刘卫 马超 鄢青青 满剑锋 刘荣凯 季节 钱成

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094) (2 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨 150001)

在星球巡视探测任务中，星球车一般要通过带有缓冲装置的着陆器搭载，待着陆器软着陆后，通过转移机构安全转移至星球表面[1-4]。着陆器在星球表面软着陆时存在非常多的不确定性[5]，使得星球车的安全转移尤为关键。20世纪70年代初期，苏联向月球投送了无人月球探测器月球车-1，2(Lunokhod-1，2)。Lunokhod安放在着陆器上表面，着陆器前后均布置1套转移机构[6-7]。美国阿波罗(Apollo)系列任务采用的转移机构，由航天员在着陆后手动操控绳索与导轮完成月球车的抽出与展开[8]。美国于1996年12月4日发射火星探路者(MPF)着陆器，搭载索杰纳(Sojourner)火星车，MPF着陆器结构由1块基板和3块侧板组成，收拢状态为四面体。Sojourner利用2条收拢在侧板上的柔性坡道进行转移[9-10]。美国于2003年6月10日和7月1日分别向火星投送了2辆相同的火星车——火星探测巡视器(MER)。MER着陆器与MPF着陆器的构造相似，不同的是，着陆器侧板展开后，连接在侧板之间的纤维布随之展开，在MER的3个方向形成柔性转移坡道，使MER火星车可根据情况选择不同的方向转移[11-13]。2012年8月6日，美国火星科学实验室(MSL)采用下降平台(带有4组反推力火箭发动机)悬挂火星车的方式完成着陆释放，突破了基于着陆平台转移方式的限制，可以在倾角不大于15°、岩石尺寸包络不大于0.55 m的复杂地形着陆[14-16]。2013年12月2日，中国发射了嫦娥三号探测器，并向月面投送了玉兔号月球车。着陆器软着陆后，转移机构展开，形成供月球车转移的通道[17]。

着陆地形环境的复杂性及着陆器着陆姿态的随机性，要求转移机构能适应地形地貌，提供多方向的转移通道，以保证星球车安全转移并提高任务的可靠性。国内外星球着陆探测任务中，刚性转移机构一般采用多套机构实现多方向的星球车转移通道，转移机构质量占比大，所占用的布局空间多。

本文以火星巡视探测任务为背景，提出了双向可选展开的坡道式转移机构方案设计。发射状态下，可充分利用火星进入舱壁与火星车之间的空间，收拢折叠效率高；在展开时，根据地形条件选择更为有利的方向展开，可为火星车提供刚性转移坡道。在此基础上，通过对各种地形因素的简化处理，推导出地形因素、坡道长度等主要几何参数与火星车转移姿态的关系，进而以坡道角及异面角为设计目标，对坡道长度需求进行分析，可为类似的地外天体着陆巡视任务提供参考。

1 坡道式转移机构方案设计

火星车转移机构的首要功能是为火星车提供可靠的转移通道，以缓冲腿方式着陆后，在火星车与火星表面间距较大的条件下，火星车转移机构应具有足够的长度，从而尽可能减小火星车转移的坡道角。此外，鉴于火星存在大气环境，火星车及转移机构要包裹在进入舱背罩及防热大底内，因此转移机构的设计必须考虑进入着陆系统的外形及包络尺寸，以满足发射的包络空间需求。图1[18]为美国前期火星进入着陆任务探测器海盗号(Viking)进入舱的外形(后期的火星探测器气动外形均参考了这种外形设计)，主要由两锥段的背罩及防热大底组成。本文在提高转移任务整体可靠性的目标下，以海盗号外形为依据，对火星车转移机构要重点解决的布局设计、转移通道方向的可选设计、展开长度最大化设计及轻量化设计等问题进行分析。

图1 海盗号进入舱外形Fig.1 Viking aeroshell geometry

1.1 适合于火星探测器构型的布局设计

图2为依据海盗号进入舱外形建立的包络空间分析，在布置假想的火星车后，火星车占据了进入舱中心内的大部分空间，仅与进入舱背罩壁之间留有一些间距，即图2中白色虚线标示的区域，转移机构可用空间狭小且分散，被火星车分割成数块区域。为满足火星车转移姿态要求，转移机构在展开后应具有足够的长度，而整个进入舱内没有足够平直的空间可供使用，对转移机构的收拢布局设计造成了很大困难。防热大底与火星车之间的区域，要布置着陆平台，用于支撑火星车，很难与其他可用区域协同布置转移机构。

图2 包络空间分析Fig.2 Analysis of folded envelope

为了充分利用进入舱内可用区域并提供双向可选的转移通道，本文设计了双向可选展开的坡道式转移机构，其收拢构型如图3所示。在发射状态下，坡道依靠铰链连接为一体，呈拱形构型，2条坡道分别收拢在火星车上方，将火星车包裹在内。坡道两端与平台连接处均设计有根部铰链，根部铰链与坡道均通过火工品连接。每条坡道主要由3个部分组成，每部分之间由2处中间铰链分别连接。根铰为单向转动铰链，在收拢位置，每条坡道均可构成稳定的梯形结构，能经受发射段的力学载荷。

图3 双向可选展开坡道式转移机构收拢构型Fig.3 Folded configuration of bidirectionally deployable ramp type transfer mechanism

1.2 双向可选的转移通道展开设计

火星着陆任务的未知因素多，着陆及转移风险大，因此，转移机构应能尽可能提供更为有利的转移通道。在满足包络空间的前提下，本文设计的坡道式转移机构可为火星车转移提供2个方向的选择，着陆后根据当地周边环境再确定坡道展开方向，从而提高着陆环境适应性及转移任务的可靠性。

双向可选展开的坡道式转移机构中，两侧的根铰起到连接及分离作用，火工品起爆后，该侧坡道随即解锁。火星车前后的根铰均设计为可分离，因此坡道具备双向可选展开的能力。在抛出背罩及防热大底、着陆平台着陆火星表面后，根据地形地貌确定坡道式转移机构的展开方向，一侧的火工品解锁，解除坡道与根铰及着陆平台的连接。在未解锁一侧的根铰及中间铰链驱动力矩作用下，坡道式转移机构向该方向展开，直至接触火星表面，形成供火星车转移用的通道，火星车即可由坡道行驶至火星表面。图4给出了展开过程。

图4 坡道式转移机构展开过程

1.3 展开长度最大化设计

着陆后转移机构展开到位，其最终坡道角与坡道长度、着陆区域地形、着陆点区域局部地貌及着陆器姿态等因素密切相关。在着陆区域地形、着陆点区域局部地貌等外在因素确定的条件下，火星车转移过程中的坡道角主要由坡道长度决定，坡道长度越大，坡道角越小。双向可选展开的坡道式转移机构，充分利用了进入舱内、火星车前后及上方的3个小空间，转移机构展开后可具有较大的长度。建立转移机构收拢状态模型如图5所示，坡道两侧根铰的安装位置间距B，一般受火星车及着陆舱内空间制约，取值范围有限，可视为固定值；η为火星车前、后方坡道与火星车下表面的夹角。

图5 转移机构收拢状态模型Fig.5 Model of folded transfer mechanism

坡道总长度L是火星车两侧坡道长度L1及火星车上侧坡道长度L2之和，而L1与L2之间满足以下关系。

B=L1cosη+L2+L1cosη

(1)

则坡道总长度为

L=L1+L2+L1=B+2L1(1-cosη)

(2)

由此可知，在B一定的条件下，随着η和L1的增大，坡道总长度也会增大。η及L1的取值范围，由进入舱背罩及火星车的尺寸包络决定。以图1所示的海盗号进入舱外形为例，其最大外径约为3.5 m，背罩高度约为1.05 m，考虑一定的安全间隙，单条坡道总长度范围为3050～3400 mm。

1.4 轻量化及可靠性设计

火星探测为深空探测任务，对各组成部件的质量要求十分严格，在火箭运载能力确定不变的前提下，机构部件的超重将导致科学有效载荷资源受限，会影响任务的科学成果，因此火星车转移机构还应满足轻量化设计要求。本文设计的转移机构主要由坡道、铰链及火工品组成，自身组成简单，有利于减少质量。并且，相比于每套机构实现单方向展开的常规设计，该机构仅设计1套转移机构，利用连接分离铰链的对称设计，实现双向可选展开，能显著减少机构自身质量，具备轻量化设计优势。

火星的低温环境使着陆后蓄电池电能快速下降，转移机构的自身动作应尽可能减少对电能的消耗，因此应尽量采用被动的无源驱动方式，进一步提高转移机构的可靠性。本文设计的转移机构无长期功耗的有源部件，耗能少，依靠铰链驱动力矩即可实现展开。另外，双向可选展开的坡道式转移机构，2条坡道设计为相互独立，当落地点存在凸起或凹坑时，坡道均可分别触碰火星表面，增强了对地形的适应性，可靠性高。

1.5 优势分析

国内外各任务中星球车转移机构对比，如表1所示。除前文所述的优点外，本文提出的坡道式转移机构方案，展开后形成的刚性坡道承载能力强，适用于大质量火星车的转移需求。布局方面，该机构充分利用进入舱背罩壁与火星车之间的狭小空间，纵向包络小，适用于火星任务。

表1 转移机构对比

2 坡道转移姿态分析

2.1 坡道转移姿态分析建模

坡道展开后，在火星车转移过程中的最大坡道角及2条坡道因地形等因素形成的异面角，是影响火星车转移安全性的2个关键指标。

为了便于分析着陆姿态，定义着陆器的坐标系(Oz-XzYzZz)及其相关着陆地形参数。坐标原点Oz：着陆平台正方形上表面的角点；Xz轴：过坐标原点，以火星车转移方向为正；Zz轴：过坐标原点，垂直于着陆器上表面，指向火星车为正；Yz轴：与Xz轴、Zz轴构成右手坐标系。将着陆器与火星着陆环境作为转移机构设计的主要条件因素，着陆姿态及地形参数如图6所示，其中设计参数及其物理意义如表2所示。

图6 着陆姿态及地形参数Fig.6 Landing attitude and landform parameters

参数符号单位物理意义地形角α(°)着陆面与水平面夹角俯仰角β(°)着陆器绕Yz轴回转形成的倾角着陆区域局部地貌高度hmm坡道触地端可能遇到的岩石或凹坑侧倾角δ(°)着陆器绕Xz轴回转形成的倾角方位角ψ(°)着陆器整体绕Zz轴的转角着陆平台边长dmm着陆平台的边长着陆平台高度bmm着陆平台上表面至缓冲腿底部的距离

建立着陆面坐标系(O-XYZ)，Y轴沿坡道面向上，Z轴垂直坡道面向上，O点位于Oz正下方。图7示出了着陆面坐标系及转移机构构型相关参数，其定义如表3所示。

图7 着陆面坐标系及参数

参数符号单位物理意义坡道长度Lmm坡道转移作用长度坡道间距kmm2条坡道之间的距离水平面法向量n着陆区域水平面的法向量异面角γ(°)接触火星表面后2条坡道间的夹角

在坐标系O-XYZ与坐标系Oz-XzYzZz中分析各参数间的关系，利用坐标变换统一转换至坐标系O-XYZ，建立地形因素、坡道构型与转移姿态的关系模型。因为着陆器存在俯仰时会降低着陆平台的高度，进而会减小坡道角及异面角，因此不会对最恶劣着陆工况下的极限转移姿态产生影响，可设俯仰角为0。

如图8所示，点A，C分别为2条坡道与着陆平台的连接点，点B，D分别为2条坡道在着陆区域局部地貌的落点。σ1，σ2分别表示2条坡道的局部地貌。点B是以A为圆心、以坡道长度为半径的圆与局部地貌σ1的交点；点D是以C为圆心、以坡道长度为半径的圆与局部地貌σ2的交点。火星车在坡道上移动时，各车轮与坡道接触，以坡道上的点E，F代表火星车车轮位置。点E，F的取值范围分别为E∈[C，D]，F∈[A，B]，该取值范围涵盖了火星车刚行驶到坡道至完全驶离坡道的全过程。火星车两侧的车轮在坡道上的位置相互组合，形成火星车转移平面ABE及CDF，分别表示为πABE，πCDF。nABE，nCDF分别为火星车转移平面πABE，πCDF的法向量。θABE，θCDF分别为nABE，nCDF与水平面法向量n的夹角，定义为坡道角。

图8 转移姿态求解示意Fig.8 A schematic diagram for solving transfer attitude

由图7及图8的几何关系可知，原点Oz与2条坡道落点处局部地貌σ1，σ2的距离t1，t2可分别表示为

(3)

式中：h1和h2分别为σ1和σ2的高度。

坐标系O-XYZ到坐标系Oz-XzYzZz的变换过程如图9所示，中间经过坐标系O1-X1Y1Z1和O2-X2Y2Z2，坐标变换矩阵见式(4)。其中：坐标系O-XYZ绕Z轴旋转角度ψ，变换为坐标系O1-X1Y1Z1；坐标系O1-X1Y1Z1沿Z1轴平移t，得到坐标系O2-X2Y2Z2；坐标系O2-X2Y2Z2再绕X2轴旋转角度δ，即得到坐标系Oz-XzYzZz。

图9 坐标变换过程Fig.9 Coordinate transformation process

(4)

利用式(4)，可得到点A，B，C，D，E，F在坐标系O-XYZ中的坐标，以点A为例。

(5)

水平面法向量n在坐标系O-XYZ里表示为[0 -sinα-cosα]T。

AB方向矢量可表示为

SAB=(xB-xA)i+(yB-yA)j+(zB-zA)k

(6)

CD方向矢量可表示为

SCD=(xD-xC)i+(yD-yC)j+(zD-zC)k

(7)

式中：i，j，k表示坐标系O-XYZ的3个轴向标准矢量。

分别对火星车转移平面πABE，πCDF的坡道角开展分析。

AE方向矢量可表示为

SAE=(xE-xA)i+(yE-yA)j+(zE-zA)k

(8)

则火星车转移平面πABE的法向量为

nABE=SAE×SAB=

(9)

火星车转移平面πABE的坡道角θABE最大值为

(10)

CF方向矢量可表示为

SCF=(xF-xC)i+(yF-yC)j+(zF-zC)k

(11)

则火星车转移平面πCDF的法向量可表示为

nCDF=SCF×SCD=

(12)

火星车转移平面πCDF的坡道角θCDF最大值为

(13)

取θABE，max和θCDF，max的最大值，即可得到火星车在坡道转移过程中的最大坡道角θmax。

θmax=max (θABE，max,θCDF，max)

(14)

将坡道展开后视为空间矢量，则坡道异面角γ为2条坡道展开后的异面直线夹角，计算如下

(15)

通过上述分析，即获得了坡道角及异面角的数学模型。

2.2 最小坡道长度分析结果

火星车坡道坡道过长，刚度难以保证，且超出设计约束范围；坡道过短，坡道角过大，不利于火星车安全转移。因此，需要分析得到满足火星车转移姿态要求的最小坡道长度。

根据建立的模型可知，影响火星车转移姿态异面角γ和坡道角θ的主要因素，有地形角α和局部地貌高度h、着陆器的侧倾角δ、方位角ψ和坡道长度L。初步确定坡道长度L的取值在1500～5000 mm，令方位角从-180°到180°变化，得到各个地形、各着陆姿态下不同坡道长度对应的转移姿态，如图10所示。得到异面角γ与方位角ψ及坡道长度L的关系如图11所示。结果表明：方位角ψ不影响异面角γ，即异面角γ的大小与着陆器方位角ψ无关。得到坡道角θ与方位角ψ及坡道长度L的关系，如图12所示，θ在固定坡道长度下随方位角作正弦变化。

在展开方向可选的前提下，当火星表面存在一定坡度，且转移机构与横坡方向平行展开时，由于对称性设计，坡道在火星车前、后展开时的坡道角θ及异面角γ相同。以坡道角θ不大于30°、异面角γ不大于8°作为设计目标，得到5种局部地貌下转移姿态与坡道长度L的关系，如图13所示，由此可以得到各工况下所需的最小坡道长度。

图10 坐标系O-XYZ下各坡道长度对应的姿态Fig.10 Attitude corresponding to ramp length in coordinate system O-XYZ

图11 异面角γ与方位角ψ及坡道长度L的关系Fig.11 Relationship between facet angle γ and azimuth angle ψ with ramp length L

图12 坡道角θ与方位角ψ及坡道长度L的关系Fig.12 Relationship between ramp angle θ and azimuth angle ψ with ramp length L

图13 各局部地貌下坡道转移姿态与坡道长度的关系Fig.13 Relationship between transfer attitude and ramp length under different topographic features

图13中，h正值表示火星表面凸起物，负值表示火星表面凹坑。分析结果表明，最小坡道长度需求为3347 mm。值得注意的是，上述坡道角θ及异面角γ指标均为假定值，若在确定的角度指标要求下，分析得到最小坡道长度超出了进入舱布局所允许的坡道长度最大值，即表明已有的进入舱外形、火星车外形包络等初始条件需要适当调整，以保证火星车转移坡道角θ及异面角γ的指标要求。

3 结束语

本文针对着陆器着陆后火星车从一定高度转移至火星表面的需求，结合着陆系统整体构型，设计了一种双向可选展开的坡道式转移机构。该转移机构展开后长度大，包络空间适应性好，具备轻量化特点，适用于“着陆+巡视”的地外天体探测任务。针对转移机构的几何特征，建立了地形参数和转移姿态之间的数学模型。利用该数学模型，分析了各种工况下的火星车转移姿态。结果表明：坡道角随着陆后的方位角呈正弦变化，而异面角与着陆后的方位角无关，在此基础上确定了满足火星车安全转移要求的最小坡道长度。上述设计及分析可为火星转移机构设计提供参考。

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