìn)行深入研究。

假設(shè)登陸器通過位置姿態(tài)控制已經(jīng)降落在小行星較為平坦的局部表面，并且假設(shè)登陸器上的推進(jìn)器可以提供錨固所需要的平衡力和力矩，這里我們先不考慮反彈等情況，只對切割錨固法的可行性進(jìn)行初步研究。本文設(shè)計了一種基于3R機(jī)械臂驅(qū)動控制的切割錨固系統(tǒng)，通過機(jī)械臂的運(yùn)動控制實(shí)現(xiàn)切割片的切割運(yùn)動。

4.1 系統(tǒng)設(shè)計

基于切割錨固法的系統(tǒng)組成如圖11，該系統(tǒng)由登陸器艙體、登陸腿、錨固腿、切割片、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和電源模塊組成。設(shè)計的系統(tǒng)三維模型圖如圖12所示，由于切割運(yùn)動是一個平面運(yùn)動，采用多轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)切割腿要實(shí)現(xiàn)切割片的平面切割運(yùn)動驅(qū)動控制，經(jīng)過分析至少需要三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)自由度，因此錨固腿被設(shè)計成一種3R機(jī)械臂，其安裝在登陸腿靠近地面位置，切割片安裝在錨固腿末端位置。3R機(jī)械臂的三個關(guān)節(jié)分別通過具有自鎖功能的渦輪蝸桿減速器驅(qū)動的三個直流電機(jī)驅(qū)動，切割片由高速直流電機(jī)驅(qū)動。

圖11 基于切割錨固法的系統(tǒng)組成Fig.11 Components of the anchoring system based on cutting method

4.2 建模與仿真

單錨固腿切割xoy坐標(biāo)平面內(nèi)運(yùn)動模型如圖13所示，三個連桿的質(zhì)量mi、轉(zhuǎn)動慣量Ii，以及尺寸參數(shù)如圖所示，切割片的半徑為R，切割片與水平面夾角為α。各個部分的質(zhì)心位置如式(1):

圖12 基于切割錨固法的驗(yàn)證系統(tǒng)三維模型Fig.12 3D Model of the validating system based on cutting anchoring method

圖13 單腿切割運(yùn)動模型Fig.13 Model of one leg system for cutting operation

由式(1)可以得到三個連桿質(zhì)心的速度?；诶窭嗜展δ芷胶夥梢缘玫绞?2)所示系統(tǒng)的動力學(xué)模型:

其中T為系統(tǒng)的動能，V為系統(tǒng)的勢能，L為拉格朗日函數(shù)，qi＝[θ1，θ2，θ3]為廣義坐標(biāo)，Qi為三關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩。由(2)可以得到二階微分方程組，解方程組得到三關(guān)節(jié)的角度變化量，對角度進(jìn)行控制即可實(shí)現(xiàn)切割運(yùn)動控制。

在建模的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了仿真研究，仿真的參數(shù)為:r1＝0.075 m、r2＝0.075 m、r3＝0.155 m、l1＝0.0375 m、l2＝0.0375 m、l3＝0.0775 m、m1＝0.32 kg、m2＝0.32 kg、m3＝0.25 kg、I1＝6.0× 10－4kg·m2、I2＝6.0×10－4kg·m2、I3＝0.002 kg·m2，切割片半徑R＝0.03 m。仿真初始條件為:α＝60°、θ10＝ －30°、θ20＝42.80°、θ30＝17.20°。設(shè)置切割深度為2 cm，并設(shè)置切割深度勻速變化?；贛atlab(ode45)解微分方程組進(jìn)行仿真研究，單腿切割運(yùn)動過程中三關(guān)節(jié)角度變化的桿狀圖如圖14所示，可以看到通過控制三關(guān)節(jié)的運(yùn)動，切割片在一個平面內(nèi)部運(yùn)動。切割片在平面內(nèi)勻速運(yùn)動的位置變化曲線如圖15(a)所示，三個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度變化如圖15(b)所示，三關(guān)節(jié)角度變化較為平緩，能夠通過擬采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制。

圖14 單腿切割運(yùn)動仿真結(jié)果Fig.14 Simulation result of one leg system for cutting operation

圖15 單腿切割運(yùn)動過程切割片位移和關(guān)節(jié)角度變化試驗(yàn)結(jié)果Fig.15 Experimental results of the cutting disk’s displacement and the three joints’angles during one leg cutting process

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在仿真研究的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗(yàn)證切割方案的可行性，加工了單腿切割系統(tǒng)。選用的切割電機(jī)為Maxon RE25，關(guān)節(jié)電機(jī)是一種帶有渦輪蝸桿減速器的直流電機(jī)，選用了阿爾泰四軸運(yùn)動控制卡USB1020實(shí)現(xiàn)對三個關(guān)節(jié)電機(jī)和一個切割電機(jī)的控制。搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)在一種莫氏硬度約為7.0的花崗巖石板上進(jìn)行了切割試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果如圖16所示，系統(tǒng)在約為180s完成了深度為15 mm的切割運(yùn)動，切割過程中石板對切割片豎直方向的反力如圖17所示，其不斷增大，最大值約為3.4 N，試驗(yàn)結(jié)果表明，在推進(jìn)器提供大約10 N的推進(jìn)力情況下，在180 s內(nèi)，三條腿即可同時切割石板實(shí)現(xiàn)錨固作業(yè)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了切割錨固方案的可行性。

圖16 單腿切割花崗巖石板試驗(yàn)結(jié)果Fig.16 Experimental result of the one leg cutting on a granite board

圖17 單腿切割過程花崗巖石板反力Fig.17 Reaction of the granite board during the one leg cutting process

后續(xù)研究將利用六維力-力矩傳感器搭載測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三腿切割錨固過程動態(tài)力特性的測量，從而了解巖石反力等信息，為登陸器所需要的推進(jìn)器系統(tǒng)設(shè)計提供數(shù)據(jù)，如推進(jìn)力-力矩信息和推進(jìn)時間；實(shí)現(xiàn)登陸器系統(tǒng)錨固力的測試，為小行星表面移動作業(yè)支撐系統(tǒng)設(shè)計提供支撐；此外為模擬小行星表面微重力環(huán)境，設(shè)計登陸器在豎直墻面上進(jìn)行錨固的樣機(jī)系統(tǒng)，并進(jìn)行試驗(yàn)研究。

5 結(jié)論

本文針對小行星表面附著錨固的難題，分析了附著約束條件，在此基礎(chǔ)上將附著錨固分為兩步:第一步對風(fēng)化層和碎石層進(jìn)行清除；第二步實(shí)現(xiàn)登陸器在小行星表面的剛性錨固。為此，提出了基于吹氣法、噴水法、清掃法和刮削法四種風(fēng)化層和碎石層去除方案，提出了十種巖石層剛性錨固方案，這十種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，在我國小行星探測任務(wù)中可以根據(jù)小行星的地質(zhì)特性選用幾種方案組合使用。對一種基于切割錨固法的方案進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計、建模與仿真，以及試驗(yàn)研究，仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明該方案可以在短時間內(nèi)切割進(jìn)較深的巖石層，工作效率高，并可適用于高硬度巖石層的錨固。

（

）

[1]Muirhead B K，Brophy J R.Asteroid Redirect Robotic Mission feasibility study[C]//Aerospace Conference，2014 IEEE.IEEE，2014:1-14.

[2]Des Marais D J，Nuth III J A，Allamandola L J，et al.The NASA astrobiology roadmap[J].Astrobiology，2008，8(4): 715-730.

[3]Muirhead B K，Brophy J R.Asteroid redirect robotic mission feasibility study[C]//Proceedings of IEEE Aerospace Conference，2014:1-14.

[4]NASA Asteroid and Comet Watch[EB/OL].http://www.nasa.gov/mission_pages/asteroids/main/index.html.

[5]Kubota T，Sawai S，Hashimoto T，et al.Robotics and autonomous technology for asteroid sample return mission[C]//Advanced Robotics，2005.ICAR 2005.Proceedings.，12th International Conference on.IEEE，2005:31-38.

[6]Kubota T，Otsuki M，Hashimoto T.Touchdown dynamics for sample collection in Hayabusa mission[C]//Robotics and Automation，2008.ICRA 2008.IEEE International Conference on.IEEE，2008:158-163.

[7]Ulamec S，Espinasse S，F(xiàn)euerbacher B，et al.Rosetta Lander—Philae:Implications of an alternative mission[J].Acta-Astronautica，2006，58(8):435-441.

[8]Sierks H，Barbieri C，Lamy P L，et al.On the nucleus structure and activity of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko[J].Science，2015，347(6220):aaa1044-1-aaa1044-4.

[9]Capaccioni F，Coradini A，F(xiàn)ilacchione G，et al.The organicrich surface of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko as seen by VIRTIS/Rosetta[J].Science，2015，347(6220):aaa0628-1-aaa0628-4.

[10]Mission to Bennu[EB/OL].http://www.asteroidmission.org/.

[11]Tsuda Y，Yoshikawa M，Abe M，et al.System design of the hayabusa 2—asteroid sample return mission to 1999 ju3[J].Acta Astronautica，2013，91:356-362.

[12]Steltzner A D，Nasif A K.Anchoring technology for in situ exploration of small bodies[C]//Aerospace Conference Proceedings，2000 IEEE.IEEE，2000，7:507-518.

[13]王開強(qiáng)，張柏楠，王悅，等.載人小行星探測的任務(wù)特點(diǎn)與實(shí)施途徑探討[J].航天器工程，2014，23(3):105-110.Wang kaiqiang，Zhang Bainan，Wang Yue，et al.Characters and Technological Approach of Human Asteroid Exploration Mission[J].Spacecraft Engineering，2014，23(3):105-110.(in Chinese)

[14]Coradini A，Capaccioni F，Erard S，et al.The Surface Composition and Temperature of Asteroid 21 Lutetia As Observed by Rosetta/VIRTIS[J].Science，2011，334(6055):492-494.

[15]Mueller，T G，Metcalfe，L.ISO and Asteroids[J].European Space Agency(ESA)bulletin，2001，108:38-48.

[16]Sipila，S A，Scoville，Z C，Bowie，J T，et al.Extravehicular activity asteroid exploration and sample collection capability [C]//13th International Conference on Space Operations.2014:1-11.

[17]Bottke Jr W F，Cellino A，Paolicchi P，et al.Asteroids III [M].University of Arizona Press，Tucson，2002:585-599.

[18]Badescu V.Asteroids:Prospective Energy and Material Resources[M].Springer，2013:298-299.

[19]Fujiwara A，Kawaguchi J，Yeomans D.K.et al.The Rubble-Pile Asteroid Itokawa as Observed by Hayabusa[J].Science，2006，12(5778):1330-1334.

[20]Hand，E.Comet close-up reveals a world of surprises[J].Science，2015，347(6220):358-359.

[21]Hand，E.Philae probe makes bumpy touchdown on a comet [J].Science，2014，346(6212):900-901.

[22]Parness A，F(xiàn)rost M，Thatte N，et al.Gravity-Independent Mobility and Drilling on Natural Rock Using Microspines [C]//Robotics and Automation，2012.ICRA 2012.IEEE International Conference on.IEEE，2012:3437-3342.

[23]Murphy M P，Kute C，Mengü? Y，et al.Waalbot II:Adhesion Recovery and Improved Performance of a Climbing Robot using Fibrillar Adhesives[J].The International Journal of Robotics Research，2011，30(1):118-133.

[24]Badescu V.Asteroids:Prospective Energy and Material Resources[M].Springer，2013:306.

Study on Surface Anchoring Methods of Asteroids Lander

ZHANG Jun1，F(xiàn)ANG Baodong2，3，LU Xi2，3，SONG Aiguo1，LI Song1，ZHOU Bilei2，3，XU Liang2，3
(1.School of Instrument Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China；2.Shanghai Institute of Satellite Engineering，Shanghai 200240，China；3.Shanghai Key Laboratory of Deep Space Exploration Technology，Shanghai 200240，China)

The microgravity environment of asteroids raises daunting challenges for attaching，moving，and operating on their surfaces.The anchoring of the lander during landing on the surface of asteroids is a prerequisite in these missions.In order to solve this problem，the constraints for attaching on different kinds of surface conditions were studied and analyzed in this paper.Several possible methods for anchoring on the surfaces were proposed and their working principles，application conditions，advantages and disadvantages，and reusability were studied.The application of these methods in the practical conditions for stable anchoring was also analyzed.Based on these，through comparisons among these methods，a cutting based method was proposed for stable anchoring of the lander on the surface of asteroids.A prototype of the cutting based system was designed and fabricated.And the performance of the prototype was tested for validating the feasibility and effectiveness of the proposed method.Experimental results showed that the system could penetrate into about 15 mm deep in about 180s cutting on a granite board.

asteroids exploration；microgravity；surface attachment；anchoring method；cutting anchoring；3R manipulator

V476

A

1674-5825(2015)03-0270-08

2014-11-21；

2015-04-07

國家杰出青年基金(61325018)；國家自然科學(xué)基金(61272379、61403079)；載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目(010104)

張軍(1985－)，男，博士，博士后，研究方向?yàn)榉律鷻C(jī)器人。E-mail:j-zhang＠seu.edu.cn