馬超，孫京，劉賓，李新立，張大偉，姜生元，季節(jié),

1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094

2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080

為謀求人類福祉、探索未知世界，中國航天在成功實(shí)施載人航天、北斗導(dǎo)航等重大工程后，進(jìn)一步提出了包括月球探測和火星探測在內(nèi)的深空探測計(jì)劃。目前，探月一期、二期工程已經(jīng)順利實(shí)施，其中，探月一期嫦娥一號(hào)及二號(hào)探測器成功實(shí)現(xiàn)了對月球表面的精細(xì)測繪[1]；探月二期嫦娥三號(hào)及四號(hào)探測器成功實(shí)現(xiàn)了對月球近地面與遠(yuǎn)地面的著陸及巡視勘查[2]；計(jì)劃發(fā)射的探月三期嫦娥五號(hào)探測器將實(shí)現(xiàn)對月球表層及深層月壤的采樣與返回[3]；月球后續(xù)任務(wù)(探月四期工程)及火星探測任務(wù)正在穩(wěn)步展開，以實(shí)現(xiàn)對月球兩極區(qū)及火星任務(wù)區(qū)的著陸及科學(xué)探測，對月球水冰探測及火星環(huán)境研究具有重要意義[4]。

但是航天任務(wù)的成功并非易事，構(gòu)筑上述圖景的各型任務(wù)背后不僅包含了對相關(guān)科學(xué)問題的探索，還包括了對攻關(guān)成果及研制經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。本文旨在以探月二期工程中為保障嫦娥三號(hào)及四號(hào)巡視器著陸釋放任務(wù)順利實(shí)施而完全自主設(shè)計(jì)定型的嫦娥分段漸傾轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)為對象，根據(jù)轉(zhuǎn)移任務(wù)特點(diǎn)，對巡視器轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的組成、任務(wù)需求及設(shè)計(jì)約束進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)結(jié)合參研經(jīng)驗(yàn)對樣機(jī)選型過程、關(guān)鍵設(shè)計(jì)、工程狀態(tài)及任務(wù)驗(yàn)證情況進(jìn)行說明，以期為月球后續(xù)任務(wù)及火星探測任務(wù)中后繼各型探測器轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作提供工程經(jīng)驗(yàn)及型號(hào)支持。

1 嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)

月球探測二期工程以嫦娥三號(hào)及四號(hào)探測器實(shí)現(xiàn)月面軟著陸和探測勘察為目的，是中國首次在地外天體執(zhí)行著陸及巡視任務(wù)。嫦娥三號(hào)及四號(hào)探測器整器由著陸探測器(簡稱著陸器)、巡視探測器(簡稱巡視器，又稱“玉兔號(hào)”月球車)及包括巡視探測器轉(zhuǎn)移釋放機(jī)構(gòu)(簡稱轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu))在內(nèi)的其他載荷設(shè)備組成。探測器通過轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將巡視器由搭載位置轉(zhuǎn)移釋放至月球表面[5]。因此如何安全可靠地保障巡視器的轉(zhuǎn)移釋放過程是轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是二期工程巡視探測任務(wù)能否順利完成的關(guān)鍵。

針對巡視器在著陸器上的不同搭載方式及轉(zhuǎn)移形式，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)可以分為折展式、伸縮式、平展式和艙門翻轉(zhuǎn)式等[6-8]。在各類搭載轉(zhuǎn)移方式中，考慮到轉(zhuǎn)移距離不同，轉(zhuǎn)移過程非確定因素不一，加之著陸區(qū)月面環(huán)境和著陸器姿態(tài)的不確定，都要求轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的月面適應(yīng)能力及較高的可靠性，這對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證工作帶來了較大挑戰(zhàn)。因此如何在嚴(yán)苛約束下以盡可能小的質(zhì)量代價(jià)，滿足強(qiáng)度、剛度和轉(zhuǎn)移可靠性要求，特別是滿足各種未知著陸環(huán)境的適應(yīng)性要求，是巡視器轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和重點(diǎn)所在。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的自主研制在中國航天任務(wù)中尚屬首次，設(shè)計(jì)人員針對二期探測器巡視器頂部搭載、轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)側(cè)壁掛載的布局方式，開創(chuàng)性地提出了折展式分段漸傾變自由度轉(zhuǎn)移方案，并順利完成嫦娥三號(hào)及四號(hào)轉(zhuǎn)移釋放任務(wù)。表1為1970—2019年各國在月球及火星表面成功實(shí)施的轉(zhuǎn)移任務(wù)情況[9-13]。

2 轉(zhuǎn)移釋放任務(wù)

以二期探測器轉(zhuǎn)移釋放任務(wù)為例，給出轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)執(zhí)行轉(zhuǎn)移釋放任務(wù)的具體過程。

考慮到轉(zhuǎn)移過程即將巡視器從著陸器安裝位置安全運(yùn)抵至月球表面的過程，因此可以根據(jù)執(zhí)行對象的不同將轉(zhuǎn)移過程分為壓緊、展開、轉(zhuǎn)移及觸地等階段，各階段分別由組成轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的各分系統(tǒng)機(jī)構(gòu)完成。具體的，在轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月段和動(dòng)力下降段，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與巡視器處于壓緊收攏狀態(tài)，二者分別通過連接裝置安裝在著陸器的側(cè)壁和頂部；在著陸器安全著陸月面后，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)解鎖，以待將巡視器轉(zhuǎn)移釋放到月球表面；在轉(zhuǎn)移釋放過程中，轉(zhuǎn)移懸梯展開，至其展開到位后鎖定，巡視器駛上轉(zhuǎn)移懸梯，懸梯依靠自身強(qiáng)度和剛度為巡視器提供有效支撐和行駛通道，與此同時(shí)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)根據(jù)位姿信息監(jiān)控駛離過程，并在轉(zhuǎn)移及駛離過程中保持機(jī)構(gòu)平穩(wěn)，避免產(chǎn)生沖擊；在下降及駛離過程中，懸梯與巡視器在重力及緩釋機(jī)構(gòu)作用下平穩(wěn)下降，在懸梯前端與月面接觸后，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)通過自適應(yīng)設(shè)計(jì)使懸梯適應(yīng)當(dāng)前月面環(huán)境，巡視器駛下懸梯；巡視器駛離懸梯后，巡視探測任務(wù)開始，轉(zhuǎn)移釋放任務(wù)結(jié)束。轉(zhuǎn)移釋放過程如圖1所示。

表1 1970—2019年月火探測轉(zhuǎn)移任務(wù)情況[9-13]

圖1 嫦娥探測器轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移釋放過程

3 轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)約束

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)由于其特殊的應(yīng)用環(huán)境，使其與地面機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)情況存在較大不同。下文根據(jù)嫦娥探測器轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)從發(fā)射階段至轉(zhuǎn)移階段任務(wù)情況，結(jié)合空間機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)及約束情況進(jìn)行闡述。

3.1 機(jī)構(gòu)高可靠性

可靠性是航天器設(shè)計(jì)中最為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，這是由于航天器在空間環(huán)境中難以維護(hù)，如出現(xiàn)故障，其修復(fù)成本極高或難以修復(fù)?？臻g機(jī)構(gòu)常需根據(jù)任務(wù)需求在空間產(chǎn)生動(dòng)作或運(yùn)動(dòng)，有的甚至需在全任務(wù)周期內(nèi)保持長期運(yùn)動(dòng)，故出現(xiàn)故障的可能性比其他結(jié)構(gòu)、電氣電子設(shè)備高出很多，因此保證機(jī)構(gòu)工作的高度可靠性是轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中首要考慮的因素。

根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)可靠度定義[14]，串聯(lián)成敗型系統(tǒng)可靠度計(jì)算公式為

(1)

式中：R為單元可靠度；n為單元個(gè)數(shù)。

串聯(lián)壽命型系統(tǒng)可靠度計(jì)算公式為

(2)

式中:t為工作時(shí)間；λ為失敗率。

根據(jù)機(jī)構(gòu)性質(zhì)，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的可靠性主要取決于結(jié)構(gòu)部分和機(jī)構(gòu)部分的可靠性，而機(jī)構(gòu)部分的可靠性主要取決于機(jī)構(gòu)各活動(dòng)部件的可靠性，因此轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)作為串聯(lián)成敗型系統(tǒng)的可靠度為

R=R1×R2×…×Rn

(3)

式中：R為轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)可靠度；R1,R2,…,Rn分別為轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)所含各結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)的可靠度，包括轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的可靠度、壓緊釋放機(jī)構(gòu)的可靠度、展開鎖定機(jī)構(gòu)的可靠度及緩釋機(jī)構(gòu)的可靠度等。

嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)為滿足可靠性要求(設(shè)計(jì)指標(biāo)要求≥0.995)，在地面模擬任務(wù)環(huán)境下對其機(jī)構(gòu)所含結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)進(jìn)行可靠度試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)核算后，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)系統(tǒng)可靠度為0.997 8以上，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)滿足可靠性要求，相關(guān)數(shù)據(jù)矩陣可參閱文獻(xiàn)[15]。

3.2 空間環(huán)境強(qiáng)適應(yīng)性

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)所處環(huán)境可分為試驗(yàn)環(huán)境、發(fā)射環(huán)境、軌道環(huán)境、著陸環(huán)境及任務(wù)環(huán)境等，如表2所示?？紤]到轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)隨探測器發(fā)射以后，至轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)執(zhí)行完巡視器轉(zhuǎn)移任務(wù)為止，整個(gè)生命周期大部分停留在地外空間環(huán)境中，而空間環(huán)境對機(jī)構(gòu)的影響相比對結(jié)構(gòu)的影響嚴(yán)重得多，以含有大量細(xì)膩月塵及較大晝夜溫差的月面環(huán)境為例，惡劣的空間環(huán)境不僅嚴(yán)重影響月面機(jī)構(gòu)本身的動(dòng)作能力及材料性能，還會(huì)影響到與機(jī)構(gòu)相關(guān)的一系列載荷設(shè)備的正常運(yùn)行，這將嚴(yán)重影響任務(wù)的執(zhí)行，因此在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)密切關(guān)注機(jī)構(gòu)對于空間環(huán)境的適應(yīng)能力。

表2 轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)各階段主要環(huán)境

嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)為滿足適應(yīng)性要求，在地面模擬任務(wù)下對真空環(huán)境(壓力≤1.3×10-3Pa)、月塵環(huán)境(顆粒直徑20 μm～1 mm)、高低溫交變環(huán)境(飛行-180～+150 ℃、工作-60～+100 ℃、待機(jī)-200～+120 ℃)、電磁輻射環(huán)境(輻照量>12.1 kcal/cm2)等空間環(huán)境進(jìn)行測試，以求確保轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)滿足空間適應(yīng)性要求。

3.3 任務(wù)動(dòng)作可重復(fù)性

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行展開釋放動(dòng)作的變自由度機(jī)構(gòu)，雖不同于天線指向機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)等需在軌持續(xù)動(dòng)作，僅在轉(zhuǎn)移任務(wù)中執(zhí)行一次，但考慮其在地面裝配和試驗(yàn)階段需反復(fù)多次測試，因此機(jī)構(gòu)仍需具備重復(fù)使用特性，于是對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)任務(wù)動(dòng)作的可重復(fù)性提出了設(shè)計(jì)要求。此外，在二期轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的后續(xù)型號(hào)中，將利用轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)可重復(fù)性特點(diǎn)承擔(dān)對著陸區(qū)近域月壤環(huán)境的感知觸探工作，實(shí)現(xiàn)載荷機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的目的，目前已由嫦娥四號(hào)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)先期開展了部分功能的在軌驗(yàn)證工作。

嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)為滿足可重復(fù)性要求，在地面模擬任務(wù)環(huán)境下以部件及單機(jī)形式在模擬月面重力、月塵、高低溫、真空、聲振、電磁輻射及組合環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)動(dòng)作，并在著陸器整機(jī)及探測器系統(tǒng)級(jí)聯(lián)試中連續(xù)執(zhí)行轉(zhuǎn)移任務(wù)全周期動(dòng)作(解鎖-展開-轉(zhuǎn)移-收攏-鎖定)，以確保轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)滿足可重復(fù)性要求。

3.4 非確知環(huán)境適應(yīng)性

不同于衛(wèi)星、空間站等任務(wù)周期內(nèi)處于近地或行星域的航天器，空間探測器除軌道器和返回器外，探測器主體(著陸器、巡視器及轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu))在其任務(wù)周期內(nèi)始終處于探測星體表面。不同于地面的確知環(huán)境狀態(tài)，地外星體表面的環(huán)境難以全面、及時(shí)的確知。以月球表面為例，探月一期工程已經(jīng)構(gòu)建了月面地形數(shù)據(jù)及任務(wù)區(qū)域的準(zhǔn)確環(huán)境信息，但是月表環(huán)境惡劣多變，地形信息無法與任務(wù)進(jìn)度及時(shí)有效匹配，任務(wù)區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)不同直徑的石塊及致密程度未知的凹坑，若轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)末端觸碰石塊或陷入凹坑后，極易導(dǎo)致轉(zhuǎn)移過程中的巡視器兩側(cè)搖臂產(chǎn)生高度差，影響巡視器安全駛離，甚至導(dǎo)致巡視器側(cè)傾損毀，因此在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中必須考慮機(jī)構(gòu)對著陸區(qū)未知環(huán)境的適應(yīng)能力。

嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在地面模擬任務(wù)下對預(yù)定著陸點(diǎn)地形(0°≤坡度角≤9°)、著陸器姿態(tài)(0°≤俯仰角≤6°)、懸梯末端石塊及凹坑尺寸(0 mm≤包絡(luò)直徑≤200 mm)、巡視器安全轉(zhuǎn)移通道范圍(0°≤轉(zhuǎn)移通道≤20°)等不確定地形環(huán)境進(jìn)行測試，從而確保轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)達(dá)到對非確知環(huán)境的適應(yīng)要求。

3.5 搭載受限性與供源有限性

與地面機(jī)構(gòu)不同，空間機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)之初便需充分考慮到對運(yùn)載平臺(tái)的適配性，從而選擇合適平臺(tái)執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。受平臺(tái)限制，空間機(jī)構(gòu)必須經(jīng)過嚴(yán)格的零部件級(jí)的尺寸、材料、質(zhì)量設(shè)計(jì)，尤其是對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)這類在發(fā)射狀態(tài)壓緊收攏、在工作狀態(tài)解鎖展開的執(zhí)行機(jī)構(gòu)而言，對其機(jī)構(gòu)各相關(guān)部件的設(shè)計(jì)提出了更高要求。此外，機(jī)構(gòu)產(chǎn)品中一般含有電源和電氣設(shè)備以輔助機(jī)構(gòu)工作，如轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)上安裝的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳感元件，考慮到搭載平臺(tái)受空間環(huán)境所限，其在軌狀態(tài)下所能供給載荷設(shè)備的能源有限，因此在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中還需充分考慮供源有限這一約束條件。

二期探測器以長征三號(hào)乙型運(yùn)載火箭搭載，發(fā)射能力(地月轉(zhuǎn)移軌道入軌能力3 780 kg)、整流罩容許空間(周向包絡(luò)3 650 mm)、探測器整器質(zhì)量3 779.5 kg(設(shè)計(jì)指標(biāo)≤3 780 kg)、轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)質(zhì)量17.5 kg(設(shè)計(jì)指標(biāo)≤18 kg)、機(jī)構(gòu)質(zhì)心、慣性矩及功耗特性符合規(guī)定范圍，滿足搭載要求。此外，通過模擬落月后溫度及光照條件，嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在地面模擬任務(wù)下對器上能源轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)和分配過程進(jìn)行驗(yàn)證，確保滿足任務(wù)需求的同時(shí)符合供源要求。圖2所示為嫦娥探測器整流罩內(nèi)狀態(tài)。

圖2 嫦娥探測器整流罩內(nèi)狀態(tài)

3.6 機(jī)電設(shè)計(jì)協(xié)同性

考慮到對轉(zhuǎn)移過程的控制需求以及巡視器釋放駛離過程的定位需要，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)上需安裝相關(guān)電氣和電子設(shè)備，因此在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，除考慮供源及空間環(huán)境外，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需協(xié)同機(jī)電設(shè)計(jì)人員在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分考慮電氣、電子及相關(guān)線路的設(shè)計(jì)要求和規(guī)范，保證電氣及電子設(shè)備的正?？煽窟\(yùn)行，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)機(jī)-電設(shè)計(jì)的協(xié)同性。在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，需通過地面加電試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)電設(shè)計(jì)的可行性，包括在加電試驗(yàn)前對電纜標(biāo)識(shí)、綁扎、走線、固定、插接、焊接的正確性，電機(jī)、電纜、關(guān)鍵件熱控包覆的正確性，以及轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)動(dòng)作過程是否存在與電纜、包覆發(fā)生刮蹭、干涉等狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，以保證加電后轉(zhuǎn)移試驗(yàn)的安全進(jìn)行。

嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)單機(jī)及轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)聯(lián)同著陸器、巡視器兩器在地面模擬任務(wù)環(huán)境下，累計(jì)地面加電測試時(shí)長2 360 h，測試期間機(jī)構(gòu)與器上各電子、電氣設(shè)備工作正常，確保了轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)滿足機(jī)電協(xié)同設(shè)計(jì)要求。

3.7 地面模擬可驗(yàn)性

由于航天器及其搭載有效載荷系統(tǒng)所處任務(wù)環(huán)境的特殊性，通常無法采用理論分析的方法或空間環(huán)境下應(yīng)用的方式來驗(yàn)證航天產(chǎn)品的有效性和可靠性，因此地面模擬試驗(yàn)往往是檢驗(yàn)航天器及其搭載有效載荷系統(tǒng)的主要方式和可靠手段?？紤]到地面環(huán)境與月面環(huán)境的較大差異，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)地面模擬試驗(yàn)環(huán)境的搭建及地面模擬環(huán)境下轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)驗(yàn)證方案的制定是在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需要解決的關(guān)鍵問題。

以二期探測器地面模擬試驗(yàn)為例，探測器所處月面環(huán)境和載荷條件比較苛刻，涉及月面不同地形、地貌、地質(zhì)條件以及月塵、高低溫等環(huán)境模擬技術(shù)，驗(yàn)證難度較大。為此在探月二期工程中建立了月面模擬試驗(yàn)場，以期可靠的模擬著陸區(qū)任務(wù)環(huán)境，如圖3所示。嫦娥三號(hào)及四號(hào)探測器先后在月面模擬試驗(yàn)場內(nèi)對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的各性能指標(biāo)和轉(zhuǎn)移任務(wù)情況進(jìn)行了地面模擬驗(yàn)證，以滿足可驗(yàn)性要求。

圖3 月面模擬試驗(yàn)場

除上述主要設(shè)計(jì)約束外，在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)進(jìn)一步考慮到不同轉(zhuǎn)移方案所特有的約束問題，如折展式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)懸梯長度時(shí)就需綜合考慮懸梯長度對轉(zhuǎn)移通道角度、發(fā)射質(zhì)量、收攏空間以及轉(zhuǎn)移任務(wù)期間沿懸梯方向兩器遮擋對巡視器通訊窗口造成的影響等因素，設(shè)計(jì)人員需與各系統(tǒng)協(xié)同指標(biāo)并結(jié)合地面試驗(yàn)及數(shù)字仿真反復(fù)設(shè)計(jì)校核確定。此外還有諸如型號(hào)繼承性、設(shè)計(jì)通用性、設(shè)計(jì)冗余性等常規(guī)設(shè)計(jì)約束，這些約束貫穿于空間機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)始終，可參閱相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)一步了解[14,16]。

4 嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)方案

二期著陸器采用腿式著陸緩沖機(jī)構(gòu)及巡視器頂部搭載方式，對轉(zhuǎn)移任務(wù)而言，腿式緩沖機(jī)構(gòu)包絡(luò)尺寸增大了水平轉(zhuǎn)移距離，頂部搭載方式進(jìn)一步增加了釋放高度，轉(zhuǎn)移任務(wù)前巡視器離地高度約2.2 m，已遠(yuǎn)超原蘇聯(lián)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)保持的1.1 m最高機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移距離。如釆用常規(guī)坡道式轉(zhuǎn)移方式，在保證安全駛離情況下坡道長度將達(dá)4 m以上，僅對該坡道的搭載設(shè)計(jì)就存在諸多不便。針對二期探測器情況，嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)采用了折展式分段漸傾轉(zhuǎn)移方案，并依此方案先后設(shè)計(jì)了三型驗(yàn)證樣機(jī)。表3為嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)[17]。

表3 嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主要指標(biāo)[17]

4.1 內(nèi)鉸四連桿分段漸傾方案A

方案A為內(nèi)鉸四連桿分段漸傾方案，該案基于四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理，采用雙四連桿擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式，內(nèi)側(cè)鉸鏈展開鎖定后與兩側(cè)連桿共同組成四連桿機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)移懸梯、壓緊釋放機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)、緩釋機(jī)構(gòu)、連接框等組成。其中，懸梯起承載及導(dǎo)向作用，四連桿及連接框起支撐及回轉(zhuǎn)作用，緩釋機(jī)構(gòu)起釋放控制及停機(jī)作用，緩釋索兩端分別連接緩釋電機(jī)和連接框起釋放調(diào)節(jié)作用，如圖4所示。

內(nèi)鉸四連桿分段漸傾方案的特點(diǎn)是采用了四連桿機(jī)構(gòu)，其承載能力強(qiáng)、機(jī)構(gòu)簡單且可靠性高，但連桿機(jī)構(gòu)地形適應(yīng)能力不足。經(jīng)地面樣機(jī)驗(yàn)證，其可適角度低于指標(biāo)要求，后由二段折展改為三段折展增加懸梯長度以后，方案在著陸區(qū)與水平面夾角不大于9°、著陸后探測器姿態(tài)變化不大于6°、轉(zhuǎn)移通道在20°以內(nèi)，滿足指標(biāo)要求。轉(zhuǎn)移過程如圖5所示，圖中藍(lán)線表示四連桿，紅線表示緩釋索，綠線表示轉(zhuǎn)移懸梯。圖6為內(nèi)鉸四連桿轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)樣機(jī)。

圖4 內(nèi)鉸四連桿轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)

圖5 內(nèi)鉸四連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移釋放過程

圖6 內(nèi)鉸四連桿轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)樣機(jī)

4.2 動(dòng)靜繩輪組分段漸傾方案B

方案B為動(dòng)靜繩輪組分段漸傾方案，該案基于繩輪組運(yùn)動(dòng)原理，采用動(dòng)靜繩輪相結(jié)合的設(shè)計(jì)形式，實(shí)現(xiàn)了兩側(cè)懸梯各自獨(dú)立貼覆的運(yùn)動(dòng)形式。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)移懸梯、壓緊釋放機(jī)構(gòu)、隨動(dòng)繩輪、緩釋機(jī)構(gòu)、支撐桿等組成。其中，懸梯起承載及導(dǎo)向作用，隨動(dòng)繩輪通過緩釋索分別連接緩釋電機(jī)和支撐桿末端起釋放調(diào)節(jié)作用，支撐桿起輔助支撐作用，緩釋機(jī)構(gòu)起釋放控制及停機(jī)作用，如圖7所示。

動(dòng)靜繩輪組分段漸傾方案的特點(diǎn)是采用了不完全繩輪結(jié)構(gòu)，其釋放過程可控性好，對著陸姿態(tài)、月面環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，且以繩輪組代替四連桿機(jī)構(gòu)后機(jī)構(gòu)質(zhì)量大幅降低，但繩輪組承載能力及機(jī)構(gòu)可靠性較低。經(jīng)地面樣機(jī)驗(yàn)證，方案滿足指標(biāo)要求，但試驗(yàn)過程中相較于四連桿機(jī)構(gòu)，繩輪組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)常需較大初始力矩，以平衡各繩輪組處摩擦產(chǎn)生的阻力矩，后加裝助推彈簧提升了啟動(dòng)力矩，但系統(tǒng)串聯(lián)環(huán)節(jié)增加，降低了系統(tǒng)可靠度。轉(zhuǎn)移過程如圖8所示，圖中藍(lán)線表示支撐桿，紅線表示緩釋索，綠線表示轉(zhuǎn)移懸梯。圖9為動(dòng)靜繩輪組轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)樣機(jī)。

圖7 動(dòng)靜繩輪組轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)

圖8 動(dòng)靜繩輪組機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移釋放過程

圖9 動(dòng)靜繩輪組轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)樣機(jī)

4.3 外鉸四連桿分段漸傾方案C

方案C為外鉸四連桿分段漸傾方案。考慮到四連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式簡單、可靠性高，但對月面環(huán)境適應(yīng)性較差，而繩輪組獨(dú)立貼覆的設(shè)計(jì)形式對月面有著較好的適應(yīng)性，于是在方案A四連桿機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上結(jié)合方案B繩輪組件獨(dú)立貼覆運(yùn)動(dòng)的思想，以四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了“前期共牽連、后期各貼覆”的方案C轉(zhuǎn)移形式。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)移懸梯、壓緊釋放機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)、緩釋機(jī)構(gòu)、連接框等組成，在沿用雙四連桿擺動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，將外側(cè)連桿內(nèi)移至鉸鏈同側(cè)，此時(shí)內(nèi)側(cè)懸梯與兩側(cè)連桿共同組成四連桿機(jī)構(gòu)，如圖10所示。

圖10 外鉸四連桿轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)

外鉸四連桿分段漸傾方案的特點(diǎn)是兼具四連桿機(jī)構(gòu)及繩輪組方案轉(zhuǎn)移過程的優(yōu)點(diǎn)，在保證機(jī)構(gòu)可靠性的前提下提升了機(jī)構(gòu)適應(yīng)性，但連桿后移后使懸梯展開過程中處于懸臂狀態(tài)，受力及承載情況有所下降。經(jīng)地面樣機(jī)驗(yàn)證，兩段懸梯下，方案在著陸區(qū)與水平面夾角不大于9°、著陸后探測器姿態(tài)變化不大于6°、轉(zhuǎn)移通道在20°以內(nèi)，滿足指標(biāo)要求。轉(zhuǎn)移過程如圖11所示，圖中藍(lán)線表示四連桿，紅線表示緩釋索，綠線表示轉(zhuǎn)移懸梯。圖12為外鉸四連桿轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)樣機(jī)。

圖11 外鉸四連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移釋放過程

圖12 外鉸四連桿轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)樣機(jī)

以上3種轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)方案樣機(jī)性能的比較情況如表4所示，表中符號(hào)√表示在該項(xiàng)比較中占優(yōu)的方案。通過對比可知，內(nèi)鉸四連桿方案A結(jié)構(gòu)簡單，承載能力強(qiáng)，但受限于適應(yīng)性指標(biāo)采用了三段折展轉(zhuǎn)移懸梯設(shè)計(jì)，搭載收攏尺寸及質(zhì)量有所增加；動(dòng)靜繩輪組方案B利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)隨動(dòng)繩輪拉動(dòng)兩側(cè)懸梯實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立貼覆著地，對著陸姿態(tài)、月面環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，釋放過程可控制性好，但系統(tǒng)可靠性有待進(jìn)一步論證；外鉸四連桿方案C機(jī)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高，但連桿后移設(shè)計(jì)使得懸梯展開后承載能力和可控性分別相較于方案A與方案B有所降低。設(shè)計(jì)人員綜合比較后選擇了方案C作為嫦娥分段漸傾轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)正樣方案供二期探測器搭載，執(zhí)行嫦娥三號(hào)及四號(hào)巡視器轉(zhuǎn)移釋放任務(wù)。

表4 轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)方案比較

5 嫦娥分段漸傾轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

由4.3節(jié)正樣方案可知，根據(jù)二期巡視器與著陸器兩器分離釋放的任務(wù)特點(diǎn)，嫦娥探測器上搭載的轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)采用了折展式分段漸傾變自由度機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式，其主要由轉(zhuǎn)移懸梯、折展鉸鏈、壓緊釋放機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、緩釋機(jī)構(gòu)等組成。該設(shè)計(jì)形式使得轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)移任務(wù)過程中實(shí)現(xiàn)了對機(jī)構(gòu)展開過程的避障設(shè)計(jì)、巡視器轉(zhuǎn)移過程的控制設(shè)計(jì)、駛離過程的穩(wěn)定設(shè)計(jì)以及攜器觸地過程的自適應(yīng)設(shè)計(jì)，同時(shí)還確保了轉(zhuǎn)移任務(wù)過程中對突發(fā)情況的停止策略等相關(guān)設(shè)計(jì)，從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)角度保證了轉(zhuǎn)移任務(wù)順利進(jìn)行。本節(jié)將對上述嫦娥分段漸傾轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行說明。

5.1 展開過程避障設(shè)計(jì)

折展式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的展開過程是整個(gè)轉(zhuǎn)移任務(wù)成功的關(guān)鍵，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在展開階段的工作主要由壓緊釋放機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)移懸梯完成，其執(zhí)行過程為：壓緊釋放機(jī)構(gòu)釋放轉(zhuǎn)移懸梯，懸梯在折展鉸鏈及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的共同作用下展開，懸梯展開到位后鎖定形成可供巡視器行駛的通道。轉(zhuǎn)移懸梯由左右兩組相互獨(dú)立的懸梯共同組成，相應(yīng)的分別安裝于轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)基體兩側(cè)，與巡視器規(guī)劃輪跡對應(yīng)，共同組成巡視器駛離路徑。該兩側(cè)懸梯獨(dú)立展開的設(shè)計(jì)形式可以有效保證轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在展開過程中較好地適應(yīng)探測器上其他載荷設(shè)備造成的干涉及月面上非確知環(huán)境形成的障礙，從而保證展開過程的順利進(jìn)行。

5.2 轉(zhuǎn)移過程控制設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)完成展開動(dòng)作后，巡視器將選擇適合的窗口時(shí)間駛上轉(zhuǎn)移懸梯執(zhí)行轉(zhuǎn)移任務(wù)。在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移巡視器的過程中，為保證任務(wù)的順利進(jìn)行，機(jī)構(gòu)對轉(zhuǎn)移釋放過程的可控性至關(guān)重要。嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)移過程主要由連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其工作過程為：在轉(zhuǎn)移釋放階段開始后，巡視器駛上展開到位后的轉(zhuǎn)移懸梯后駐停，懸梯依靠自身強(qiáng)度和剛度為巡視器提供有效支撐和運(yùn)行軌道，同時(shí)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)緩釋機(jī)構(gòu)電機(jī)工作并通過緩釋索緩慢釋放連桿機(jī)構(gòu)，懸梯與巡視器在受重力及緩釋機(jī)構(gòu)的共同作用下平穩(wěn)下降，并在轉(zhuǎn)移過程中保持機(jī)構(gòu)平穩(wěn)，避免產(chǎn)生沖擊。在轉(zhuǎn)移釋放過程中，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)角位移傳感器將在轉(zhuǎn)移懸梯下放過程中提供轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角值，當(dāng)轉(zhuǎn)移過程中出現(xiàn)突發(fā)情況或下放過程中的角位移有誤時(shí)，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)隨即鎖死，以避免機(jī)構(gòu)損壞，從而保障轉(zhuǎn)移過程可控。

5.3 觸地過程適應(yīng)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)對探測星體表面環(huán)境的適應(yīng)能力是評(píng)估轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)移任務(wù)能否安全實(shí)現(xiàn)的重要指標(biāo)?？紤]到月面著陸區(qū)域非確知地形環(huán)境對嫦娥探測器轉(zhuǎn)移任務(wù)的影響，于是對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的觸地過程提出了機(jī)構(gòu)自適應(yīng)設(shè)計(jì)要求。嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在觸地階段的工作主要由轉(zhuǎn)移懸梯與連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，二者通過連接鉸鏈相連，其執(zhí)行過程為：在轉(zhuǎn)移懸梯與巡視器在重力及緩釋機(jī)構(gòu)作用下向月面轉(zhuǎn)移的過程中，轉(zhuǎn)移懸梯的前端將先與月面接觸，在發(fā)生接觸碰撞后，前端停止下落且連接鉸鏈隨即反向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)轉(zhuǎn)移懸梯的后端將繼續(xù)保持下降以適應(yīng)月面形狀，待兩側(cè)懸梯分別觸地并適應(yīng)當(dāng)前月面環(huán)境后，巡視器結(jié)束駐停狀態(tài)駛下懸梯，轉(zhuǎn)移階段任務(wù)結(jié)束。

根據(jù)探月一期嫦娥一號(hào)及二號(hào)繞月探測器給出的測繪信息，月面高地地區(qū)和撞擊坑內(nèi)側(cè)坡度一般大于30°，撞擊坑外側(cè)坡度一般小于25°。為保障著陸任務(wù)的高可靠性，二期探測器的著陸地點(diǎn)選定在坡度不大于9°的平坦區(qū)域[18]。當(dāng)探測器轉(zhuǎn)入著陸階段，著陸器在距離月面4 m高度處自由落體，通過著陸緩沖機(jī)構(gòu)承受沖擊過載，此時(shí)支撐腿產(chǎn)生不等距壓縮和拉伸，導(dǎo)致著陸器本體相對于著陸平面產(chǎn)生不大于6°的俯仰角[19]。嫦娥探測器轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)即針對以上著陸點(diǎn)環(huán)境和著陸器俯仰角設(shè)計(jì)適應(yīng)月面環(huán)境，其中，著陸器與巡視器正向斜面正仰、反向斜面負(fù)仰姿態(tài)下轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)觸地適應(yīng)過程如圖13所示。

圖13 轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)俯仰姿態(tài)觸地適應(yīng)

5.4 駛離過程穩(wěn)定設(shè)計(jì)

在巡視器駛上轉(zhuǎn)移懸梯前，轉(zhuǎn)移懸梯展開到位后鎖定，通過鎖定折展鉸鏈，懸梯此時(shí)由機(jī)構(gòu)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)，自由度減少，剛度增加，為巡視器提供有效支撐和駛離通道。在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)完成觸地動(dòng)作后，巡視器將選擇適合的窗口時(shí)間駛離轉(zhuǎn)移懸梯執(zhí)行轉(zhuǎn)移任務(wù)。在巡視器駛上、駐停、駛離過程中，懸梯既要保持輕量化設(shè)計(jì)和高剛度的需求，同時(shí)還需保證駛離過程平穩(wěn)以防止巡視器側(cè)翻，尤其在極限傾角情況下，需保障巡視器沿懸梯導(dǎo)軌安全平穩(wěn)駛下，其相關(guān)設(shè)計(jì)為：為保持輕量化設(shè)計(jì)和高剛度需求，轉(zhuǎn)移懸梯采用先折展后鎖定的變自由度設(shè)計(jì)，為巡視器行駛及駐停提供了有效支撐；為避免巡視器在轉(zhuǎn)移過程中從懸梯上滑落，采用齒輪擬合原理，基于巡視器車輪的輪輞和輪齒的特性，建立懸梯軌道齒面方程，使巡視器在懸梯上運(yùn)動(dòng)為嚙合運(yùn)動(dòng)，增加了轉(zhuǎn)移過程的穩(wěn)定性；為保證巡視器在懸梯轉(zhuǎn)移過程中不發(fā)生滑動(dòng)和側(cè)移，在懸梯托板上設(shè)置限位裝置，并通過不對稱懸梯以及前段擋塊設(shè)計(jì)，保證了巡視器在極端著陸姿態(tài)下的轉(zhuǎn)移穩(wěn)定性和可靠性，如圖14所示。

圖14 轉(zhuǎn)移懸梯通道設(shè)計(jì)

5.5 機(jī)構(gòu)兩器約束設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)作為探測器搭載的載荷分系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)受探測器的整體布局影響較大，其中包括著陸緩沖機(jī)構(gòu)安裝位置、巡視器安裝位置、著陸器整器高度等。具體的，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式主要取決于著陸器與巡視器連接關(guān)系的設(shè)計(jì)，即巡視器在著陸器上的安裝位置、包絡(luò)狀態(tài)和固定方式，其中最為關(guān)鍵的因素是轉(zhuǎn)移前巡視器的離地高度。在探月二期工程的技術(shù)論證過程中，國內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)部門已經(jīng)提出并確立了腿式著陸器的初步方案[20]，由于月球表面復(fù)雜的環(huán)境條件以及巡視器、著陸器相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸的嚴(yán)格限制，要求轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)體積和重量小、強(qiáng)度和剛度高、且具有良好的環(huán)境適應(yīng)性以及與著陸器設(shè)備環(huán)境的相容性。為此設(shè)計(jì)人員在著陸器、巡視器兩器已形成的嚴(yán)苛設(shè)計(jì)約束下對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)及材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)對兩器安裝、搭載、輕質(zhì)、可靠等相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

5.6 機(jī)構(gòu)組件抗性設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)作為空間機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足功能需求的同時(shí)，還需滿足航天任務(wù)對于空間環(huán)境的適應(yīng)要求，以保證機(jī)構(gòu)能夠在發(fā)射、姿軌機(jī)動(dòng)、動(dòng)力下降、月面著陸及月面環(huán)境等一系列嚴(yán)苛環(huán)境下正常工作并完成轉(zhuǎn)移任務(wù)。具體的，針對空間真空環(huán)境和月球表面月塵環(huán)境，對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)活動(dòng)部件進(jìn)行防冷焊設(shè)計(jì)、潤滑設(shè)計(jì)及防塵設(shè)計(jì)；針對空間高低溫環(huán)境，對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)進(jìn)行熱防護(hù)設(shè)計(jì)，并對高低溫環(huán)境下轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副材料線膨脹系數(shù)進(jìn)行分析，以選擇合適間隙，保證機(jī)構(gòu)在高低溫交變環(huán)境下不發(fā)生卡死；針對空間電磁輻射環(huán)境，對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)內(nèi)的電器元件以金屬外殼包覆，并通過輻照試驗(yàn)分析輻照對材料彈性、強(qiáng)度及機(jī)械性能的影響，設(shè)計(jì)符合防輻射要求的殼體；針對空間粒子環(huán)境，對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)電氣系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)，防止空間重離子及質(zhì)子效應(yīng)對電氣系統(tǒng)造成的影響，尤其是高能粒子對電子器件的燒毀和擊穿效應(yīng)；針對發(fā)射、變軌及著陸等惡劣力學(xué)環(huán)境，對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)部件及整機(jī)進(jìn)行靜力及動(dòng)力分析，考慮振動(dòng)、沖擊及過載等力學(xué)環(huán)境對機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的影響。上述轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)各項(xiàng)設(shè)計(jì)皆需通過地面環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)證，保障轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)滿足抗性要求。

5.7 機(jī)構(gòu)停止策略設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)完成觸地動(dòng)作并適應(yīng)月面環(huán)境后，停止判位機(jī)構(gòu)工作，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)停機(jī)，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將作為支撐結(jié)構(gòu)及傳感設(shè)備繼續(xù)為著陸器及巡視器服務(wù)。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的停機(jī)過程由停止判位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，停止判位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)即在轉(zhuǎn)移任務(wù)過程中提供機(jī)構(gòu)停止功能，以保證轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)移任務(wù)結(jié)束后或機(jī)構(gòu)故障時(shí)停止機(jī)構(gòu)動(dòng)作，從而保證機(jī)構(gòu)及載荷設(shè)備的安全，其由緩釋電機(jī)、緩釋索、轉(zhuǎn)動(dòng)到位開關(guān)、松弛到位開關(guān)組成，如圖15所示。停止判位機(jī)構(gòu)的工作方式為：當(dāng)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)順利完成觸地動(dòng)作后，此時(shí)連接鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)到限位位置，轉(zhuǎn)動(dòng)到位開關(guān)觸發(fā)，停止判位機(jī)構(gòu)工作，向控制器發(fā)送停機(jī)指令，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)停機(jī)；當(dāng)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在動(dòng)作過程中出現(xiàn)故障或連接鉸鏈卡死時(shí)，此時(shí)緩釋電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致緩釋索瞬時(shí)松弛，松弛到位開關(guān)觸發(fā)，停止判位機(jī)構(gòu)工作，向控制器發(fā)送急停指令，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)及時(shí)停機(jī)，為故障安全處理提供支撐，保障轉(zhuǎn)移任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。

5.8 機(jī)構(gòu)任務(wù)環(huán)境設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與任務(wù)執(zhí)行的可靠性，以及全任務(wù)周期內(nèi)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與其他星載機(jī)構(gòu)及載荷設(shè)備的協(xié)同性能，需在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)考慮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及任務(wù)過程的可驗(yàn)性及可驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，從而為轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)建立有效的地面模擬試驗(yàn)。其中，為了模擬著陸區(qū)月面環(huán)境，建立了月面模擬試驗(yàn)場，并布置了坡度不同、粒徑不一、深淺不同的斜坡、石塊和凹坑模擬非確知環(huán)境；為了模擬月面重力環(huán)境，設(shè)計(jì)了低重力斜面試驗(yàn)及低重力懸掛試驗(yàn)，以分別為轉(zhuǎn)移懸梯及轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)單機(jī)提供低重力環(huán)境模擬，如圖16所示；為了模擬轉(zhuǎn)移任務(wù)過程，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與模擬裝置、巡視器單機(jī)、著陸器整機(jī)、及探測器系統(tǒng)的聯(lián)試方案[21]。以上機(jī)構(gòu)任務(wù)環(huán)境的設(shè)計(jì)有效支持了轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的地面驗(yàn)證工作，保障了在軌轉(zhuǎn)移任務(wù)的順利進(jìn)行。

6 轉(zhuǎn)移釋放任務(wù)驗(yàn)證

6.1 地面驗(yàn)證

嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)地面驗(yàn)證主要包括有模擬月面重力下轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)展開試驗(yàn)；模擬月面重力下轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)緩釋、避障、觸地及急停等機(jī)構(gòu)功能試驗(yàn)；模擬月面環(huán)境下轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)關(guān)鍵件抗性試驗(yàn)；模擬極限著陸姿態(tài)下轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)自適應(yīng)性試驗(yàn)；轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)力、熱、真空、聲振、電磁輻照及組合環(huán)境試驗(yàn)；轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)電性能測試試驗(yàn)；轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與巡視器、著陸器及兩器聯(lián)合試驗(yàn)等。此外，為配合轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的地面驗(yàn)證，還開展了著陸模擬試驗(yàn)以模擬著陸器著陸緩沖機(jī)構(gòu)不等距壓縮和拉伸及月面坡度對兩器姿態(tài)的影響、巡視模擬試驗(yàn)以模擬巡視器駛離轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)時(shí)對機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的影響等與轉(zhuǎn)移任務(wù)相關(guān)的地面驗(yàn)證內(nèi)容。

6.2 在軌驗(yàn)證

北京時(shí)間2013年12月2日1時(shí)31分，探月二期嫦娥三號(hào)探測器由長征三號(hào)乙型運(yùn)載火箭成功發(fā)射；14日21時(shí)11分，嫦娥三號(hào)著陸器成功著陸于月球近地面虹灣任務(wù)區(qū)，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)順利解鎖并成功展開；15日4時(shí)35分，巡視探測器與著陸探測器成功分離釋放，“玉兔號(hào)”巡視器經(jīng)由轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)順利駛抵月球表面。

北京時(shí)間2018年12月8日2時(shí)23分，探月二期嫦娥四號(hào)探測器由長征三號(hào)乙型運(yùn)載火箭成功發(fā)射；2019年1月3日10時(shí)26分，嫦娥四號(hào)著陸器成功著陸于月球遠(yuǎn)地面艾特肯盆地任務(wù)區(qū)，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)順利解鎖并成功展開；3日22時(shí)22分，巡視探測器與著陸探測器成功分離釋放，“玉兔二號(hào)”巡視器經(jīng)由轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)順利駛抵月球表面。

以上巡視器與著陸器分離釋放過程中，嫦娥三號(hào)及四號(hào)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)按預(yù)定程序順利完成各階段任務(wù)，各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，保障了探月任務(wù)的順利進(jìn)行，為轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了有效驗(yàn)證和在軌經(jīng)驗(yàn)。圖17為“玉兔二號(hào)”巡視器駛離嫦娥四號(hào)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)過程的影像。

圖17 嫦娥四號(hào)巡視器轉(zhuǎn)移任務(wù)駛離過程影像

7 結(jié) 論

嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是探月工程重要且有標(biāo)志性意義的重要研發(fā)工作，是中國自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐的代表，本文對其設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了研究：

1) 以月球探測二期工程嫦娥系列探測器轉(zhuǎn)移任務(wù)為例，對嫦娥探測器轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)移釋放任務(wù)進(jìn)行說明，明確了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。

2) 針對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，結(jié)合轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮的因素，對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)及約束情況進(jìn)行了闡述。

3) 在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)約束基礎(chǔ)上給出嫦娥探測器分段漸傾轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)方案及正樣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對包括展開避障設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)移控制設(shè)計(jì)、觸地適應(yīng)設(shè)計(jì)等成果經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)。

4) 對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)地面及在軌情況進(jìn)行說明，驗(yàn)證嫦娥分段漸傾轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，為我國后續(xù)探測任務(wù)及轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了支持。