嫦娥探测器分段渐倾转移机构设计

马超，孙京，刘宾，李新立，张大伟，姜生元，季节,

1. 北京空间飞行器总体设计部 空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室，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 150080

为谋求人类福祉、探索未知世界，中国航天在成功实施载人航天、北斗导航等重大工程后，进一步提出了包括月球探测和火星探测在内的深空探测计划。目前，探月一期、二期工程已经顺利实施，其中，探月一期嫦娥一号及二号探测器成功实现了对月球表面的精细测绘[1]；探月二期嫦娥三号及四号探测器成功实现了对月球近地面与远地面的着陆及巡视勘查[2]；计划发射的探月三期嫦娥五号探测器将实现对月球表层及深层月壤的采样与返回[3]；月球后续任务(探月四期工程)及火星探测任务正在稳步展开，以实现对月球两极区及火星任务区的着陆及科学探测，对月球水冰探测及火星环境研究具有重要意义[4]。

但是航天任务的成功并非易事，构筑上述图景的各型任务背后不仅包含了对相关科学问题的探索，还包括了对攻关成果及研制经验的总结。本文旨在以探月二期工程中为保障嫦娥三号及四号巡视器着陆释放任务顺利实施而完全自主设计定型的嫦娥分段渐倾转移机构为对象，根据转移任务特点，对巡视器转移系统的组成、任务需求及设计约束进行总结，同时结合参研经验对样机选型过程、关键设计、工程状态及任务验证情况进行说明，以期为月球后续任务及火星探测任务中后继各型探测器转移机构的设计工作提供工程经验及型号支持。

1 嫦娥转移机构

月球探测二期工程以嫦娥三号及四号探测器实现月面软着陆和探测勘察为目的，是中国首次在地外天体执行着陆及巡视任务。嫦娥三号及四号探测器整器由着陆探测器(简称着陆器)、巡视探测器(简称巡视器，又称“玉兔号”月球车)及包括巡视探测器转移释放机构(简称转移机构)在内的其他载荷设备组成。探测器通过转移机构将巡视器由搭载位置转移释放至月球表面[5]。因此如何安全可靠地保障巡视器的转移释放过程是转移机构设计的重点，也是二期工程巡视探测任务能否顺利完成的关键。

针对巡视器在着陆器上的不同搭载方式及转移形式，转移机构可以分为折展式、伸缩式、平展式和舱门翻转式等[6-8]。在各类搭载转移方式中，考虑到转移距离不同，转移过程非确定因素不一，加之着陆区月面环境和着陆器姿态的不确定，都要求转移机构具有较强的月面适应能力及较高的可靠性，这对转移机构的设计及验证工作带来了较大挑战。因此如何在严苛约束下以尽可能小的质量代价，满足强度、刚度和转移可靠性要求，特别是满足各种未知着陆环境的适应性要求，是巡视器转移机构的设计难点和重点所在。转移机构的自主研制在中国航天任务中尚属首次，设计人员针对二期探测器巡视器顶部搭载、转移机构侧壁挂载的布局方式，开创性地提出了折展式分段渐倾变自由度转移方案，并顺利完成嫦娥三号及四号转移释放任务。表1为1970—2019年各国在月球及火星表面成功实施的转移任务情况[9-13]。

2 转移释放任务

以二期探测器转移释放任务为例，给出转移机构执行转移释放任务的具体过程。

考虑到转移过程即将巡视器从着陆器安装位置安全运抵至月球表面的过程，因此可以根据执行对象的不同将转移过程分为压紧、展开、转移及触地等阶段，各阶段分别由组成转移机构系统的各分系统机构完成。具体的，在转运发射段、地月转移段、环月段和动力下降段，转移机构与巡视器处于压紧收拢状态，二者分别通过连接装置安装在着陆器的侧壁和顶部；在着陆器安全着陆月面后，转移机构解锁，以待将巡视器转移释放到月球表面；在转移释放过程中，转移悬梯展开，至其展开到位后锁定，巡视器驶上转移悬梯，悬梯依靠自身强度和刚度为巡视器提供有效支撑和行驶通道，与此同时转移机构根据位姿信息监控驶离过程，并在转移及驶离过程中保持机构平稳，避免产生冲击；在下降及驶离过程中，悬梯与巡视器在重力及缓释机构作用下平稳下降，在悬梯前端与月面接触后，转移机构通过自适应设计使悬梯适应当前月面环境，巡视器驶下悬梯；巡视器驶离悬梯后，巡视探测任务开始，转移释放任务结束。转移释放过程如图1所示。

表1 1970—2019年月火探测转移任务情况[9-13]

图1 嫦娥探测器转移机构转移释放过程

3 转移机构设计约束

转移机构由于其特殊的应用环境，使其与地面机构的设计情况存在较大不同。下文根据嫦娥探测器转移机构从发射阶段至转移阶段任务情况，结合空间机构设计经验，对转移机构主要设计特点及约束情况进行阐述。

3.1 机构高可靠性

可靠性是航天器设计中最为重要的评价指标，这是由于航天器在空间环境中难以维护，如出现故障，其修复成本极高或难以修复。空间机构常需根据任务需求在空间产生动作或运动，有的甚至需在全任务周期内保持长期运动，故出现故障的可能性比其他结构、电气电子设备高出很多，因此保证机构工作的高度可靠性是转移机构设计中首要考虑的因素。

根据串联系统可靠度定义[14]，串联成败型系统可靠度计算公式为

(1)

式中：R为单元可靠度；n为单元个数。

串联寿命型系统可靠度计算公式为

(2)

式中:t为工作时间；λ为失败率。

根据机构性质，转移机构的可靠性主要取决于结构部分和机构部分的可靠性，而机构部分的可靠性主要取决于机构各活动部件的可靠性，因此转移机构作为串联成败型系统的可靠度为

R=R1×R2×…×Rn

(3)

式中：R为转移机构的系统可靠度；R1,R2,…,Rn分别为转移机构所含各结构、机构的可靠度，包括转移机构结构的可靠度、压紧释放机构的可靠度、展开锁定机构的可靠度及缓释机构的可靠度等。

嫦娥转移机构为满足可靠性要求(设计指标要求≥0.995)，在地面模拟任务环境下对其机构所含结构、机构进行可靠度试验及经验核算后，转移机构系统可靠度为0.997 8以上，转移机构满足可靠性要求，相关数据矩阵可参阅文献[15]。

3.2 空间环境强适应性

转移机构所处环境可分为试验环境、发射环境、轨道环境、着陆环境及任务环境等，如表2所示。考虑到转移机构随探测器发射以后，至转移机构执行完巡视器转移任务为止，整个生命周期大部分停留在地外空间环境中，而空间环境对机构的影响相比对结构的影响严重得多，以含有大量细腻月尘及较大昼夜温差的月面环境为例，恶劣的空间环境不仅严重影响月面机构本身的动作能力及材料性能，还会影响到与机构相关的一系列载荷设备的正常运行，这将严重影响任务的执行，因此在转移机构设计过程中应密切关注机构对于空间环境的适应能力。

表2 转移机构各阶段主要环境

嫦娥转移机构为满足适应性要求，在地面模拟任务下对真空环境(压力≤1.3×10-3Pa)、月尘环境(颗粒直径20 μm～1 mm)、高低温交变环境(飞行-180～+150 ℃、工作-60～+100 ℃、待机-200～+120 ℃)、电磁辐射环境(辐照量>12.1 kcal/cm2)等空间环境进行测试，以求确保转移机构满足空间适应性要求。

3.3 任务动作可重复性

转移机构作为执行展开释放动作的变自由度机构，虽不同于天线指向机构、机械臂关节机构等需在轨持续动作，仅在转移任务中执行一次，但考虑其在地面装配和试验阶段需反复多次测试，因此机构仍需具备重复使用特性，于是对转移机构任务动作的可重复性提出了设计要求。此外，在二期转移机构的后续型号中，将利用转移机构可重复性特点承担对着陆区近域月壤环境的感知触探工作，实现载荷机构一体化设计的目的，目前已由嫦娥四号转移机构先期开展了部分功能的在轨验证工作。

嫦娥转移机构为满足可重复性要求，在地面模拟任务环境下以部件及单机形式在模拟月面重力、月尘、高低温、真空、声振、电磁辐射及组合环境下执行任务动作，并在着陆器整机及探测器系统级联试中连续执行转移任务全周期动作(解锁-展开-转移-收拢-锁定)，以确保转移机构满足可重复性要求。

3.4 非确知环境适应性

不同于卫星、空间站等任务周期内处于近地或行星域的航天器，空间探测器除轨道器和返回器外，探测器主体(着陆器、巡视器及转移机构)在其任务周期内始终处于探测星体表面。不同于地面的确知环境状态，地外星体表面的环境难以全面、及时的确知。以月球表面为例，探月一期工程已经构建了月面地形数据及任务区域的准确环境信息，但是月表环境恶劣多变，地形信息无法与任务进度及时有效匹配，任务区域内可能出现不同直径的石块及致密程度未知的凹坑，若转移机构末端触碰石块或陷入凹坑后，极易导致转移过程中的巡视器两侧摇臂产生高度差，影响巡视器安全驶离，甚至导致巡视器侧倾损毁，因此在转移机构的设计过程中必须考虑机构对着陆区未知环境的适应能力。

嫦娥转移机构在地面模拟任务下对预定着陆点地形(0°≤坡度角≤9°)、着陆器姿态(0°≤俯仰角≤6°)、悬梯末端石块及凹坑尺寸(0 mm≤包络直径≤200 mm)、巡视器安全转移通道范围(0°≤转移通道≤20°)等不确定地形环境进行测试，从而确保转移机构达到对非确知环境的适应要求。

3.5 搭载受限性与供源有限性

与地面机构不同，空间机构在设计之初便需充分考虑到对运载平台的适配性，从而选择合适平台执行发射任务。受平台限制，空间机构必须经过严格的零部件级的尺寸、材料、质量设计，尤其是对转移机构这类在发射状态压紧收拢、在工作状态解锁展开的执行机构而言，对其机构各相关部件的设计提出了更高要求。此外，机构产品中一般含有电源和电气设备以辅助机构工作，如转移机构上安装的驱动电机和传感元件，考虑到搭载平台受空间环境所限，其在轨状态下所能供给载荷设备的能源有限，因此在转移机构设计中还需充分考虑供源有限这一约束条件。

二期探测器以长征三号乙型运载火箭搭载，发射能力(地月转移轨道入轨能力3 780 kg)、整流罩容许空间(周向包络3 650 mm)、探测器整器质量3 779.5 kg(设计指标≤3 780 kg)、转移机构质量17.5 kg(设计指标≤18 kg)、机构质心、惯性矩及功耗特性符合规定范围，满足搭载要求。此外，通过模拟落月后温度及光照条件，嫦娥转移机构在地面模拟任务下对器上能源转化、存储和分配过程进行验证，确保满足任务需求的同时符合供源要求。图2所示为嫦娥探测器整流罩内状态。

图2 嫦娥探测器整流罩内状态

3.6 机电设计协同性

考虑到对转移过程的控制需求以及巡视器释放驶离过程的定位需要，转移机构上需安装相关电气和电子设备，因此在转移机构设计过程中，除考虑供源及空间环境外，机构设计人员需协同机电设计人员在机构设计中充分考虑电气、电子及相关线路的设计要求和规范，保证电气及电子设备的正常可靠运行，实现转移机构机-电设计的协同性。在转移机构设计完成后，需通过地面加电试验验证机电设计的可行性，包括在加电试验前对电缆标识、绑扎、走线、固定、插接、焊接的正确性，电机、电缆、关键件热控包覆的正确性，以及转移机构动作过程是否存在与电缆、包覆发生刮蹭、干涉等状态进行确认，以保证加电后转移试验的安全进行。

嫦娥转移机构单机及转移机构联同着陆器、巡视器两器在地面模拟任务环境下，累计地面加电测试时长2 360 h，测试期间机构与器上各电子、电气设备工作正常，确保了转移机构满足机电协同设计要求。

3.7 地面模拟可验性

由于航天器及其搭载有效载荷系统所处任务环境的特殊性，通常无法采用理论分析的方法或空间环境下应用的方式来验证航天产品的有效性和可靠性，因此地面模拟试验往往是检验航天器及其搭载有效载荷系统的主要方式和可靠手段。考虑到地面环境与月面环境的较大差异，转移机构地面模拟试验环境的搭建及地面模拟环境下转移机构验证方案的制定是在转移机构设计过程中需要解决的关键问题。

以二期探测器地面模拟试验为例，探测器所处月面环境和载荷条件比较苛刻，涉及月面不同地形、地貌、地质条件以及月尘、高低温等环境模拟技术，验证难度较大。为此在探月二期工程中建立了月面模拟试验场，以期可靠的模拟着陆区任务环境，如图3所示。嫦娥三号及四号探测器先后在月面模拟试验场内对转移机构的各性能指标和转移任务情况进行了地面模拟验证，以满足可验性要求。

图3 月面模拟试验场

除上述主要设计约束外，在转移机构设计过程中还应进一步考虑到不同转移方案所特有的约束问题，如折展式转移机构在设计悬梯长度时就需综合考虑悬梯长度对转移通道角度、发射质量、收拢空间以及转移任务期间沿悬梯方向两器遮挡对巡视器通讯窗口造成的影响等因素，设计人员需与各系统协同指标并结合地面试验及数字仿真反复设计校核确定。此外还有诸如型号继承性、设计通用性、设计冗余性等常规设计约束，这些约束贯穿于空间机构的设计始终，可参阅相关文献进一步了解[14,16]。

4 嫦娥转移机构方案

二期着陆器采用腿式着陆缓冲机构及巡视器顶部搭载方式，对转移任务而言，腿式缓冲机构包络尺寸增大了水平转移距离，顶部搭载方式进一步增加了释放高度，转移任务前巡视器离地高度约2.2 m，已远超原苏联转移机构保持的1.1 m最高机构转移距离。如釆用常规坡道式转移方式，在保证安全驶离情况下坡道长度将达4 m以上，仅对该坡道的搭载设计就存在诸多不便。针对二期探测器情况，嫦娥转移机构采用了折展式分段渐倾转移方案，并依此方案先后设计了三型验证样机。表3为嫦娥转移机构主要设计指标[17]。

表3 嫦娥转移机构主要指标[17]

4.1 内铰四连杆分段渐倾方案A

方案A为内铰四连杆分段渐倾方案，该案基于四连杆机构运动原理，采用双四连杆摆动机构的设计形式，内侧铰链展开锁定后与两侧连杆共同组成四连杆机构。转移机构由转移悬梯、压紧释放机构、四连杆机构、缓释机构、连接框等组成。其中，悬梯起承载及导向作用，四连杆及连接框起支撑及回转作用，缓释机构起释放控制及停机作用，缓释索两端分别连接缓释电机和连接框起释放调节作用，如图4所示。

内铰四连杆分段渐倾方案的特点是采用了四连杆机构，其承载能力强、机构简单且可靠性高，但连杆机构地形适应能力不足。经地面样机验证，其可适角度低于指标要求，后由二段折展改为三段折展增加悬梯长度以后，方案在着陆区与水平面夹角不大于9°、着陆后探测器姿态变化不大于6°、转移通道在20°以内，满足指标要求。转移过程如图5所示，图中蓝线表示四连杆，红线表示缓释索，绿线表示转移悬梯。图6为内铰四连杆转移机构样机。

图4 内铰四连杆转移机构

图5 内铰四连杆机构转移释放过程

图6 内铰四连杆转移机构样机

4.2 动静绳轮组分段渐倾方案B

方案B为动静绳轮组分段渐倾方案，该案基于绳轮组运动原理，采用动静绳轮相结合的设计形式，实现了两侧悬梯各自独立贴覆的运动形式。转移机构由转移悬梯、压紧释放机构、随动绳轮、缓释机构、支撑杆等组成。其中，悬梯起承载及导向作用，随动绳轮通过缓释索分别连接缓释电机和支撑杆末端起释放调节作用，支撑杆起辅助支撑作用，缓释机构起释放控制及停机作用，如图7所示。

动静绳轮组分段渐倾方案的特点是采用了不完全绳轮结构，其释放过程可控性好，对着陆姿态、月面环境适应性强，且以绳轮组代替四连杆机构后机构质量大幅降低，但绳轮组承载能力及机构可靠性较低。经地面样机验证，方案满足指标要求，但试验过程中相较于四连杆机构，绳轮组转动时常需较大初始力矩，以平衡各绳轮组处摩擦产生的阻力矩，后加装助推弹簧提升了启动力矩，但系统串联环节增加，降低了系统可靠度。转移过程如图8所示，图中蓝线表示支撑杆，红线表示缓释索，绿线表示转移悬梯。图9为动静绳轮组转移机构样机。

图7 动静绳轮组转移机构

图8 动静绳轮组机构转移释放过程

图9 动静绳轮组转移机构样机

4.3 外铰四连杆分段渐倾方案C

方案C为外铰四连杆分段渐倾方案。考虑到四连杆机构结构形式简单、可靠性高，但对月面环境适应性较差，而绳轮组独立贴覆的设计形式对月面有着较好的适应性，于是在方案A四连杆机构基础上结合方案B绳轮组件独立贴覆运动的思想，以四连杆机构实现了“前期共牵连、后期各贴覆”的方案C转移形式。转移机构由转移悬梯、压紧释放机构、四连杆机构、缓释机构、连接框等组成，在沿用双四连杆摆动机构设计的同时，将外侧连杆内移至铰链同侧，此时内侧悬梯与两侧连杆共同组成四连杆机构，如图10所示。

图10 外铰四连杆转移机构

外铰四连杆分段渐倾方案的特点是兼具四连杆机构及绳轮组方案转移过程的优点，在保证机构可靠性的前提下提升了机构适应性，但连杆后移后使悬梯展开过程中处于悬臂状态，受力及承载情况有所下降。经地面样机验证，两段悬梯下，方案在着陆区与水平面夹角不大于9°、着陆后探测器姿态变化不大于6°、转移通道在20°以内，满足指标要求。转移过程如图11所示，图中蓝线表示四连杆，红线表示缓释索，绿线表示转移悬梯。图12为外铰四连杆转移机构样机。

图11 外铰四连杆机构转移释放过程

图12 外铰四连杆转移机构样机

以上3种转移机构方案样机性能的比较情况如表4所示，表中符号√表示在该项比较中占优的方案。通过对比可知，内铰四连杆方案A结构简单，承载能力强，但受限于适应性指标采用了三段折展转移悬梯设计，搭载收拢尺寸及质量有所增加；动静绳轮组方案B利用电机驱动随动绳轮拉动两侧悬梯实现了独立贴覆着地，对着陆姿态、月面环境适应性强，释放过程可控制性好，但系统可靠性有待进一步论证；外铰四连杆方案C机构适应性强，可靠性高，但连杆后移设计使得悬梯展开后承载能力和可控性分别相较于方案A与方案B有所降低。设计人员综合比较后选择了方案C作为嫦娥分段渐倾转移机构正样方案供二期探测器搭载，执行嫦娥三号及四号巡视器转移释放任务。

表4 转移机构方案比较

5 嫦娥分段渐倾转移机构关键设计

由4.3节正样方案可知，根据二期巡视器与着陆器两器分离释放的任务特点，嫦娥探测器上搭载的转移机构采用了折展式分段渐倾变自由度机构的设计形式，其主要由转移悬梯、折展铰链、压紧释放机构、连杆机构、缓释机构等组成。该设计形式使得转移机构在转移任务过程中实现了对机构展开过程的避障设计、巡视器转移过程的控制设计、驶离过程的稳定设计以及携器触地过程的自适应设计，同时还确保了转移任务过程中对突发情况的停止策略等相关设计，从机构设计角度保证了转移任务顺利进行。本节将对上述嫦娥分段渐倾转移机构关键设计环节进行说明。

5.1 展开过程避障设计

折展式转移机构的展开过程是整个转移任务成功的关键，转移机构在展开阶段的工作主要由压紧释放机构和转移悬梯完成，其执行过程为：压紧释放机构释放转移悬梯，悬梯在折展铰链及驱动电机的共同作用下展开，悬梯展开到位后锁定形成可供巡视器行驶的通道。转移悬梯由左右两组相互独立的悬梯共同组成，相应的分别安装于转移机构基体两侧，与巡视器规划轮迹对应，共同组成巡视器驶离路径。该两侧悬梯独立展开的设计形式可以有效保证转移机构在展开过程中较好地适应探测器上其他载荷设备造成的干涉及月面上非确知环境形成的障碍，从而保证展开过程的顺利进行。

5.2 转移过程控制设计

转移机构完成展开动作后，巡视器将选择适合的窗口时间驶上转移悬梯执行转移任务。在转移机构转移巡视器的过程中，为保证任务的顺利进行，机构对转移释放过程的可控性至关重要。嫦娥转移机构的转移过程主要由连杆机构实现，其工作过程为：在转移释放阶段开始后，巡视器驶上展开到位后的转移悬梯后驻停，悬梯依靠自身强度和刚度为巡视器提供有效支撑和运行轨道，同时转移机构缓释机构电机工作并通过缓释索缓慢释放连杆机构，悬梯与巡视器在受重力及缓释机构的共同作用下平稳下降，并在转移过程中保持机构平稳，避免产生冲击。在转移释放过程中，转移机构角位移传感器将在转移悬梯下放过程中提供转移机构转角值，当转移过程中出现突发情况或下放过程中的角位移有误时，转移机构随即锁死，以避免机构损坏，从而保障转移过程可控。

5.3 触地过程适应设计

转移机构对探测星体表面环境的适应能力是评估转移机构设计及转移任务能否安全实现的重要指标。考虑到月面着陆区域非确知地形环境对嫦娥探测器转移任务的影响，于是对转移机构的触地过程提出了机构自适应设计要求。嫦娥转移机构在触地阶段的工作主要由转移悬梯与连杆机构实现，二者通过连接铰链相连，其执行过程为：在转移悬梯与巡视器在重力及缓释机构作用下向月面转移的过程中，转移悬梯的前端将先与月面接触，在发生接触碰撞后，前端停止下落且连接铰链随即反向旋转，此时转移悬梯的后端将继续保持下降以适应月面形状，待两侧悬梯分别触地并适应当前月面环境后，巡视器结束驻停状态驶下悬梯，转移阶段任务结束。

根据探月一期嫦娥一号及二号绕月探测器给出的测绘信息，月面高地地区和撞击坑内侧坡度一般大于30°，撞击坑外侧坡度一般小于25°。为保障着陆任务的高可靠性，二期探测器的着陆地点选定在坡度不大于9°的平坦区域[18]。当探测器转入着陆阶段，着陆器在距离月面4 m高度处自由落体，通过着陆缓冲机构承受冲击过载，此时支撑腿产生不等距压缩和拉伸，导致着陆器本体相对于着陆平面产生不大于6°的俯仰角[19]。嫦娥探测器转移机构即针对以上着陆点环境和着陆器俯仰角设计适应月面环境，其中，着陆器与巡视器正向斜面正仰、反向斜面负仰姿态下转移机构触地适应过程如图13所示。

图13 转移机构俯仰姿态触地适应

5.4 驶离过程稳定设计

在巡视器驶上转移悬梯前，转移悬梯展开到位后锁定，通过锁定折展铰链，悬梯此时由机构变为结构，自由度减少，刚度增加，为巡视器提供有效支撑和驶离通道。在转移机构完成触地动作后，巡视器将选择适合的窗口时间驶离转移悬梯执行转移任务。在巡视器驶上、驻停、驶离过程中，悬梯既要保持轻量化设计和高刚度的需求，同时还需保证驶离过程平稳以防止巡视器侧翻，尤其在极限倾角情况下，需保障巡视器沿悬梯导轨安全平稳驶下，其相关设计为：为保持轻量化设计和高刚度需求，转移悬梯采用先折展后锁定的变自由度设计，为巡视器行驶及驻停提供了有效支撑；为避免巡视器在转移过程中从悬梯上滑落，采用齿轮拟合原理，基于巡视器车轮的轮辋和轮齿的特性，建立悬梯轨道齿面方程，使巡视器在悬梯上运动为啮合运动，增加了转移过程的稳定性；为保证巡视器在悬梯转移过程中不发生滑动和侧移，在悬梯托板上设置限位装置，并通过不对称悬梯以及前段挡块设计，保证了巡视器在极端着陆姿态下的转移稳定性和可靠性，如图14所示。

图14 转移悬梯通道设计

5.5 机构两器约束设计

转移机构作为探测器搭载的载荷分系统，其设计受探测器的整体布局影响较大，其中包括着陆缓冲机构安装位置、巡视器安装位置、着陆器整器高度等。具体的，转移机构的结构形式主要取决于着陆器与巡视器连接关系的设计，即巡视器在着陆器上的安装位置、包络状态和固定方式，其中最为关键的因素是转移前巡视器的离地高度。在探月二期工程的技术论证过程中，国内相关设计部门已经提出并确立了腿式着陆器的初步方案[20]，由于月球表面复杂的环境条件以及巡视器、着陆器相关结构尺寸的严格限制，要求转移机构体积和重量小、强度和刚度高、且具有良好的环境适应性以及与着陆器设备环境的相容性。为此设计人员在着陆器、巡视器两器已形成的严苛设计约束下对转移机构的结构、机构及材料进行设计，以达到转移机构对两器安装、搭载、轻质、可靠等相关设计要求。

5.6 机构组件抗性设计

转移机构作为空间机构，其机构设计在满足功能需求的同时，还需满足航天任务对于空间环境的适应要求，以保证机构能够在发射、姿轨机动、动力下降、月面着陆及月面环境等一系列严苛环境下正常工作并完成转移任务。具体的，针对空间真空环境和月球表面月尘环境，对转移机构活动部件进行防冷焊设计、润滑设计及防尘设计；针对空间高低温环境，对转移机构进行热防护设计，并对高低温环境下转移机构运动副材料线膨胀系数进行分析，以选择合适间隙，保证机构在高低温交变环境下不发生卡死；针对空间电磁辐射环境，对转移机构内的电器元件以金属外壳包覆，并通过辐照试验分析辐照对材料弹性、强度及机械性能的影响，设计符合防辐射要求的壳体；针对空间粒子环境，对转移机构电气系统进行防护设计，防止空间重离子及质子效应对电气系统造成的影响，尤其是高能粒子对电子器件的烧毁和击穿效应；针对发射、变轨及着陆等恶劣力学环境，对转移机构部件及整机进行静力及动力分析，考虑振动、冲击及过载等力学环境对机构、结构的影响。上述转移机构各项设计皆需通过地面环境试验进行严格验证，保障转移机构满足抗性要求。

5.7 机构停止策略设计

转移机构完成触地动作并适应月面环境后，停止判位机构工作，转移机构停机，转移机构将作为支撑结构及传感设备继续为着陆器及巡视器服务。转移机构的停机过程由停止判位机构实现，停止判位机构的设计即在转移任务过程中提供机构停止功能，以保证转移机构在转移任务结束后或机构故障时停止机构动作，从而保证机构及载荷设备的安全，其由缓释电机、缓释索、转动到位开关、松弛到位开关组成，如图15所示。停止判位机构的工作方式为：当转移机构顺利完成触地动作后，此时连接铰链转动到限位位置，转动到位开关触发，停止判位机构工作，向控制器发送停机指令，转移机构停机；当转移机构在动作过程中出现故障或连接铰链卡死时，此时缓释电机继续转动导致缓释索瞬时松弛，松弛到位开关触发，停止判位机构工作，向控制器发送急停指令，转移机构及时停机，为故障安全处理提供支撑，保障转移任务继续执行。

5.8 机构任务环境设计

为验证转移机构设计的合理性与任务执行的可靠性，以及全任务周期内转移机构与其他星载机构及载荷设备的协同性能，需在转移机构设计的同时考虑机构设计及任务过程的可验性及可验方案设计，从而为转移机构建立有效的地面模拟试验。其中，为了模拟着陆区月面环境，建立了月面模拟试验场，并布置了坡度不同、粒径不一、深浅不同的斜坡、石块和凹坑模拟非确知环境；为了模拟月面重力环境，设计了低重力斜面试验及低重力悬挂试验，以分别为转移悬梯及转移机构单机提供低重力环境模拟，如图16所示；为了模拟转移任务过程，设计了转移机构与模拟装置、巡视器单机、着陆器整机、及探测器系统的联试方案[21]。以上机构任务环境的设计有效支持了转移机构的地面验证工作，保障了在轨转移任务的顺利进行。

6 转移释放任务验证

6.1 地面验证

嫦娥转移机构地面验证主要包括有模拟月面重力下转移机构展开试验；模拟月面重力下转移机构缓释、避障、触地及急停等机构功能试验；模拟月面环境下转移机构关键件抗性试验；模拟极限着陆姿态下转移机构自适应性试验；转移机构力、热、真空、声振、电磁辐照及组合环境试验；转移机构电性能测试试验；转移机构与巡视器、着陆器及两器联合试验等。此外，为配合转移机构的地面验证，还开展了着陆模拟试验以模拟着陆器着陆缓冲机构不等距压缩和拉伸及月面坡度对两器姿态的影响、巡视模拟试验以模拟巡视器驶离转移机构时对机构相关参数的影响等与转移任务相关的地面验证内容。

6.2 在轨验证

北京时间2013年12月2日1时31分，探月二期嫦娥三号探测器由长征三号乙型运载火箭成功发射；14日21时11分，嫦娥三号着陆器成功着陆于月球近地面虹湾任务区，转移机构顺利解锁并成功展开；15日4时35分，巡视探测器与着陆探测器成功分离释放，“玉兔号”巡视器经由转移机构顺利驶抵月球表面。

北京时间2018年12月8日2时23分，探月二期嫦娥四号探测器由长征三号乙型运载火箭成功发射；2019年1月3日10时26分，嫦娥四号着陆器成功着陆于月球远地面艾特肯盆地任务区，转移机构顺利解锁并成功展开；3日22时22分，巡视探测器与着陆探测器成功分离释放，“玉兔二号”巡视器经由转移机构顺利驶抵月球表面。

以上巡视器与着陆器分离释放过程中，嫦娥三号及四号转移机构按预定程序顺利完成各阶段任务，各项功能和性能指标满足设计要求，保障了探月任务的顺利进行，为转移机构的设计及应用提供了有效验证和在轨经验。图17为“玉兔二号”巡视器驶离嫦娥四号转移机构过程的影像。

图17 嫦娥四号巡视器转移任务驶离过程影像

7 结 论

嫦娥转移机构设计是探月工程重要且有标志性意义的重要研发工作，是中国自主创新设计与工程实践的代表，本文对其设计过程进行了研究：

1) 以月球探测二期工程嫦娥系列探测器转移任务为例，对嫦娥探测器转移机构及转移释放任务进行说明，明确了机构设计需求。

2) 针对转移机构设计需求，结合转移机构在设计过程中应考虑的因素，对转移机构主要设计特点及约束情况进行了阐述。

3) 在转移机构设计约束基础上给出嫦娥探测器分段渐倾转移机构方案及正样机构设计中的关键环节，对包括展开避障设计、转移控制设计、触地适应设计等成果经验进行了总结。

4) 对转移机构地面及在轨情况进行说明，验证嫦娥分段渐倾转移机构设计的可行性，为我国后续探测任务及转移机构的设计提供了支持。