嫦娥探測器分段漸傾轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計

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)實驗室，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)實驗室，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)的深空探測計劃。目前，探月一期、二期工程已經(jīng)順利實施，其中，探月一期嫦娥一號及二號探測器成功實現(xiàn)了對月球表面的精細(xì)測繪[1]；探月二期嫦娥三號及四號探測器成功實現(xiàn)了對月球近地面與遠(yuǎn)地面的著陸及巡視勘查[2]；計劃發(fā)射的探月三期嫦娥五號探測器將實現(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)驗的總結(jié)。本文旨在以探月二期工程中為保障嫦娥三號及四號巡視器著陸釋放任務(wù)順利實施而完全自主設(shè)計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)計約束進(jìn)行總結(jié)，同時結(jié)合參研經(jīng)驗對樣機(jī)選型過程、關(guān)鍵設(shè)計、工程狀態(tài)及任務(wù)驗證情況進(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)計工作提供工程經(jīng)驗及型號支持。

1 嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)

月球探測二期工程以嫦娥三號及四號探測器實現(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)。嫦娥三號及四號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”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)計及驗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，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及四號轉(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)計經(jīng)驗，對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主要設(shè)計特點(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)計中最為重要的評價指標(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)。空間機(jī)構(gòu)常需根據(jù)任務(wù)需求在空間產(chǎn)生動作或運(yùn)動，有的甚至需在全任務(wù)周期內(nèi)保持長期運(yùn)動，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)可靠度計算公式為

(1)

式中：R為單元可靠度；n為單元個數(shù)。

串聯(lián)壽命型系統(tǒng)可靠度計算公式為

(2)

式中:t為工作時間；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)行可靠度試驗及經(jīng)驗核算后，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。考慮到轉(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)本身的動作能力及材料性能，還會影響到與機(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)動作可重復(fù)性

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行展開釋放動作的變自由度機(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)動作的可重復(fù)性提出了設(shè)計要求。此外，在二期轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的后續(xù)型號中，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，實現(xiàn)載荷機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計的目的，目前已由嫦娥四號轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)先期開展了部分功能的在軌驗證工作。

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)動作，并在著陸器整機(jī)及探測器系統(tǒng)級聯(lián)試中連續(xù)執(zhí)行轉(zhuǎn)移任務(wù)全周期動作(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)計之初便需充分考慮到對運(yùn)載平臺的適配性，從而選擇合適平臺執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。受平臺限制，空間機(jī)構(gòu)必須經(jīng)過嚴(yán)格的零部件級的尺寸、材料、質(zhì)量設(shè)計，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)動電機(jī)和傳感元件，考慮到搭載平臺受空間環(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)計指標(biāo)≤3 780 kg)、轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)質(zhì)量17.5 kg(設(shè)計指標(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、存儲和分配過程進(jìn)行驗證，確保滿足任務(wù)需求的同時符合供源要求。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)計過程中，除考慮供源及空間環(huán)境外，機(jī)構(gòu)設(shè)計人員需協(xié)同機(jī)電設(shè)計人員在機(jī)構(gòu)設(shè)計中充分考慮電氣、電子及相關(guān)線路的設(shè)計要求和規(guī)范，保證電氣及電子設(shè)備的正常可靠運(yùn)行，實現(xiàn)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)機(jī)-電設(shè)計的協(xié)同性。在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計完成后，需通過地面加電試驗驗證機(jī)電設(shè)計的可行性，包括在加電試驗前對電纜標(biāo)識、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，累計地面加電測試時長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)計要求。

3.7 地面模擬可驗性

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)用的方式來驗證航天產(chǎn)品的有效性和可靠性，因此地面模擬試驗往往是檢驗航天器及其搭載有效載荷系統(tǒng)的主要方式和可靠手段。考慮到地面環(huán)境與月面環(huán)境的較大差異，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)地面模擬試驗環(huán)境的搭建及地面模擬環(huán)境下轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)驗證方案的制定是在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計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)，驗證難度較大。為此在探月二期工程中建立了月面模擬試驗場，以期可靠的模擬著陸區(qū)任務(wù)環(huán)境，如圖3所示。嫦娥三號及四號探測器先后在月面模擬試驗場內(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)行了地面模擬驗證，以滿足可驗性要求。

圖3 月面模擬試驗場

除上述主要設(shè)計約束外，在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計過程中還應(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)計懸梯長度時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)計人員需與各系統(tǒng)協(xié)同指標(biāo)并結(jié)合地面試驗及數(shù)字仿真反復(fù)設(shè)計校核確定。此外還有諸如型號繼承性、設(shè)計通用性、設(shè)計冗余性等常規(guī)設(shè)計約束，這些約束貫穿于空間機(jī)構(gòu)的設(shè)計始終，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)計了三型驗證樣機(jī)。表3為嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主要設(shè)計指標(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)動原理，采用雙四連桿擺動機(jī)構(gòu)的設(shè)計形式，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 動靜繩輪組分段漸傾方案B

方案B為動靜繩輪組分段漸傾方案，該案基于繩輪組運(yùn)動原理，采用動靜繩輪相結(jié)合的設(shè)計形式，實現(xiàn)了兩側(cè)懸梯各自獨(dú)立貼覆的運(yùn)動形式。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)驗證，方案滿足指標(biāo)要求，但試驗過程中相較于四連桿機(jī)構(gòu)，繩輪組轉(zhuǎn)動時常需較大初始力矩，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為動靜繩輪組轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)樣機(jī)。

圖7 動靜繩輪組轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)

圖8 動靜繩輪組機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移釋放過程

圖9 動靜繩輪組轉(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)動的思想，以四連桿機(jī)構(gòu)實現(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機(jī)構(gòu)設(shè)計的同時，將外側(cè)連桿內(nèi)移至鉸鏈同側(cè)，此時內(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√表示在該項比較中占優(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，搭載收攏尺寸及質(zhì)量有所增加；動靜繩輪組方案B利用電機(jī)驅(qū)動隨動繩輪拉動兩側(cè)懸梯實現(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)行嫦娥三號及四號巡視器轉(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

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)計形式使得轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)移任務(wù)過程中實現(xiàn)了對機(jī)構(gòu)展開過程的避障設(shè)計、巡視器轉(zhuǎn)移過程的控制設(shè)計、駛離過程的穩(wěn)定設(shè)計以及攜器觸地過程的自適應(yīng)設(shè)計，同時還確保了轉(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，從機(jī)構(gòu)設(shè)計角度保證了轉(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)計環(huán)節(jié)進(jìn)行說明。

5.1 展開過程避障設(shè)計

折展式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的展開過程是整個轉(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

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)完成展開動作后，巡視器將選擇適合的窗口時間駛上轉(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，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

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)對探測星體表面環(huán)境的適應(yīng)能力是評估轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計及轉(zhuǎn)移任務(wù)能否安全實現(xiàn)的重要指標(biāo)。考慮到月面著陸區(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)探月一期嫦娥一號及二號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

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)完成觸地動作后，巡視器將選擇適合的窗口時間駛離轉(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)計和高剛度的需求，同時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)計為：為保持輕量化設(shè)計和高剛度需求，轉(zhuǎn)移懸梯采用先折展后鎖定的變自由度設(shè)計，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)動為嚙合運(yùn)動，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，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

5.5 機(jī)構(gòu)兩器約束設(shè)計

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，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)計人員在著陸器、巡視器兩器已形成的嚴(yán)苛設(shè)計約束下對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)及材料進(jìn)行設(shè)計，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)計要求。

5.6 機(jī)構(gòu)組件抗性設(shè)計

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)作為空間機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)設(shè)計在滿足功能需求的同時，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、動力下降、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)活動部件進(jìn)行防冷焊設(shè)計、潤滑設(shè)計及防塵設(shè)計；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，并對高低溫環(huán)境下轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)運(yùn)動副材料線膨脹系數(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，并通過輻照試驗分析輻照對材料彈性、強(qiáng)度及機(jī)械性能的影響，設(shè)計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，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)行靜力及動力分析，考慮振動、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)各項設(shè)計皆需通過地面環(huán)境試驗進(jìn)行嚴(yán)格驗證，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

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)完成觸地動作并適應(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)實現(xiàn)，停止判位機(jī)構(gòu)的設(shè)計即在轉(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)故障時停止機(jī)構(gòu)動作，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)順利完成觸地動作后，此時連接鉸鏈轉(zhuǎn)動到限位位置，轉(zhuǎn)動到位開關(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)在動作過程中出現(xiàn)故障或連接鉸鏈卡死時，此時緩釋電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動導(dǎo)致緩釋索瞬時松弛，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

為驗證轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性與任務(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)計的同時考慮機(jī)構(gòu)設(shè)計及任務(wù)過程的可驗性及可驗方案設(shè)計，從而為轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)建立有效的地面模擬試驗。其中，為了模擬著陸區(qū)月面環(huán)境，建立了月面模擬試驗場，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)計了低重力斜面試驗及低重力懸掛試驗，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)計有效支持了轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的地面驗證工作，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)驗證

6.1 地面驗證

嫦娥轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)地面驗證主要包括有模擬月面重力下轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)展開試驗；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；模擬月面環(huán)境下轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)關(guān)鍵件抗性試驗；模擬極限著陸姿態(tài)下轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)自適應(yīng)性試驗；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；轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)電性能測試試驗；轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與巡視器、著陸器及兩器聯(lián)合試驗等。此外，為配合轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的地面驗證，還開展了著陸模擬試驗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、巡視模擬試驗以模擬巡視器駛離轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)時對機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的影響等與轉(zhuǎn)移任務(wù)相關(guān)的地面驗證內(nèi)容。

6.2 在軌驗證

北京時間2013年12月2日1時31分，探月二期嫦娥三號探測器由長征三號乙型運(yùn)載火箭成功發(fā)射；14日21時11分，嫦娥三號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35分，巡視探測器與著陸探測器成功分離釋放，“玉兔號”巡視器經(jīng)由轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)順利駛抵月球表面。

北京時間2018年12月8日2時23分，探月二期嫦娥四號探測器由長征三號乙型運(yùn)載火箭成功發(fā)射；2019年1月3日10時26分，嫦娥四號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22分，巡視探測器與著陸探測器成功分離釋放，“玉兔二號”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，嫦娥三號及四號轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)按預(yù)定程序順利完成各階段任務(wù)，各項功能和性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求，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)計及應(yīng)用提供了有效驗證和在軌經(jīng)驗。圖17為“玉兔二號”巡視器駛離嫦娥四號轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)過程的影像。

圖17 嫦娥四號巡視器轉(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)計與工程實踐的代表，本文對其設(shè)計過程進(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)計需求。

2) 針對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計需求，結(jié)合轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在設(shè)計過程中應(yīng)考慮的因素，對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主要設(shè)計特點(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)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對包括展開避障設(shè)計、轉(zhuǎn)移控制設(shè)計、觸地適應(yīng)設(shè)計等成果經(jīng)驗進(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，驗證嫦娥分段漸傾轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)計的可行性，為我國后續(xù)探測任務(wù)及轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的設(shè)計提供了支持。