Планетоходы. Как можно передвигаться при строительстве российской базы на Луне?

14 April 2020
<100 full reads
4 min.
223 story viewsUnique page visitors
<100 read the story to the endThat's 42% of the total page views
4 minutes — average reading time

Ко Дню космонавтики и строительству
российской базы на луне в 2025 году

В этом году на 12 апреля я изменил своей традиции и собирал пост не о ПВО, а о космонавтике, а точнее о таком ее разделе как исследование поверхностей далеких планет с помощью планетоходов. В итоге пост не задался, праздник давно прошел, все в очередной раз покаялись перед Юрой и я загрустил. Однако, сегодня, как манна небесная, канал "Звезда" объявил о том, что мы, дабы не отдавать омериканцам Луну, в 2025 году начнем там строить свою базу. Должно быть военную, как в Сирии.
Вот счастье то для простого русского человека! Пост заиграл новыми красками, а в строительстве базы нам наверняка поможет замечательная экспозиция в Техническом музее в Тольятти, напоминая, что было сделано при СССР и что мы потеряли. Просто мечтаю привезти эту выставку в Пермь, но в моем музее она не поместится, а создание Технического музея на Заводе Шпагина региональное Министерство культуры в этом году зарубило. Так что смотрим фоторепортаж и проникаемся тем, что и мы когда-то в состоянии были запускать планетоходы на другие планеты.

Экспозиция огромного Паркового комплекса истории техники имени К. Г. Сахарова не ограничива­ется только военной техникой. В так называемом "депо" представлены уникальные опытные образцы аппаратов для натурного исследования поверхностей других планет - планетоходов: шасси лунохода, марсоход, натурный макет шагающе­го аппарата, платформа с колесно‑ша­гающим движителем, специализи­рованный транспортный робот. Эти космические аппараты были созданы в единственном экземпляре Всероссий­ским научно‑исследовательским инсти­тутом транспортного машиностроения (Санкт‑Петербург) и проходили испыта­ния на Камчатке по сложному рельефу местности.
ВНИИТрансмаш был основан в 1949 году как головной институт в области военных гусеничных машин, а с 1963 года по мере развития космонавтики он занялся разработкой и автоматических шасси планетоходов. Однако о раскрытии тайн далеких планет с помощью планетоходов со времен СССР нам пришлось прочно забыть.

Планетоход — аппарат, предназначенный для передвижения по поверхности другой планеты, ее спутника или астероида. Все когда-либо использовавшиеся в космосе планетоходы были либо исследовательскими, либо транспортными. Планетоходы могут управляться экипадем или быть  дистанционно управляемыми, частично или полностью автономными. Транспортные планетоходы предназначены для перемещения космонавтов и грузов по сухой поверхности планеты. Такие планетоходы могут иметь открытую конструкцию или же оснащаться герметичной кабиной. Все это усложняет конструкцию машины. В то же время, участие человека даёт возможность её обслуживания и ремонта.
В контексте недавнего заявления американского президента Дональда Трампа, и оперативно подхвативших тренд российских СМИ, в будущем, при освоении Луны, возможно использование планетоходов для проведения строительных работ, добычи полезных ископаемых, а также как мобильных ретрансляторов и мобильных убежищ.

  Натурный макет шагающего аппарата грузоподъемностью 80 кг. Изготовлен в 1985 году и испытан на Камчатке. Предназначен для отработки технологии создания шагоходов. Скорость движения 0,7 км/час. Масса 750 кг.
Натурный макет шагающего аппарата грузоподъемностью 80 кг. Изготовлен в 1985 году и испытан на Камчатке. Предназначен для отработки технологии создания шагоходов. Скорость движения 0,7 км/час. Масса 750 кг.
Натурный макет шагающего аппарата грузоподъемностью 80 кг. Изготовлен в 1985 году и испытан на Камчатке. Предназначен для отработки технологии создания шагоходов. Скорость движения 0,7 км/час. Масса 750 кг.

Планетоходы обладают несколькими преимуществами перед неподвижными аппаратами:
- они обследуют бо́льшую территорию, могут в процессе работы направляться для исследования заинтересовавших исследователей объектов;
- способны менять положение относительно Солнца, чтобы эффективно использовать солнечные батареи в зимний период;
- способны выбирать и менять маршрут следования.
Недостатки планетохода в сравнению с орбитальными аппаратами: более высокий риск неудачи, вследствие сложности посадки или других проблем и ограниченность исследуемой площади районом места приземления (который может быть задан лишь приблизительно).

 Натурный макет шагающего аппарата
Натурный макет шагающего аппарата
Натурный макет шагающего аппарата

К планетоходам предъявляются ряд специфических требований: надежность, компактность, дистанционное управление и автономность.
Планетоход должен обладать стойкостью к перегрузкам, низким и высоким температурам, давлению, пылевому загрязнению, химической коррозии, космической радиации, сохраняя работоспособность без ремонтных работ в течение требуемого для выполнения исследований времени.
Объём космических кораблей ограничен, поэтому в конструкции планетоходов и при их укладке уделяется внимание экономии пространства. Может складываться ходовая часть планетохода, либо аппарат в целом.

 Наиболее широкое распространение среди запущенных планетоходов получил колесный движитель и этому есть свои причины
Наиболее широкое распространение среди запущенных планетоходов получил колесный движитель и этому есть свои причины
Наиболее широкое распространение среди запущенных планетоходов получил колесный движитель и этому есть свои причины

Планетоходы (и другие аппараты), находящиеся на планетах значительно удалённых от Земли, не могут управляться в режиме реального времени из-за значительного запаздывания командных сигналов и ответных сигналов от аппарата. Задержка возникает, поскольку радиосигналу вследствие конечности его скорости распространения требуется время, чтобы дойти до другой планеты или от неё до Земли. Поэтому такие планетоходы способны некоторое время функционировать, в том числе передвигаться и выполнять исследования, автономно по заложенным в них программам, получая команды лишь время от времени.
Общее требование к планетоходам — обладание хорошей проходимостью, поэтому большое внимание уделяется конструкции подвески, колёс и привода.

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. 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.
Колеса - очень экономичный вид движителя. Чтобы прокручивать 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. Сравнительно прост и привод колес от электромоторов, легко обеспечивать разворот.

Платформа с гусеничным движителем для проведения НИОКР по теме выбора движителя для Луноход-1 в 1965 году. Выявила недостаточную надежность в следствии заклинивания гусеницы кусками породы. Скорость 0,5 км/час.
Платформа с гусеничным движителем для проведения НИОКР по теме выбора движителя для Луноход-1 в 1965 году. Выявила недостаточную надежность в следствии заклинивания гусеницы кусками породы. Скорость 0,5 км/час.
Платформа с гусеничным движителем для проведения НИОКР по теме выбора движителя для Луноход-1 в 1965 году. Выявила недостаточную надежность в следствии заклинивания гусеницы кусками породы. Скорость 0,5 км/час.

Итак, выбор колесного движителя явно оправдан. Давайте теперь посмотрим, как во ВНИИТМ решали проблемы возникающие при разработке конкретных аппаратов. Два пробных варианта колес для Лунохода. Колесо подрессоривается с помощью упругих металлических лент.

Первый вариант
Первый вариант
Первый вариант
Второй вариант
Второй вариант
Второй вариант
Третий вариант. Здесь колесо подрессоривается с помощью пружинных рычагов
Третий вариант. Здесь колесо подрессоривается с помощью пружинных рычагов
Третий вариант. Здесь колесо подрессоривается с помощью пружинных рычагов
Еще один вариант - здесь внешняя поверхность колеса сделана из валиков, выполненных из упругой сетки. Под сеткой размещены ленточные пружины, которые работают когда при ударах сетка проминается. Обод колеса подрессоривается с помощью ленточных пружин. Красивая, но сложная конструкция.
Еще один вариант - здесь внешняя поверхность колеса сделана из валиков, выполненных из упругой сетки. Под сеткой размещены ленточные пружины, которые работают когда при ударах сетка проминается. Обод колеса подрессоривается с помощью ленточных пружин. Красивая, но сложная конструкция.
Еще один вариант - здесь внешняя поверхность колеса сделана из валиков, выполненных из упругой сетки. Под сеткой размещены ленточные пружины, которые работают когда при ударах сетка проминается. Обод колеса подрессоривается с помощью ленточных пружин. Красивая, но сложная конструкция.
В случае с Луноходом до последнего момента не исключалась возможность применения гусеничного движителя. В результате сетчатые валики приспособили к гусеницам. Получилось тоже красиво.
В случае с Луноходом до последнего момента не исключалась возможность применения гусеничного движителя. В результате сетчатые валики приспособили к гусеницам. Получилось тоже красиво.
В случае с Луноходом до последнего момента не исключалась возможность применения гусеничного движителя. В результате сетчатые валики приспособили к гусеницам. Получилось тоже красиво.

Помимо ВНИИТрансмаш созданием запущенных планетоходов занимались компания «Боинг» совместно с лабораторией военных исследований компании General Motors, выпустившая четыре лунных автомобиля для программы «Аполлон» и несколько их моделей, а так же команда Стивена Сквайреса (Корнеллский университет) — создатели марсоходов «Спирит» и «Оппортьюнити».

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.
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.

Если же рассматривать колесный движитель в целом, возникает вопрос - почему у планетоходов, в частности Лунохода, столько колес?
Во-первых, до последнего момента не исключалось использование гусениц. В случае с 8 колесами Лунохода это не потребовало бы полного пересмотра конструкции. Во-вторых, снижение нагрузки на грунт. И наконец, надежность - работоспособность при выходе из строя нескольких 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 устройства такое было бы невозможно.

Опытное 6-ти колесное шасси
Опытное 6-ти колесное шасси
Опытное 6-ти колесное шасси

Подвеску 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.
Повороты планетоходы в основном осуществляют по-танковому. За счет притормаживания колес по одному борту можно развернуть машину практически на месте.Такой подход сильно упрощает конструкцию, повышает ее надежность.

Опытное шасси 6-ти колесного лунохода для передвижения космонавтов, 1978 год. Масса аппарата 240 к. Скорость до 5,1 км/час
Опытное шасси 6-ти колесного лунохода для передвижения космонавтов, 1978 год. Масса аппарата 240 к. Скорость до 5,1 км/час
Опытное шасси 6-ти колесного лунохода для передвижения космонавтов, 1978 год. Масса аппарата 240 к. Скорость до 5,1 км/час

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).

Запущенные планетоходы
Первый планетоход, «Луноход-1», был доставлен на поверхность Луны 17 ноября 1970 года автоматической межпланетной станцией «Луна-17». Предназначался для изучения особенностей лунной поверхности, радиоактивного и рентгеновского космического излучения на Луне, химического состава и свойств грунта. Успешно проработал до 14 сентября 1971 года, после чего вышел из строя.
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).

Лунные автомобили NASA — планетоходы, использовавшиеся на Луне в рамках программы «Аполлон» для обеспечения большей подвижности экипажей экспедиций «Аполлон-15» (прилунение состоялось 30 июля 1971 года), «Аполлон-16» (прилунение состоялось 21 апреля 1972 г.) и «Аполлон-17» (прилунение состоялось 11 декабря 1972 г.) Вездеходы значительно расширили доступную для астронавтов площадь лунной поверхности. Ранее астронавты могли перемещаться на Луне лишь непосредственно вокруг места посадки из-за сковывавших их скафандров и других приборов жизнеобеспечения. Пользуясь же вездеходом, можно было развивать скорость до 13 км/ч.

Второй советский лунный дистанционно-управляемый вездеход «Луноход-2» был доставлен на поверхность Луны 16 января 1973 года автоматической межпланетной станцией «Луна-21». Аппарат был потерян в результате цепочки непредвиденных обстоятельств. В последний раз телеметрическая информация от аппарата была принята 10 мая 1973 года.

«Прибор оценки проходимости — Марс» (ПрОП-М) — название двух советских идентичных марсоходов, которые стали первыми планетоходами, достигшими поверхности Марса, однако так и не начали работу. Марсоходы были доставлены на поверхность Марса в 1971 году спускаемыми аппаратами автоматических межпланетных станций «Марс». Спускаемый аппарат «Марс-2» разбился 27 ноября 1971 при посадке. Спускаемый аппарат «Марс-3» совершил мягкую посадку 2 декабря 1971, но сигнал с самой марсианской станции, к которой был подключён по кабелю марсоход, пропал через 14,5 секунды после посадки. Информация с марсохода не была получена.
Среди других запущенных планетоходов они выделялись прежде всего своей системой передвижения: перемещаться марсоходы должны были при помощи двух шагающих «лыж», размещённых по бокам. Такая система была выбрана из-за отсутствия сведений о поверхности Марса.

«Прибор оценки проходимости — Фобос» (ПрОП-ФП) — советский планетоход, который должен был перемещаться по поверхности Фобоса прыжками. Запущен в 1988 году в составе АМС «Фобос-2», связь с которой была потеряна 27 марта 1989 года после выхода на орбиту Марса. СА ПрОП-Ф имеет шарообразную форму. После посадки и успокоения на поверхности он переводится в рабочее положение с помощью «усов» устройства ориентирования. Затем выполняются научные измерения. Информация передается по радиоканалу на Землю. Завершается цикл работы прыжком аппарата с помощью устройства отталкивания на расстояние до 20 м. После успокоения аппарат готов к повторению цикла работы.

ПрОП-ФП с устройством разгрузки для имитации на земле перемещения аппарата по поверхности Фобоса в условиях пониженной гравитации
ПрОП-ФП с устройством разгрузки для имитации на земле перемещения аппарата по поверхности Фобоса в условиях пониженной гравитации
ПрОП-ФП с устройством разгрузки для имитации на земле перемещения аппарата по поверхности Фобоса в условиях пониженной гравитации
 Вот так это яйцо должно было прыгать, но не срослось
Вот так это яйцо должно было прыгать, но не срослось
Вот так это яйцо должно было прыгать, но не срослось

Еще порядка семи машин было запущено США, Китаем, Индией. Они с разной степенью успешности исследовали поверхности Луны и Марса. На сегодняшний день несколько экспедиций с планетоходами планируются до 2025 года Россией, NASA, Европейским космическим агентством и частными компаниями. Так Audi Lunar Quattro полетит на Луну в рамках программы Google Lunar X PRIZE в первой половине 2020 года на борту двухступенчатой ракеты SpaceX Falcon 9.

Для планет с сильной гравитацией (Марс, Земля) от непрочной сетки на колесах планетоходов отказываются в пользу сплошной поверхности с грунтозацепами (оболочковое колесо). В случае с марсоходами ученые исходили из первых фотографий "Викинга" где поверхность Марса выглядела каменистой. Кроме того, на планетах, куда сейчас возможна доставка планетоходов, встречается множество камней, скальных выступов, кратеров. Если камень окажется под днищем планетохода то тот может "сесть 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 тянет за собой другие проблемы).
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).

Шасси с коническими колесами для аппаратов "Мир" (1988), "ЛАМА" (1994-1995), J-Rover (1996)
Шасси с коническими колесами для аппаратов "Мир" (1988), "ЛАМА" (1994-1995), J-Rover (1996)
Шасси с коническими колесами для аппаратов "Мир" (1988), "ЛАМА" (1994-1995), J-Rover (1996)

Интересно, что конические колеса были в свое время проданы ВНИИТМ* Мак-Дональд Дугласу, которые собирались делать планетоход. Однако, американские марсоходы разрабатывались в JPL, которые пошли своим путем. Во времена же Лунохода разработки с обоих сторон велись в обстановке секретности, так что были полностью независимыми. Каждая пара колес марсохода 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.

Технологии используемые в планетоходах востребованы и на земле. Подобные планетоходам телеуправляемые аппараты используются для выполнения опасной работы, — например, при разминировании или в условиях  радиационного фона.

Макет специализированного транспортного робота СТР-1 используемого для очистки крыши ЧАЭС от радиоактивного мусора. Масса 900 кг. Скорость движения до 1 км/час. Время работы без подзарядки батарей 8 часов.
Макет специализированного транспортного робота СТР-1 используемого для очистки крыши ЧАЭС от радиоактивного мусора. Масса 900 кг. Скорость движения до 1 км/час. Время работы без подзарядки батарей 8 часов.
Макет специализированного транспортного робота СТР-1 используемого для очистки крыши ЧАЭС от радиоактивного мусора. Масса 900 кг. Скорость движения до 1 км/час. Время работы без подзарядки батарей 8 часов.
Два робота СТР-1 были созданы в кратчайшие сроки и в августе-сентябре 1986 года и осуществляли расчистку кровли ЧАЭС от радиоактивного мусора. Роботы отработали свыше 200 часов при уровне рентгеновского излучения более 2100 Р/час, убрав в общей сложности 90 тонн радиоактивных материалов.
Два робота СТР-1 были созданы в кратчайшие сроки и в августе-сентябре 1986 года и осуществляли расчистку кровли ЧАЭС от радиоактивного мусора. Роботы отработали свыше 200 часов при уровне рентгеновского излучения более 2100 Р/час, убрав в общей сложности 90 тонн радиоактивных материалов.
Два робота СТР-1 были созданы в кратчайшие сроки и в августе-сентябре 1986 года и осуществляли расчистку кровли ЧАЭС от радиоактивного мусора. Роботы отработали свыше 200 часов при уровне рентгеновского излучения более 2100 Р/час, убрав в общей сложности 90 тонн радиоактивных материалов.

Для текста использованы материалы экспозиции, Вики и статьи Колесные планетоходы.

Понравилось? Тащите ссылку к себе и подписывайтесь на мой канал в Дзен

* В декабре 1993 года НПО имени Лавочкина продало «Луноход-2», находящийся на Луне, вместе с АМС «Луна-21» на аукционе Сотбис в Нью-Йорке за 68 500 долларов США сыну астронавта предпринимателю Ричарду Гэрриоту. Может быть за ним американцы вновь на Луну собрались?