Одним из эффективных средств исследования планет и спутников Солнечной системы являются планетоходы, позволяющие не только расширить район изучения, но и изменять направление поисков. Планетоходы могут использоваться для перевозки космонавтов и грузов, для постановки метеомаяков и маяков наведения.
Первые в мире планетоходы, как известно, были созданы в нашей стране. «Луноходы-1 и 2» на спутнике Земли убедительно продемонстрировали возможности этих подвижных лабораторий.
Несмотря на имеющийся пример успешной эксплуатации американского лунохода LRV, созданного в рамках программы «Apollo», в ближайшем будущем следует ожидать преимущественного использования безэкипажных планетоходов с достаточно высокой степенью автономности. Такие планетоходы должны обладать системами навигации и управления, свойствами перепрограммируемости и адаптивности. Для обеспечения необходимых качеств по проходимости и подвижности механические устройства планетохода должны иметь несколько степеней свободы (не менее двух). Как правило, планетоход снабжается манипуляторамидля наведения телевизионных камер, сбора образцов грунта, управления другими служебными устройствами и т. д. Очевидно, что такой безэкипажный планетоход может быть отнесен к классу транспортных (локомоционных) роботов, предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях.
Теория транспортных роботов разрабатывается в нашей стране с середины 60-х годов. В 1970 и 1973 г. г. на Луну были доставлены «Луноходы». В 1971 г. в составе межпланетной станции «Марс-3» находился марсоход (при контакте с поверхностью Марса связь с посадочным комплексом прервалась). В 1971;72 г. г. три экспедиции астронавтов США на Луну были оснащены электромобилями «LRV». В рамках проекта «Фобос» в 1989 г. на второй межпланетной станции с первой станцией связь прервалась на трассе перепета к Марсу) находился подвижный аппарат для исследования поверхности Фобоса ПрОП-ФП. Начало научных исследований на орбите искусственного спутника Марса было успешным, но затем связь и с этой станцией была утеряна. В 80-х годах в нашей стране началась работа над созданием марсохода для последующих экспедиций. Были изготовлены оригинальные по конструкции опытные образцы роботов-марсоходов, получившие высокую оценку ведущих специалистов различных стран. Успешными были доставка и эксплуатация марсохода США в 1997 г. Более подробные сведения о роботах-планетоходах приведены в главе 1. Здесь же отметим, что транспортные роботы, предназначенные для эксплуатации на Луне и планетах, являются уникальными изделиями и наиболее сложными из локомо-ционных роботов.
К роботу-планетоходу предъявляются разносторонние требования [1,2,13]:
— высокая проходимость в профильных условиях грунта исследуемой планеты (спутника);
— прочность конструкции, приборов, научной аппаратуры- -высокий уровень надежности (с учетом невозможности ремонта и значительных затрат на создание и доставку аппарата) — -сохраняемость при доставке (продолжительность этапа доставки может быть значительной, а условия доставки могут существенно отличаться от условий функционирования на планете) — -функционирование в условиях исследуемой планеты (спутника) — -возможность конвертированиядля крепления в космическом корабле и последующего «разворачивания» при доставке на поверхность планеты.
Выполнение любого из перечисленных взаимосвязанных требованийсерьезная научно-инженерная задача, решение которой пред дполагает достижение главной целиобеспечение работоспособности робота-планетохода. Свидетельством этому служат фундаментальные исследования (например, [ 1,13 ]). В мире проявляется большой интерес к проблемам проектирования роботов-планетоходовпо сведениям автора, за последние 10 лет появилось более 140 работ на эту тему. К обоснованию важности и актуальности вопроса можно добавить следующие факты:
— в 1997 г. на Марс был доставлен американский планетоход, который, несмотря на неполадки при посадке на поверхность планеты, выполнил предусмотренную программу исследования- -в последние годы расширился круг стран и организаций, занимающихся проблемами создания планетоходов (фирмы Франции и Германии проявляют интерес к разработкам АО ВНИИТРАНСМАШв НПО им. С. А. Лавочкина разработан проект «Марсохода-2001»).
Термин «Работоспособность» здесь и в дальнейшем изложении понимается в формулировке: «Работоспособное состояние (работоспособность) — состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и или) конструкторской документации.» *. Подчеркнем, что численными показателями работоспособности являются технические параметры, которые характеризуют возможности изделия по выполнению поставленных задач исследования или заданных функций. При этом не исключен вариант ограничения значений параметров при возникновении нештатных ситуаций.
Надежность и эффективность в технике. В 10 томах. Справочник. Т. I / Под ред. д.т.н. А. И. Рембезы.- М.: Машиностроение, 1986. 222 с.
Основными объектами исследования являются роботыпланетоходы. В рамках научно-технического сотрудничества СПбГТУ и АО ВНИИТРАНСМАШ автор с 1980 г. участвует в разработках планетоходов и других изделий космической техники. Накопленный опыт и явился базой для написания диссертации.
Непосредственными объектами исследования явились: -подвижный аппарат для исследования поверхности Фобоса (с прыжковым движителем) — степень разработкилетные образцы аппаратасоздавался в рамках Государственной программы «Фобос» — -марсоход (с шестиколесным колесно-шагающим движителем, приводом изгиба рамы и бортовым способом поворота) — степень разработкиопытные образцыработы над аппаратом велись в соответствии с Государственной программой «Марс-96» — -аппарат «Крот», предназначенный для исследования подповерхностных слоев грунтаодин из вариантов аппарата проектировался для установки на марсоходстепень разработкиопытные образцы- -демонстратор марсохода, изготовленный по заказу французской фирмы «Lama» (как и марсоход, имел шестиколесный колесно-шагающий движитель);
— демонстратор лунохода, изготовленный также по заказу французской фирмы (шестиколесный колесно-шагающий движитель с управляемыми колесами);
— мини-луноход, разрабатываемый по заказу германской фирмыстепень разработкитехнические предложения- -платформа точного наведения, изготовленная по заказу фирмы «Боинг» (США) и предназначенная для ориентирования научных приборов при проведении исследований с орбитальной станции «Мир» — платформа доставлена на ОС «Мир» ;
— привод системы крепления бортовых манипуляторов космического корабля «Буран» — степень разработкилетные образцы.
— и.
Некоторые из перечисленных объектов не являются планетоходами. Включение их в ряд рассматриваемых в диссертации изделий вызвано стремлением подчеркнуть универсальность предлагаемых методов, расширить область их применения, а также расширить базу для последующих обобщений. Кроме того, дополнительные объекты исследования, как и безэкипажные планетоходы, относятся к классу робоототехнических изделий.
Кроме того, автор участвовал: -в разработке на начальном этапе проектирования и в последующей экспериментальной отработке СОТР трехосной стабилизированной платформы, которая была смонтирована на межпланетной станции «Марс-96» ;
— в тепловом расчете редукторов разворота для бортовых манипуляторов корабля «Буран» ;
— в тепловом расчете пироячейки, проектируемой для устройства-анализатора химического состава грунта;
— в разработке методики и специальных зондов для измерения теплопроводности грунта (применительно к аппарату «Крот») — -в тепловом расчете токоприемника для высоскоростного электропоезда «Сокол» .
Эти разработки, не вошедшие в структуру работы, также внесли вклад в формирование научных положений диссертации.
Область исследования. Среди основных требований, предъявляемым к роботам-планетоходам, автор выделил вопросы, связанные с обеспечением работоспособности аппаратов в климатических условиях изучаемой планеты (спутника). При этом главной является задача обеспечения требуемого температурного режима устройств робота-планетохода. Физико-химические причины нарушения работоспособности аппарата в случае выхода температуры устройства за допустимые температурные пределы сводятся, главным образом, к изменению характеристик материалов (например, к изменению г прочностных и упругих свойств консрукционных материалов, смазочных свойств применяемых смазок, физических характеристик материалов, используемых для изготовления радиоэлектронных устройств, физико-химических характеристик аккумуляторов и т. д.). Опыт проектирования, исследования в наземных лабораториях и эксплуатации в натурных условиях изделий космической техники позволяет привести следующие примеры допустимых температурных диапазонов (применительно к роботам-планетоходам): -смазочные материалыот минус 80 до +120°С- -пластмассыот минус 50 до +(50.90)°С- -электродвигателиот минус 50 до +90°С- -радиоэлектронные блокиот минус (50. 10) до +50°с- -гироскопические устройства- +(15.30)±-5°С.
Нарушение теплового режима какого-либо устройства приводит к полной или частичной потере работоспособности всего аппарата. В этой связи становится очевидной необходимость проектирования системы обеспечения теплового режима (СОТР), как важнейшей составной части планетохода. Имеющийся опыт проектирования и наземной отработки орбитальных околоземных аппаратов, межпланетных станций, первых планетоходов представляет собой фундаментальную базу для развития исследований применительно к роботам-планетоходам. Роботы-планетоходы имеют ряд особенностей эксплуатации, которые приводят к необходимости создания специфических методов проектирования и наземной отработки СОТР: -широкий диапазон внешних тепловых воздействий в совокупности с весьма ограниченными энергетическими возможностями аппарата- -изменение внешней тепловой обстановки при перемещении аппарата по поверхности планеты (спутника) — -тепловое взаимодействие с грунтом;
— наличие подвижных частей конструкции.
Отметим также, что роботы-планетоходыуникальные изделия. При проектировании робота-планетохода уже на этапах разработки технических предложений и эскизного проекта необходимо решить ряд принципиальных задач, чтобы оценить реальность создания аппарата с обозначенными ограничениями по массе, габаритам, энергетике. Такая оценка должна производиться еще до детальной проработки конструкции. Это накладывает особые требования на используемые методы расчета и предварительной экспериментальной проверки.
Таким образом, область исследования включает разработку основ проектирования и наземной отработки системы обеспечения работоспособности робота-планетохода в части теплового режима его устройств при заданных температурных ограничениях. Методы проектирования и наземной отработки должны быть применимы на всех этапах разработки изделия, включая начальные. Область исследования распротраняется на все транспортные роботы, предназначенные для функционирования при экстремальных значениях тепловых нагрузок. В приведенной формулировке, по существу, отражена также цепь исследования: создание научных основ методов расчета и экспериментальных исследований для проектирования системы обеспечения работоспособности робота планетохода по тепловому режиму его устройств. В качестве базы для достижения цели исследования автор предлагает использовать модульный принцип и положения теории тепловых цепей.
Задачи диссертации: -анализ условий теплообмена планетоходов;
— адаптация модульного принципа анализа теплового состояния к роботам-планетоходам;
— формулировка признаков модулей, являющихся составными частями схем замещения;
— обоснование выбора расчетных методов и круга задач теплоперено-саполучение новых решений некоторых задач- -разработка методических основ экспериментальной отработки СОТР планетоходов.
Теоретическая и экспериментальная база исследования. При рас-четно-теоретическом анализе теплового состояния планетоходов применяются методы теории теплопереноса с учетом особенностей конструкции и условий теплообмена роботов-планетоходов. Экспериментальные исследования проведены, в основном, на стендовом оборудовании АО ВНИИТРАНСМАШ. В разработках используется опыт проектирования и наземной отработки орбитальных аппаратов и межпланетных станций.
Диссертация имеет следующую структуру.
В первой главе перечислены требования, предъявляемые к плане-тоходам, методы и средства выполнения этих требований. Кратко описан процесс создания планетохода с выделением особенностей начальных этапов проектирования. Описаны компоновки, конструкции, технические характеристики объектов исследованияуказаны устройства, нарушение теплового режима которых может привести к полной или частичной потере работоспособности аппарата. Даны сведения об условиях эксплуатации роботов-планетоходов на наиболее вероятных объектах изучения (на планетах и спутниках Солнечной системы): температурные диапазоны для атмосферы и грунтасостав и давление атмосферыветровые потокихарактеристики солнечного излучения и собственного теплового потокатипы грунтов. Проанализировано состояние вопроса в области проектирования СОТР планетоходов. Установлено, что обобщающие материалы по проектированию СОТР планетоходов отсутствуют. В итоге сформулированы цель и задачи диссертации.
Во второй главе обоснована принципиальная возможность и целесообразность применения модульного принципа при проектировании СОТР роботов-планетоходов. Показано место теории тепловых цепей, принципов суперпозиции и эквивалентности, метода эффективного тела при анализе теплового состояния планетохода. Проведен анализ условий теплообмена устройств (особое внимание уделено условиям теплообмена на Марсепланете, являющейся одним из наиболее вероятных объектов изучения). В рамках главы продемонстрированы разработки автора по поиску имеющихся и получению новых задач теплопереноса для типичных модулей.
Глава 3 посвящена экспериментальным исслеваниям и наземной отработке СОТР планетоходов. Разработана методика имитации условий, возникающих при штатной эксплуатации роботовпланетоходов, на стендовом оборудовании АО ВНИИТРАНСМАШ. Рассмотрены особенности и даны предложения по снижению температуры криоэкранов и давления остаточных газов в ТБК, по имитации теплового воздействия солнечного излучения и условий марсианской атмосферы. Изложена теория прогноза теплового процесса по результатам испытаний с отличными от требуемых начальными температурамипредложена замена состава газовой среды при испытаниях.
Первые три главы, с одной стороны, служат основой проектирования и наземной отработки СОТР робота-планетохода, а с другойпредставляют собой результат анализа и обобщения работ, выполненных для конкретных изделийнепосредственных объектов исследования. Четвертая глава содержит решение задач проектирования СОТР и оценку теплового состояния перечисленных выше роботов-планетоходов и других робототехнических устройств. Работа над каждым изделием представляет собой достаточно трудоемкую самостоятельную задачу и вносит вклад в подтверждение эффективности предлагаемых основ проектирования СОТР планетохода. Материалы этой главы представляют наибольший практический интерес.
При расчетно-теоретическом анализе теплового состояния роботов-планетоходов (аппарат «Фобос», источник энергии аппарата «Фобос», марсоход, демонстратор марсохода) и робототехнических устройств (моторный блок привода СКБМ) широко использовалась вычислительная техника.
Научная новизна диссертации. В диссертации предложены научно обоснованные технические и технологические решения, закладывающие основы проектирования и наземной отработки СОТР роботов-планетоходов. Предложенные решения применимы на любой стадии проектирования планетохода, включая ранние этапыразработку технических предложений и эскизное проектирование.
Практическая значимость диссертации заключается в следующем: -наличие достаточно гибких аппарата и алгоритма проектирования и экспериментальной отработки СОТР робота-планетохода- -разработки СОТР и анализ теплового состояния различных изделий, созданных, проектируемых или предлагаемых по реальным программам и заказам;
— методики наземной отработки изделий и предложения по модернизации стендового оборудования;
— результаты расчетно-теоретического и экспериментального решения важных специальных задач (тепловой контакт колеса с грунтом, теплообмен в атмосфере Марса, теплопроводность различных материалов и др.).
На защиту выносятся следующие положения:
1 .Алгоритм проектирования системы обеспечения работоспособности транспортного робота в части теплового режима его устройств при эктремальных значениях тепловых нагрузок.
2.Расчетно-теоретический метод анализа теплового состояния робота-планетохода, представляющий собой основу для разработки общей математической модели.
3.Основы экспериментального исследования и наземной отработки СОТР робота-планетохода.
4.Разработки СОТР и оценки возможности обеспечения работоспособности различных транспортных роботов и робототехнических изделий.
Личный вклад автора: -автор обобщил результаты работ в рассматриваемом направлении и сформулировал основные положения, изложенные в диссертации- -автору принадлежат формулировка и адаптация модульного принципа к анализу теплового состояния роботов-планетоходов- -все расчетно-теоретические разработки выполнены лично автором (большинство разработок) или при его непосредственном участии- -основные методические положения для проведения термовакуумных испытаний и последующей обработки данных разработаны лично автором;
— автор принимал непосредственное участие в разработке всех изделий, перечисленных выше, на различных этапах их проектирования.
Список научных трудов автора по теме диссертации состоит из 73 наименований, куда входят научно-технические отчеты, программы и методики испытаний, технические справки, статьи, тезисы докладов, авторские свидетельства на изобретения, патенты РФ. Общее число печатных трудов автора по теме диссертации — 23. Результаты работы доложены на 9 научно-технических конференциях, из них на 4-х научно-технических конференциях общероссийского уровня.
Автор выражает благодарность коллективу космического направления АО ВНИИТРАНСМАШ, кафедре колесных и гусеничных машин, кафедре автоматов, кафедре теоретических основ теплотехники СПбГТУ, оказавшим существенную помощь и поддержку в подготовке диссертации.
1.Состояния вопроса. Объекта исследования. Постановка задач диссертации.
Одним из основных средств получения информации о планетах и спутниках Солнечной системы являются автоматические посадочные комплексы, в состав которых для расширения объема исследований целесообразно включать подвижные роботы-планетоходы. При дальнейшем техническом развитии космонавтики планетоходы смогут выполнять функции транспортных средств для пер движения космонавтов и перевозки грузов.
Планетоходы-уникальные транспортные средства. Подтверждением тому служат:
— уникальность конструкции планетохода;
— функциональное предназначение, вытекающее из задач исследования небесного тела (изучение физических, химических, механических свойств грунта и атмосферыизмерение радиационных характеристикпоиск биологических веществ и др.);
— условия эксплуатации, которые включают в себя этапы доставки, посадки, функционирование на поверхности небесного тела- -повышенные требования к надежности в связи со значительной стоимостью и невозможностью устранения неполадок в период эксплуатации.
Безэкипажные планетоходы, как правило, обладают всеми отличительными свойствами транспортного робота: -число степеней свободы может достигать шести, и в любом случае-не менее двух;
— современные планетоходы обладают свойствами адаптивности и пе-репрограммируемости (развитию этих свойств посвящено достаточно много работ в России и за рубежом [ 1,41,58,63,65 ]);
— в состав планетохода входят системы управления и измерения с обратными связями;
— планетоход в большинстве случаев имеет манипуляторы для ориентации научных приборов, устройств для забора грунта и др. Подчеркнутые выше особенности роботов-планетоходов позволяют сформулировать главные требования, выдвигаемые при их создании.
Результаты работы использованы при разработке следующих объектов космической техники и их аналогов для наземных испытаний:
— аппарата для исследования поверхности Фобоса ПрОП-ФП;
— марсохода и демонстратора марсохода;
— аппарата «Крот» ;
— демонстратора лунохода;
— мини-лунохода;
— моторного блока СКБМ корабля «Буран» — -платформы точного наведения ОС «Мир» .
Кроме того, выполнен теплотехнический расчет токоприемника поезда «Сокол» (проект ВСМ «Москва-С.-Петербург»).
Автор считает, что дальнейшее использование и развитие результатов работы может быть в следующих направлениях: -адаптация расчетных методов к решению задач проектирования СОТР роботов-планетоходов нового поколения- -автоматизация процесса проектирования путем разработки соответствующих алгоритмов и программных продуктовсоздание банка данных по различным вариантам условий эксплуатации и конструкциям модулей;
— расчет, исследование и теплотехнические испытания робототехниче-ских изделий и других сложных объектов.
Предложенные методы проектирования СОТР роботов-планетоходов доступны для инженерного использования, позволяют достаточно оперативно реагировать на изменения в конструкции аппарата и применимы на всех этапах конструктоско-проектирочных работ. Это подтверждается многолетним опытом сотрудничества с коллективом ВНИИТРАНСМАШ и другими ведущими организациями.
Заключение
.
В соответствии с целью и задачами диссертации в ней сформулированы, обоснованы и подтверждены многочисленными экспериментами научные основы исследования, проектирования, и наземной отработки системы обеспечения работоспособности роботов-планетоходов по тепловым режимам.
Модульный принцип теплотехнического исследования позволяет достаточно точно оценить температурный режим устройств без детальной разработки их конструкциион применим на любом этапе создания планетохода, включая стадии разработки технических предложений и эскизного проектирования.
В работе использовались: -теоретические и экспериментальные разработки отечественных и зарубежных ученых в области расчета, проектирования и наземной отработки систем обеспечения работоспособности изделий космической техники по тепловому режиму;
— анализ данных об условиях эксплуатации роботов-планетоходов, сведения о нарушении работоспособности устройств в случае выхода их температуры за допустимые пределы;
— данные о теплофизических и термооптических характеристиках материалов и покрытий, включая терморегулирующие покрытия- -прикладные методы анализа теплового состояния изделий (теория тепловых цепей, принципы суперпозиции и эквивалентности), а также решения задач теплопереноса для типичных модулей- -методики проведения термовакуумных испытаний (методы имитации внешних тепловых воздействий, измерения и контроля параметров, оценка погрешностей и т. д.).
К наиболее важным для науки и инженерной практики результатам работы относятся следующие.
1.Методика исследования теплового состояния и проектирования СОТР роботов-планетоходов построена на модульном принципе, в связи с чем в работе сформулированы признаки модуля и обосновано объединение различных блоков изделия в единый модуль. Разработаны принципы выбора расчетных условий эксплуатации, определены зоны пассивной и активной СОТР модуля как составной части расчетной схемы*.
2. Получены новые аналитические и численные решения задач теплопе-реноса: нагрев шара и шара, окруженного оболочкой, при радиационном теплообмене со средой (в космическом пространстве), а также при теплообмене со средой переменной температуры (на поверхности планет) — расчет плоского теплового аккумулятора, использующего теплоту фазового перехода и т. д.
3.Проанализировано тепловое состояние оболочки мотор-колеса планетохода. Показано, что для всех применяемых в конструкции материалов источник тепловыделения в зоне контакта колеса с грунтом в режиме движения является быстродвижущимся. Для реальных конструкций оболочка является термически тонким телом, что не позволяет использовать для расчета модели, связанные с полуограниченностью.
4. Установлено, что в условиях Марса запыленность атмосферы не влияет на конвективный теплообмен планетохода с газовой средой. по.
Это позволяет вести расчеты традиционным критериальным зависимостям.
5. Разработаны и реализованы мероприятия, позволяющие более точно имитировать условия эксплуатации роботовпланетоходов щи испытаниях в ТБК, предложен аналитический способ прогноза теплового состояния изделия по данным испытаний, проведенных с произвольной начальной температурой (метод пригоден для наземной отработки любого изделия). Замена газовой среды позволяет избежать десуб-лимации СОг при низких температурах.
6. Отработана имитация теплового воздействия солнечного излучения с помощью инфракрасных излучателей. Практически реализован метод поэтапных испытаний в ТБК: первый этапсо специальным ими-тататором солнечного излучения, а последующиес инфракрасными излучателями.
7.Получены экспериметальные зависимости теплопроводности некоторых новых материалов от температуры, что позволило обоснованно выбрать тип и конструкцию теплоизоляции и уточнить теплотехнические расчеты.
В.Произведена оценка погрешностей при измерениях и косвенном определении параметров. Предложен экспериментально-расчетный метод учета погрешеностей при имитации нагрева изделия. 9. Осуществлены разработки СОТР (или показана их возможность) для ряда изготовленных и проектируемых изделий, предназначенных для функционирования в экстремальных условиях. Многообразие конструкций объектов исследования и отличия в степени проработки их конструкции подтверждают универсальность и гибкость предло-диссертации методов проектирования СОТР. Результаты работ над конкретными изделиями могут служить прототипом для вновь создаваемых транспортных роботов и робото-технических изделий.
Ю.Комплекс проведенных исследований и их результатов представляет собой основу для создания общей математической модели проектирования СОТР роботов-планетоходов.
Таким образом, в результате исследований создан расчетно-экспериментальный аппарат сопровождения конструкторско-проектировочной деятельности, обеспечивающий работоспособность роботов-планетоходов по показателям теплового режима.
