火星探测车的研究设计

德州学院机电工程学院 李正阳 王嵋 李彩霞 梁丽梅

引言

火星是地球的近邻，了解火星的演化对了解地球的过去和未来演化有十分重要的意义。火星表面上是否曾经存在过生命，现今是否依然存在生命，是人类尤为关心的问题。围绕火星是否曾经存在生命的探索一直是火星探测的重要主题，人类对火星的探索从未停止。通过已经发射到火星上的探测器发现火星上不仅大气稀缺，而且可以供宇航员生存的必需品也是少之又少，又由于火星没有大气层的保护，火星上常常吹起沙暴，火星这样的自然条件不适合宇航员活动。因此设计一辆具有综合能力的载人探测车帮助人们完成各种任务是十分必要的。

1 整机设计

火星探测车主要由主舱室、副舱室、塔吊机构、通讯系统、电磁行走机构和车架等组成。主舱室视野开阔并配有完善的导航系统，可同时容纳多名宇航员，副舱室用来进行塔吊指挥并协同主舱室空间工作。探险车具有强大的远程通信功能，并且具有抗电磁波干扰的能力。其电磁行走机构安装六个电磁行走轮，每个行走轮都是单独驱动，不会由于动力不足而停止探索工作，其整机结构示意图如图1所示。

图1 火星探测车结构示意图

1.1 探测车的车架设计

车架通过四根大直径的挠性柱与车底、车顶连接。保证其连接的牢固性又能缓冲地面崎岖所产生的冲力。车架采用合金的钢板冲压制成，强度大、不易被恶劣的未知液体或气体腐蚀。其结构如图2所示。

图2 车架结构示意图

1.2 电磁行走机构

火星车的移动环境复杂，一是移动能力和火星表面构造的力学特性直接相关，而我们对这些特性知之甚少；二是火星表面石块等障碍分布密集，火星车以自主行驶为主，被石块卡滞的风险较大；三是火星表面温度变化频繁，存在沙尘天气，更容易发生车轮卡死失效；四是火星表面多石块环境对车轮轮缘的强度、耐磨性提出更高要求。为此探险车共安装六个电磁行走轮，每个电磁行走轮都是单独供电，位于车体中部的两个电磁轮由两个轮毂架固定；车体两端的电磁轮通过单个的轮毂架固定。电磁行走轮的结构采用涡轮压片式的结构，不仅大大减少了轮胎的重量，还提高了转向的性能。

2 火星探测车的组合设计及工作原理

火星探测车的整体由车架支撑，在车架的两边各设置有三个轮轴连接装置。车架的底部是车辆的整体电力输出中心，车内所有的能量从车底的发电机组输出分配。在车架与主舱室的连接处设置爬梯方便宇航员行动，主舱室和副舱室两者相互协调共同完成火星探测车的行动和施工。在副舱室的侧翼设置塔台机构，用于搬运重物。探测车的顶端安装远程遥感装置和卫星通讯装置，两者都可以任意旋转。其爆炸结构示意图如图3所示。

图3 火星探险车爆炸结构示意图

3 结论

该探险车操作性能优越，适应火星的各种位置地形，具有探测范围广、精度高的优点。主要表现在以下几个方面：

（1）操作性能优越。主、副舱室联合操控，负责探索车的各项基本性能指标；副舱室管理塔台的调动、指挥工作行动。

（2）六足联动行动方便，可以适应各种位置地形。探索车每个电磁行走轮都是由单独的电磁驱动器驱动，适应地形能力强。

（3）配备远程遥感装置，可用于探测深度大、宽度大、温度异常等特殊环境的区域。