Колесные
планетоходы ВНИИТМ
В этом году внимание всего мира было привлечено к Марсу, куда американцы доставили и где успешно использовали свои планетоходы Spirit и Opportunity.
Основным разработчиком шасси для планетоходов (колеса, двигатели, привод, подвеска, система управления ими) в СССР был (и остается до настоящего времени в России) ленинградский ВНИИтрансмаш (ВНИИТМ). В этом учреждении разрабатывались главным образом шасси для танков, так что был накоплен обширный опыт в области создания транспорта повышенной проходимости, ведь общее свойство у планетохода и танка - движение по неподготовленной местности.
Здесь было создано и испытано множество самых различных устройств - Луноход 1 и 2 (1970), шагающий планетоход отправленный в 1971 году на Марс, прыгающий для Фобоса (1988), робот для очистки крыши разрушенного энергоблока Чернобыльской АЭС (1986), планетоход для неудавшейся экспедиции Марс-96, несколько планетоходов в рамках сотрудничества с зарубежными организациями (в последние годы) и т.д.
В данной статье мы коснемся только разработанных и создаваемых во ВНИИТМ колесных планетоходов. Впрочем, как вы увидите, со времен своего изобретения, колесо, оставшись круглым, приобрело много новых черт. Наверное многие обратили внимание, что те немногочисленные устройства которые реально перемещались по другим планетам - Луноходы, американские LRV (Lunar Rover Vehicle фирмы Boeing), Opportunity и Spirit (лаборатория JPL)- все они колесные. И это при том, что давно известно множество других подходов - гусеничный, шагающий и т.д. Видимо, есть серьезные причины выбирать именно колеса. Почти все небесные тела которые доступны нам для исследования имеют твердую поверхность с множеством относительно ровных участков. Там нет болот, зыбучих песков, леса и растительности, которые могли бы потребовать гусениц или шагающих движителей. На Луне и Марсе, также как на Меркурии и Венере - везде колеса вполне можно использовать. Колеса - очень экономичный вид движителя. Чтобы прокручивать, скажем, гусеницы, нужна куда большая мощность. А ведь это дополнительные батареи, которые нужно доставлять за сотни тысяч километров. Важна и надежность - проблематично заменить на Марсе порванную гусеницу или сломанный рычаг ноги, в то время как поломка даже нескольких колес совсем необязательно ставит под угрозу выполнение задачи. Теория движения колесных машин также разработана лучше всего. Достаточно вспомнить, что до сих пор почти не нашли применения шагающие машины, даже в хорошо изученных земных условиях. Сравнительно прост и привод колес от электромоторов, легко обеспечивать разворот. Итак, выбор колесного движителя явно оправдан. Давайте теперь посмотрим, как во ВНИИТМ решали проблемы возникающие при разработке конкретных аппаратов. СПЕРВА О КОЛЕСАХКолесо планетохода должно одновременно сочетать в себе множество требований - чтобы сказать пару слов про каждое, одной статьи недостаточно. Поэтому, давайте рассмотрим несколько вариантов колес созданных во ВНИИТМ со времен Лунохода и до наших дней, отметив их основные особенности.
Колеса Лунохода уже можно считать классикой. Большинство последующих макетов и реальных планетоходов хоть что-то, да позаимствовали от них. Колеса состоят из трех титановых ободов, с закрепленной на них стальной сетки с грунтозацепами из того же титана. На твердой поверхности опора происходит на средний обод, на мягком же грунте обод проникает глубоко и тогда работает сетка.
Это два пробных варианта колес для Лунохода. Колесо подрессоривается, в одном случае, с помощью упругих металлических лент, в другом - с помощью цилиндрических пружин вдоль оси колеса.
Еще один вариант - здесь внешняя поверхность колеса сделана из упругой сетки, однако под сеткой размещены ленточные пружины, которые работают когда при ударах сетка проминается. Профиль колеса мешает боковому сползанию. Грунтозацепы (в середине) работают главным образом при прогибании сетки на твердых грунтах.
Для планет с сильной гравитацией (Марс, Земля) от непрочной сетки отказываются в пользу сплошной поверхности с грунтозацепами (оболочковое колесо). В случае с марсоходами ученые исходили из первых фотографий "Викинга" где поверхность Марса выглядела каменистой.
Как видно, во всех конструкциях стараются обеспечить хорошую сцепляемость с грунтом (грунтозацепы, сетка), небольшой вес (отсутствие сплошных дисков, по возможности сетка и спицы, либо сплошное но полое колесо), подрессоривание (спицы, пружины и т.п.), меры против бокового сползания (характерный выпуклый либо вогнутый профиль). Почти во всех колесных планетоходах колесо представляет собой единый (часто даже герметизированный) модуль, включающий также редуктор, электромотор, тормоз, необходимые датчики. Называется такой модуль "мотор-колесо". Применение мотор-колес позволяет, наряду с подвеской, обеспечивать равную нагрузку на все колеса и эффективное использование мощности на неровностях ландшафта, при повисании части колес в воздухе и т.п.
Если же рассматривать колесный движитель в целом, возникает вопрос - почему у планетоходов, в частности Лунохода, столько колес? На случай заедания в приводе колес в Луноходе были предусмотрены специальные механизмы разблокировки. Пиротехнический заряд по команде с Земли мог перебить вал и в результате неисправное заблокированное колесо стало бы ведомым. У четырех колесного такое было бы невозможно. К счастью, эта возможность не была ни разу использована. ПОДВЕСКАПодвеску делают независимой для каждого мотор-колеса. Это позволяет преодолевать небольшие выступы и впадины избегая сильных кренов всей машины и перегрузки отдельных двигателей. В идеале, каждое колесо в любой момент времени должно касаться грунта, причем с примерно одинаковыми нагрузками от взаимодействия с ним. Это обеспечивается не только механикой, но и электронной частью, оценивающей нагрузки на двигатели, и подвеску. Механическая часть подвески обычно выполняется в виде рычагов, причем в качестве упругих элементов используются торсионы - стальные или титановые стержни, которые представляют собой "пружину" работающую на кручение. Использование гидравлики проблематично, из-за сильных колебаний температуры на поверхности планет.
Поучительна история гибели Лунохода-2 - на нем был установлен новый датчик крена-дифферента (весь блок автоматики Лунохода-2 разрабатывался с тройным дублированием - как для обитаемой машины). В любом случае Луноход-2 прошел по Луне намного большее расстояние - 40 км за 3 месяца, чем Луноход-1 - 10 км. за 10 месяцев. Сказался опыт, который приобрели исследователи и водители.
СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯВозможно для некоторых это станет неожиданностью, но максимальные скорости всех автоматических планетоходов очень небольшие - не более 1-2 км/ч. Собственно, для аппаратов без экипажа это не так важно, поскольку управление ими осложнено задержкой сигнала, которая доходит до десятков секунд. Также, низкая скорость снижает вероятность повреждений при наезде на камень, отсутствуют заносы и т.д. Наглядный пример - когда у американцев, во время их пилотируемой экспедиции, на Луне застревал в кратерах LRV, они брали его на руки и вытаскивали. Автоматическому планетоходу надеятся на такую помощь нельзя. При этом стоит отметить, что первая колея на Луне была оставлена именно нашим Луноходом-1 - американцы взяли с собой LRV только во второй свой полет - позднее Лунохода. МАНЕВРЕННОСТЬБольшой радиус поворота станет проблемой, если поблизости находится скала или расщелина, куда аппарат может сплозти при развороте.
Другой вариант увеличения маневренности - поворотные колеса. Например, параллельный поворот всех колес в нужную сторону был реализован в аппарате "ХМ-ПК" (1976)
Поворот передней пары в одну, задней в другую - в "LRMC" - Lunar Rover Mockup Chasis (1987)
.. а также американцами в Opportunity/Spirit и LRV.
Эти варианты удобно реализуются, если каждое колесо планетохода управляется независимо - т.е. с применением описанных выше мотор-колес. Малоизвестный факт - в самом начале работы Лунохода-1 произошел отказ управления дисковыми тормозами (сгорели катушки электромагнитов). В результате Луноход-1 постоянно ездил на тормозах. Только резерв по тяговой мощности двигателей позволил выполнять задачу (если не считать повышенного энергопотребления). ОПАСНОСТЬ ПРОВАЛИВАНИЯСледующая проблема - необходимость преодолевать расщелины, не проваливаться на рыхлом грунте. Это может быть решено несколькими путями: колесами большой ширины и диаметра, большим количеством колес по каждому из бортов. Другой вариант решения (1989) предполагал использование больших (сопоставимых по размеру с самим планетоходом) надувных колес низкого давления с металлическим каркасом и грунтозацепами. Однако, такие колеса плохо выдерживают перепады температур, требуют обслуживания. Зато, они нашли применение на Земле - в тех местах, где необходимо движение по глубокому снегу.
Планетоходы испытывались в Средней Азии, на Камчатке (в зонах свежих извержений) - чтобы было большое разнообразие форм рельефа.. Ведь заранее не было известно, какой грунт, к примеру, на Луне. Были предположения, что грунт находится во взвешенном состоянии и Луноход может просто утонуть. Поэтому испытания проводили также и на снежниках - где снег засыпан вулканическим песком. Один из сотрудников - участник работ по созданию "Лунохода-1", начальник расчетно-теоретического сектора ВНИИТрансмаш, кандидат технических наук Ф.П.Шпак, даже сочинил гимн водителя Лунохода:
Неожиданно, словно важнейший приказ, Также испытания проводились и в лаборатории, в "грунтовых каналах" - специальных емкостях с различными грунтами. Эти испытания были очень многочисленными и здесь можно было проверить характеристики даже отдельных фрагментов колеса - будет ли оно проваливаться, какая сцепляемость и т.п.
ПРЕОДОЛЕНИЕ КАМНЕЙ, ЗАСТРЕВАНИЕНа планетах, куда сейчас возможна доставка планетоходов, встречается множество камней, скальных выступов, кратеров. То, что для шагающего аппарата будущего, наверное, не будет проблемой (согласитесь, человек легко преодолевает большинство препятствий, которые непреодолимы для колес) для сегодняшних планетоходов проблема весьма актуальная. Представим ситуацию, когда обычная машина наезжает одним бортом на крупный камень. Возникает крен всей машины и аппарат рискует перевернуться. Для планетохода такое поведение недопустимо, потому подвеска устроена гораздо сложнее - когда одно из колес переезжает камень, остальные могут везти аппарат вполне горизонтально. Но даже это может не спасти, если камень окажется под днищем планетохода и тот "сядет на брюхо". Поэтому, дорожный просвет (клиренс) стараются делать максимальным. Увеличение клиренса, в свою очередь, может привести к неустойчивости аппарата - центр тяжести должен располагаться как можно ниже (были даже проекты помещать аккумуляторы внутри мотор-колес, но это ведет к другим проблемам). Интересное решение можно проиллюстрировать на примере, пожалуй, наиболее совершенного аппарата, который разрабатывался ВНИИТМ под названиями "Мир" (1988), "ЛАМА" (1994-1995), J-Rover (1996).
Здесь клиренс фактически отсутствует - днища нет, вместо него - конические мотор-колеса. Если под них попадает камень, застревания не происходит, поскольку грунтозацепы расположены по всей длине колеса. Есть здесь, впрочем, и недостаток -остается мало места для размещения полезного груза (возможное решение - размещать батареи внутри колес). В другой разработке - IARES - вместо конических колес используются обычные, совместно с валиками, также имеющими грунтозацепы.
Но вернемся к Мир/ЛАМА/J-Rover..
Каждая пара колес может независимо поворачиваться под углом около 40 градусов, а также перемещаться вверх-вниз относительно другой пары. Помимо прочего, это позволяет компактно сложить планетоход при транспортировке в космическом корабле.
Еще одной возможностью данного колесного аппарата является, как ни странно, шагание. За счет дополнительных двигателей, секции могут немного отъезжать одна от другой. Попеременно блокируя одни пары колес и выдвигая вперед другие пары можно, пусть не быстро, но преодолеть сложное препятствие. Еще один вариант шагания был реализован в машине "EOSAIII-1" (1978).
Здесь каждое из шести колес могло работать в двух режимах - катиться (вращение вокруг центра) либо шагать (вращение вокруг точки смещенной относительно центра колеса). В аппарате "Work Partner" (1998, совместная разработка Rover, ВНИИТМ, HUT) шагание осуществляется при помощью рычагов на которых установлены колеса.
В завершение хочется выразить признательность Михаилу Маленкову,
Владимиру Кучеренко и другим сотрудникам ВНИИТМ за помощь в фотосъемке и за подробные пояснения. Также предлагаю приложение к данной статье - другие разработки ВНИИТМ (фотографии). Ссылки
|
