嫦娥探測器分段漸傾轉移機構設計

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計部 空間智能機器人系統(tǒng)技術與應用北京市重點實驗室，北京 100094

2. 哈爾濱工業(yè)大學 機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室，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、北斗導航等重大工程后，進一步提出了包括月球探測和火星探測在內的深空探測計劃。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(探月四期工程)及火星探測任務正在穩(wěn)步展開，以實現(xiàn)對月球兩極區(qū)及火星任務區(qū)的著陸及科學探測，對月球水冰探測及火星環(huán)境研究具有重要意義[4]。

但是航天任務的成功并非易事，構筑上述圖景的各型任務背后不僅包含了對相關科學問題的探索，還包括了對攻關成果及研制經(jīng)驗的總結。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順利實施而完全自主設計定型的嫦娥分段漸傾轉移機構為對象，根據(jù)轉移任務特點，對巡視器轉移系統(tǒng)的組成、任務需求及設計約束進行總結，同時結合參研經(jīng)驗對樣機選型過程、關鍵設計、工程狀態(tài)及任務驗證情況進行說明，以期為月球后續(xù)任務及火星探測任務中后繼各型探測器轉移機構的設計工作提供工程經(jīng)驗及型號支持。

1 嫦娥轉移機構

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。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移釋放機構(簡稱轉移機構)在內的其他載荷設備組成。探測器通過轉移機構將巡視器由搭載位置轉移釋放至月球表面[5]。因此如何安全可靠地保障巡視器的轉移釋放過程是轉移機構設計的重點，也是二期工程巡視探測任務能否順利完成的關鍵。

針對巡視器在著陸器上的不同搭載方式及轉移形式，轉移機構可以分為折展式、伸縮式、平展式和艙門翻轉式等[6-8]。在各類搭載轉移方式中，考慮到轉移距離不同，轉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，都要求轉移機構具有較強的月面適應能力及較高的可靠性，這對轉移機構的設計及驗證工作帶來了較大挑戰(zhàn)。因此如何在嚴苛約束下以盡可能小的質量代價，滿足強度、剛度和轉移可靠性要求，特別是滿足各種未知著陸環(huán)境的適應性要求，是巡視器轉移機構的設計難點和重點所在。轉移機構的自主研制在中國航天任務中尚屬首次，設計人員針對二期探測器巡視器頂部搭載、轉移機構側壁掛載的布局方式，開創(chuàng)性地提出了折展式分段漸傾變自由度轉移方案，并順利完成嫦娥三號及四號轉移釋放任務。表1為1970—2019年各國在月球及火星表面成功實施的轉移任務情況[9-13]。

2 轉移釋放任務

以二期探測器轉移釋放任務為例，給出轉移機構執(zhí)行轉移釋放任務的具體過程。

考慮到轉移過程即將巡視器從著陸器安裝位置安全運抵至月球表面的過程，因此可以根據(jù)執(zhí)行對象的不同將轉移過程分為壓緊、展開、轉移及觸地等階段，各階段分別由組成轉移機構系統(tǒng)的各分系統(tǒng)機構完成。具體的，在轉運發(fā)射段、地月轉移段、環(huán)月段和動力下降段，轉移機構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壁和頂部；在著陸器安全著陸月面后，轉移機構解鎖，以待將巡視器轉移釋放到月球表面；在轉移釋放過程中，轉移懸梯展開，至其展開到位后鎖定，巡視器駛上轉移懸梯，懸梯依靠自身強度和剛度為巡視器提供有效支撐和行駛通道，與此同時轉移機構根據(jù)位姿信息監(jiān)控駛離過程，并在轉移及駛離過程中保持機構平穩(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構作用下平穩(wěn)下降，在懸梯前端與月面接觸后，轉移機構通過自適應設計使懸梯適應當前月面環(huán)境，巡視器駛下懸梯；巡視器駛離懸梯后，巡視探測任務開始，轉移釋放任務結束。轉移釋放過程如圖1所示。

表1 1970—2019年月火探測轉移任務情況[9-13]

圖1 嫦娥探測器轉移機構轉移釋放過程

3 轉移機構設計約束

轉移機構由于其特殊的應用環(huán)境，使其與地面機構的設計情況存在較大不同。下文根據(jù)嫦娥探測器轉移機構從發(fā)射階段至轉移階段任務情況，結合空間機構設計經(jīng)驗，對轉移機構主要設計特點及約束情況進行闡述。

3.1 機構高可靠性

可靠性是航天器設計中最為重要的評價指標，這是由于航天器在空間環(huán)境中難以維護，如出現(xiàn)故障，其修復成本極高或難以修復。空間機構常需根據(jù)任務需求在空間產(chǎn)生動作或運動，有的甚至需在全任務周期內保持長期運動，故出現(xiàn)故障的可能性比其他結構、電氣電子設備高出很多，因此保證機構工作的高度可靠性是轉移機構設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)機構性質，轉移機構的可靠性主要取決于結構部分和機構部分的可靠性，而機構部分的可靠性主要取決于機構各活動部件的可靠性，因此轉移機構作為串聯(lián)成敗型系統(tǒng)的可靠度為

R=R1×R2×…×Rn

(3)

式中：R為轉移機構的系統(tǒng)可靠度；R1,R2,…,Rn分別為轉移機構所含各結構、機構的可靠度，包括轉移機構結構的可靠度、壓緊釋放機構的可靠度、展開鎖定機構的可靠度及緩釋機構的可靠度等。

嫦娥轉移機構為滿足可靠性要求(設計指標要求≥0.995)，在地面模擬任務環(huán)境下對其機構所含結構、機構進行可靠度試驗及經(jīng)驗核算后，轉移機構系統(tǒng)可靠度為0.997 8以上，轉移機構滿足可靠性要求，相關數(shù)據(jù)矩陣可參閱文獻[15]。

3.2 空間環(huán)境強適應性

轉移機構所處環(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)境及任務環(huán)境等，如表2所示。考慮到轉移機構隨探測器發(fā)射以后，至轉移機構執(zhí)行完巡視器轉移任務為止，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)境對機構的影響相比對結構的影響嚴重得多，以含有大量細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)境不僅嚴重影響月面機構本身的動作能力及材料性能，還會影響到與機構相關的一系列載荷設備的正常運行，這將嚴重影響任務的執(zhí)行，因此在轉移機構設計過程中應密切關注機構對于空間環(huán)境的適應能力。

表2 轉移機構各階段主要環(huán)境

嫦娥轉移機構為滿足適應性要求，在地面模擬任務下對真空環(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-200～+120 ℃)、電磁輻射環(huán)境(輻照量>12.1 kcal/cm2)等空間環(huán)境進行測試，以求確保轉移機構滿足空間適應性要求。

3.3 任務動作可重復性

轉移機構作為執(zhí)行展開釋放動作的變自由度機構，雖不同于天線指向機構、機械臂關節(jié)機構等需在軌持續(xù)動作，僅在轉移任務中執(zhí)行一次，但考慮其在地面裝配和試驗階段需反復多次測試，因此機構仍需具備重復使用特性，于是對轉移機構任務動作的可重復性提出了設計要求。此外，在二期轉移機構的后續(xù)型號中，將利用轉移機構可重復性特點承擔對著陸區(qū)近域月壤環(huán)境的感知觸探工作，實現(xiàn)載荷機構一體化設計的目的，目前已由嫦娥四號轉移機構先期開展了部分功能的在軌驗證工作。

嫦娥轉移機構為滿足可重復性要求，在地面模擬任務環(huán)境下以部件及單機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)行任務動作，并在著陸器整機及探測器系統(tǒng)級聯(lián)試中連續(xù)執(zhí)行轉移任務全周期動作(解鎖-展開-轉移-收攏-鎖定)，以確保轉移機構滿足可重復性要求。

3.4 非確知環(huán)境適應性

不同于衛(wèi)星、空間站等任務周期內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、巡視器及轉移機構)在其任務周期內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)構建了月面地形數(shù)據(jù)及任務區(qū)域的準確環(huán)境信息，但是月表環(huán)境惡劣多變，地形信息無法與任務進度及時有效匹配，任務區(qū)域內可能出現(xiàn)不同直徑的石塊及致密程度未知的凹坑，若轉移機構末端觸碰石塊或陷入凹坑后，極易導致轉移過程中的巡視器兩側搖臂產(chǎn)生高度差，影響巡視器安全駛離，甚至導致巡視器側傾損毀，因此在轉移機構的設計過程中必須考慮機構對著陸區(qū)未知環(huán)境的適應能力。

嫦娥轉移機構在地面模擬任務下對預定著陸點地形(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≤包絡直徑≤200 mm)、巡視器安全轉移通道范圍(0°≤轉移通道≤20°)等不確定地形環(huán)境進行測試，從而確保轉移機構達到對非確知環(huán)境的適應要求。

3.5 搭載受限性與供源有限性

與地面機構不同，空間機構在設計之初便需充分考慮到對運載平臺的適配性，從而選擇合適平臺執(zhí)行發(fā)射任務。受平臺限制，空間機構必須經(jīng)過嚴格的零部件級的尺寸、材料、質量設計，尤其是對轉移機構這類在發(fā)射狀態(tài)壓緊收攏、在工作狀態(tài)解鎖展開的執(zhí)行機構而言，對其機構各相關部件的設計提出了更高要求。此外，機構產(chǎn)品中一般含有電源和電氣設備以輔助機構工作，如轉移機構上安裝的驅動電機和傳感元件，考慮到搭載平臺受空間環(huán)境所限，其在軌狀態(tài)下所能供給載荷設備的能源有限，因此在轉移機構設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載火箭搭載，發(fā)射能力(地月轉移軌道入軌能力3 780 kg)、整流罩容許空間(周向包絡3 650 mm)、探測器整器質量3 779.5 kg(設計指標≤3 780 kg)、轉移機構質量17.5 kg(設計指標≤18 kg)、機構質心、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，嫦娥轉移機構在地面模擬任務下對器上能源轉化、存儲和分配過程進行驗證，確保滿足任務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狀態(tài)。

圖2 嫦娥探測器整流罩內狀態(tài)

3.6 機電設計協(xié)同性

考慮到對轉移過程的控制需求以及巡視器釋放駛離過程的定位需要，轉移機構上需安裝相關電氣和電子設備，因此在轉移機構設計過程中，除考慮供源及空間環(huán)境外，機構設計人員需協(xié)同機電設計人員在機構設計中充分考慮電氣、電子及相關線路的設計要求和規(guī)范，保證電氣及電子設備的正常可靠運行，實現(xiàn)轉移機構機-電設計的協(xié)同性。在轉移機構設計完成后，需通過地面加電試驗驗證機電設計的可行性，包括在加電試驗前對電纜標識、綁扎、走線、固定、插接、焊接的正確性，電機、電纜、關鍵件熱控包覆的正確性，以及轉移機構動作過程是否存在與電纜、包覆發(fā)生刮蹭、干涉等狀態(tài)進行確認，以保證加電后轉移試驗的安全進行。

嫦娥轉移機構單機及轉移機構聯(lián)同著陸器、巡視器兩器在地面模擬任務環(huán)境下，累計地面加電測試時長2 360 h，測試期間機構與器上各電子、電氣設備工作正常，確保了轉移機構滿足機電協(xié)同設計要求。

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，轉移機構地面模擬試驗環(huán)境的搭建及地面模擬環(huán)境下轉移機構驗證方案的制定是在轉移機構設計過程中需要解決的關鍵問題。

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、地質條件以及月塵、高低溫等環(huán)境模擬技術，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對轉移機構的各性能指標和轉移任務情況進行了地面模擬驗證，以滿足可驗性要求。

圖3 月面模擬試驗場

除上述主要設計約束外，在轉移機構設計過程中還應進一步考慮到不同轉移方案所特有的約束問題，如折展式轉移機構在設計懸梯長度時就需綜合考慮懸梯長度對轉移通道角度、發(fā)射質量、收攏空間以及轉移任務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，設計人員需與各系統(tǒng)協(xié)同指標并結合地面試驗及數(shù)字仿真反復設計校核確定。此外還有諸如型號繼承性、設計通用性、設計冗余性等常規(guī)設計約束，這些約束貫穿于空間機構的設計始終，可參閱相關文獻進一步了解[14,16]。

4 嫦娥轉移機構方案

二期著陸器采用腿式著陸緩沖機構及巡視器頂部搭載方式，對轉移任務而言，腿式緩沖機構包絡尺寸增大了水平轉移距離，頂部搭載方式進一步增加了釋放高度，轉移任務前巡視器離地高度約2.2 m，已遠超原蘇聯(lián)轉移機構保持的1.1 m最高機構轉移距離。如釆用常規(guī)坡道式轉移方式，在保證安全駛離情況下坡道長度將達4 m以上，僅對該坡道的搭載設計就存在諸多不便。針對二期探測器情況，嫦娥轉移機構采用了折展式分段漸傾轉移方案，并依此方案先后設計了三型驗證樣機。表3為嫦娥轉移機構主要設計指標[17]。

表3 嫦娥轉移機構主要指標[17]

4.1 內鉸四連桿分段漸傾方案A

方案A為內鉸四連桿分段漸傾方案，該案基于四連桿機構運動原理，采用雙四連桿擺動機構的設計形式，內側鉸鏈展開鎖定后與兩側連桿共同組成四連桿機構。轉移機構由轉移懸梯、壓緊釋放機構、四連桿機構、緩釋機構、連接框等組成。其中，懸梯起承載及導向作用，四連桿及連接框起支撐及回轉作用，緩釋機構起釋放控制及停機作用，緩釋索兩端分別連接緩釋電機和連接框起釋放調節(jié)作用，如圖4所示。

內鉸四連桿分段漸傾方案的特點是采用了四連桿機構，其承載能力強、機構簡單且可靠性高，但連桿機構地形適應能力不足。經(jīng)地面樣機驗證，其可適角度低于指標要求，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°、轉移通道在20°以內，滿足指標要求。轉移過程如圖5所示，圖中藍線表示四連桿，紅線表示緩釋索，綠線表示轉移懸梯。圖6為內鉸四連桿轉移機構樣機。

圖4 內鉸四連桿轉移機構

圖5 內鉸四連桿機構轉移釋放過程

圖6 內鉸四連桿轉移機構樣機

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，該案基于繩輪組運動原理，采用動靜繩輪相結合的設計形式，實現(xiàn)了兩側懸梯各自獨立貼覆的運動形式。轉移機構由轉移懸梯、壓緊釋放機構、隨動繩輪、緩釋機構、支撐桿等組成。其中，懸梯起承載及導向作用，隨動繩輪通過緩釋索分別連接緩釋電機和支撐桿末端起釋放調節(jié)作用，支撐桿起輔助支撐作用，緩釋機構起釋放控制及停機作用，如圖7所示。

動靜繩輪組分段漸傾方案的特點是采用了不完全繩輪結構，其釋放過程可控性好，對著陸姿態(tài)、月面環(huán)境適應性強，且以繩輪組代替四連桿機構后機構質量大幅降低，但繩輪組承載能力及機構可靠性較低。經(jīng)地面樣機驗證，方案滿足指標要求，但試驗過程中相較于四連桿機構，繩輪組轉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。轉移過程如圖8所示，圖中藍線表示支撐桿，紅線表示緩釋索，綠線表示轉移懸梯。圖9為動靜繩輪組轉移機構樣機。

圖7 動靜繩輪組轉移機構

圖8 動靜繩輪組機構轉移釋放過程

圖9 動靜繩輪組轉移機構樣機

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。考慮到四連桿機構結構形式簡單、可靠性高，但對月面環(huán)境適應性較差，而繩輪組獨立貼覆的設計形式對月面有著較好的適應性，于是在方案A四連桿機構基礎上結合方案B繩輪組件獨立貼覆運動的思想，以四連桿機構實現(xiàn)了“前期共牽連、后期各貼覆”的方案C轉移形式。轉移機構由轉移懸梯、壓緊釋放機構、四連桿機構、緩釋機構、連接框等組成，在沿用雙四連桿擺動機構設計的同時，將外側連桿內移至鉸鏈同側，此時內側懸梯與兩側連桿共同組成四連桿機構，如圖10所示。

圖10 外鉸四連桿轉移機構

外鉸四連桿分段漸傾方案的特點是兼具四連桿機構及繩輪組方案轉移過程的優(yōu)點，在保證機構可靠性的前提下提升了機構適應性，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°、轉移通道在20°以內，滿足指標要求。轉移過程如圖11所示，圖中藍線表示四連桿，紅線表示緩釋索，綠線表示轉移懸梯。圖12為外鉸四連桿轉移機構樣機。

圖11 外鉸四連桿機構轉移釋放過程

圖12 外鉸四連桿轉移機構樣機

以上3種轉移機構方案樣機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，內鉸四連桿方案A結構簡單，承載能力強，但受限于適應性指標采用了三段折展轉移懸梯設計，搭載收攏尺寸及質量有所增加；動靜繩輪組方案B利用電機驅動隨動繩輪拉動兩側懸梯實現(xiàn)了獨立貼覆著地，對著陸姿態(tài)、月面環(huán)境適應性強，釋放過程可控制性好，但系統(tǒng)可靠性有待進一步論證；外鉸四連桿方案C機構適應性強，可靠性高，但連桿后移設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。設計人員綜合比較后選擇了方案C作為嫦娥分段漸傾轉移機構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移釋放任務。

表4 轉移機構方案比較

5 嫦娥分段漸傾轉移機構關鍵設計

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特點，嫦娥探測器上搭載的轉移機構采用了折展式分段漸傾變自由度機構的設計形式，其主要由轉移懸梯、折展鉸鏈、壓緊釋放機構、連桿機構、緩釋機構等組成。該設計形式使得轉移機構在轉移任務過程中實現(xiàn)了對機構展開過程的避障設計、巡視器轉移過程的控制設計、駛離過程的穩(wěn)定設計以及攜器觸地過程的自適應設計，同時還確保了轉移任務過程中對突發(fā)情況的停止策略等相關設計，從機構設計角度保證了轉移任務順利進行。本節(jié)將對上述嫦娥分段漸傾轉移機構關鍵設計環(huán)節(jié)進行說明。

5.1 展開過程避障設計

折展式轉移機構的展開過程是整個轉移任務成功的關鍵，轉移機構在展開階段的工作主要由壓緊釋放機構和轉移懸梯完成，其執(zhí)行過程為：壓緊釋放機構釋放轉移懸梯，懸梯在折展鉸鏈及驅動電機的共同作用下展開，懸梯展開到位后鎖定形成可供巡視器行駛的通道。轉移懸梯由左右兩組相互獨立的懸梯共同組成，相應的分別安裝于轉移機構基體兩側，與巡視器規(guī)劃輪跡對應，共同組成巡視器駛離路徑。該兩側懸梯獨立展開的設計形式可以有效保證轉移機構在展開過程中較好地適應探測器上其他載荷設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行。

5.2 轉移過程控制設計

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

5.3 觸地過程適應設計

轉移機構對探測星體表面環(huán)境的適應能力是評估轉移機構設計及轉移任務能否安全實現(xiàn)的重要指標。考慮到月面著陸區(qū)域非確知地形環(huán)境對嫦娥探測器轉移任務的影響，于是對轉移機構的觸地過程提出了機構自適應設計要求。嫦娥轉移機構在觸地階段的工作主要由轉移懸梯與連桿機構實現(xiàn)，二者通過連接鉸鏈相連，其執(zhí)行過程為：在轉移懸梯與巡視器在重力及緩釋機構作用下向月面轉移的過程中，轉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，此時轉移懸梯的后端將繼續(xù)保持下降以適應月面形狀，待兩側懸梯分別觸地并適應當前月面環(huán)境后，巡視器結束駐停狀態(tài)駛下懸梯，轉移階段任務結束。

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)和撞擊坑內側坡度一般大于30°，撞擊坑外側坡度一般小于25°。為保障著陸任務的高可靠性，二期探測器的著陸地點選定在坡度不大于9°的平坦區(qū)域[18]。當探測器轉入著陸階段，著陸器在距離月面4 m高度處自由落體，通過著陸緩沖機構承受沖擊過載，此時支撐腿產(chǎn)生不等距壓縮和拉伸，導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]。嫦娥探測器轉移機構即針對以上著陸點環(huán)境和著陸器俯仰角設計適應月面環(huán)境，其中，著陸器與巡視器正向斜面正仰、反向斜面負仰姿態(tài)下轉移機構觸地適應過程如圖13所示。

圖13 轉移機構俯仰姿態(tài)觸地適應

5.4 駛離過程穩(wěn)定設計

在巡視器駛上轉移懸梯前，轉移懸梯展開到位后鎖定，通過鎖定折展鉸鏈，懸梯此時由機構變?yōu)榻Y構，自由度減少，剛度增加，為巡視器提供有效支撐和駛離通道。在轉移機構完成觸地動作后，巡視器將選擇適合的窗口時間駛離轉移懸梯執(zhí)行轉移任務。在巡視器駛上、駐停、駛離過程中，懸梯既要保持輕量化設計和高剛度的需求，同時還需保證駛離過程平穩(wěn)以防止巡視器側翻，尤其在極限傾角情況下，需保障巡視器沿懸梯導軌安全平穩(wěn)駛下，其相關設計為：為保持輕量化設計和高剛度需求，轉移懸梯采用先折展后鎖定的變自由度設計，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動為嚙合運動，增加了轉移過程的穩(wěn)定性；為保證巡視器在懸梯轉移過程中不發(fā)生滑動和側移，在懸梯托板上設置限位裝置，并通過不對稱懸梯以及前段擋塊設計，保證了巡視器在極端著陸姿態(tài)下的轉移穩(wěn)定性和可靠性，如圖14所示。

圖14 轉移懸梯通道設計

5.5 機構兩器約束設計

轉移機構作為探測器搭載的載荷分系統(tǒng)，其設計受探測器的整體布局影響較大，其中包括著陸緩沖機構安裝位置、巡視器安裝位置、著陸器整器高度等。具體的，轉移機構的結構形式主要取決于著陸器與巡視器連接關系的設計，即巡視器在著陸器上的安裝位置、包絡狀態(tài)和固定方式，其中最為關鍵的因素是轉移前巡視器的離地高度。在探月二期工程的技術論證過程中，國內相關設計部門已經(jīng)提出并確立了腿式著陸器的初步方案[20]，由于月球表面復雜的環(huán)境條件以及巡視器、著陸器相關結構尺寸的嚴格限制，要求轉移機構體積和重量小、強度和剛度高、且具有良好的環(huán)境適應性以及與著陸器設備環(huán)境的相容性。為此設計人員在著陸器、巡視器兩器已形成的嚴苛設計約束下對轉移機構的結構、機構及材料進行設計，以達到轉移機構對兩器安裝、搭載、輕質、可靠等相關設計要求。

5.6 機構組件抗性設計

轉移機構作為空間機構，其機構設計在滿足功能需求的同時，還需滿足航天任務對于空間環(huán)境的適應要求，以保證機構能夠在發(fā)射、姿軌機動、動力下降、月面著陸及月面環(huán)境等一系列嚴苛環(huán)境下正常工作并完成轉移任務。具體的，針對空間真空環(huán)境和月球表面月塵環(huán)境，對轉移機構活動部件進行防冷焊設計、潤滑設計及防塵設計；針對空間高低溫環(huán)境，對轉移機構進行熱防護設計，并對高低溫環(huán)境下轉移機構運動副材料線膨脹系數(shù)進行分析，以選擇合適間隙，保證機構在高低溫交變環(huán)境下不發(fā)生卡死；針對空間電磁輻射環(huán)境，對轉移機構內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、強度及機械性能的影響，設計符合防輻射要求的殼體；針對空間粒子環(huán)境，對轉移機構電氣系統(tǒng)進行防護設計，防止空間重離子及質子效應對電氣系統(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；針對發(fā)射、變軌及著陸等惡劣力學環(huán)境，對轉移機構部件及整機進行靜力及動力分析，考慮振動、沖擊及過載等力學環(huán)境對機構、結構的影響。上述轉移機構各項設計皆需通過地面環(huán)境試驗進行嚴格驗證，保障轉移機構滿足抗性要求。

5.7 機構停止策略設計

轉移機構完成觸地動作并適應月面環(huán)境后，停止判位機構工作，轉移機構停機，轉移機構將作為支撐結構及傳感設備繼續(xù)為著陸器及巡視器服務。轉移機構的停機過程由停止判位機構實現(xiàn)，停止判位機構的設計即在轉移任務過程中提供機構停止功能，以保證轉移機構在轉移任務結束后或機構故障時停止機構動作，從而保證機構及載荷設備的安全，其由緩釋電機、緩釋索、轉動到位開關、松弛到位開關組成，如圖15所示。停止判位機構的工作方式為：當轉移機構順利完成觸地動作后，此時連接鉸鏈轉動到限位位置，轉動到位開關觸發(fā)，停止判位機構工作，向控制器發(fā)送停機指令，轉移機構停機；當轉移機構在動作過程中出現(xiàn)故障或連接鉸鏈卡死時，此時緩釋電機繼續(xù)轉動導致緩釋索瞬時松弛，松弛到位開關觸發(fā)，停止判位機構工作，向控制器發(fā)送急停指令，轉移機構及時停機，為故障安全處理提供支撐，保障轉移任務繼續(xù)執(zhí)行。

5.8 機構任務環(huán)境設計

為驗證轉移機構設計的合理性與任務執(zhí)行的可靠性，以及全任務周期內轉移機構與其他星載機構及載荷設備的協(xié)同性能，需在轉移機構設計的同時考慮機構設計及任務過程的可驗性及可驗方案設計，從而為轉移機構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，設計了低重力斜面試驗及低重力懸掛試驗，以分別為轉移懸梯及轉移機構單機提供低重力環(huán)境模擬，如圖16所示；為了模擬轉移任務過程，設計了轉移機構與模擬裝置、巡視器單機、著陸器整機、及探測器系統(tǒng)的聯(lián)試方案[21]。以上機構任務環(huán)境的設計有效支持了轉移機構的地面驗證工作，保障了在軌轉移任務的順利進行。

6 轉移釋放任務驗證

6.1 地面驗證

嫦娥轉移機構地面驗證主要包括有模擬月面重力下轉移機構展開試驗；模擬月面重力下轉移機構緩釋、避障、觸地及急停等機構功能試驗；模擬月面環(huán)境下轉移機構關鍵件抗性試驗；模擬極限著陸姿態(tài)下轉移機構自適應性試驗；轉移機構力、熱、真空、聲振、電磁輻照及組合環(huán)境試驗；轉移機構電性能測試試驗；轉移機構與巡視器、著陸器及兩器聯(lián)合試驗等。此外，為配合轉移機構的地面驗證，還開展了著陸模擬試驗以模擬著陸器著陸緩沖機構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移機構時對機構相關參數(shù)的影響等與轉移任務相關的地面驗證內容。

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區(qū)，轉移機構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)由轉移機構順利駛抵月球表面。

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地面艾特肯盆地任務區(qū)，轉移機構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)由轉移機構順利駛抵月球表面。

以上巡視器與著陸器分離釋放過程中，嫦娥三號及四號轉移機構按預定程序順利完成各階段任務，各項功能和性能指標滿足設計要求，保障了探月任務的順利進行，為轉移機構的設計及應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移機構過程的影像。

圖17 嫦娥四號巡視器轉移任務駛離過程影像

7 結 論

嫦娥轉移機構設計是探月工程重要且有標志性意義的重要研發(fā)工作，是中國自主創(chuàng)新設計與工程實踐的代表，本文對其設計過程進行了研究：

1) 以月球探測二期工程嫦娥系列探測器轉移任務為例，對嫦娥探測器轉移機構及轉移釋放任務進行說明，明確了機構設計需求。

2) 針對轉移機構設計需求，結合轉移機構在設計過程中應考慮的因素，對轉移機構主要設計特點及約束情況進行了闡述。

3) 在轉移機構設計約束基礎上給出嫦娥探測器分段漸傾轉移機構方案及正樣機構設計中的關鍵環(huán)節(jié)，對包括展開避障設計、轉移控制設計、觸地適應設計等成果經(jīng)驗進行了總結。

4) 對轉移機構地面及在軌情況進行說明，驗證嫦娥分段漸傾轉移機構設計的可行性，為我國后續(xù)探測任務及轉移機構的設計提供了支持。