вернёмся в библиотеку?

«Земля и Вселенная» 1993 №6




Космонавтика


«Марсоход»
и его испытания
в пустыне Мохаве



В. В. ГРОМОВ
ВНИИТрансмаш
Санкт-Петербург


МАРСОХОДЫ: ВРЕМЯ ПРИШЛО?

В настоящее время космические исследования и работы в космосе стали довольно привычным делом, понемногу утихли страсти «космической гонки», новая отрасль прочно вошла в жизнь людей. И все же интерес к новым перспективам освоения космоса не пропадает. Не только специалисты обсуждают вопрос: как будет в дальнейшем развиваться изучение дальнего космоса, Луны, планет?..

По-видимому, освоение и обживание новых миров начнется уже в следующем XXI в. Но эти перспективы во многом зависят от уже накопленного опыта и его осмысливания.

В планах космических исследований многих стран, и в особенности России, большое внимание уделяется изучению ближайшего родственника нашей Земли, планеты Марс. Детальное изучение его поверхности будет одной из основных в ближайшем времени. Эта задача включает в себя исследование геологического строения Марса, включая отбор проб пород различного происхождения и возраста, изучение химического и минералогического состава и физико-механических свойств грунта, поиск следов современной или древней жизни. Целесообразней всего для этой цели, по-видимому, использовать аппараты, передвигающиеся по поверхности Марса — марсоходы. С их помощью можно выполнять целенаправленные научные исследования различных форм поверхности Марса, таких как разломы, каньоны, кратеры, лавовые потоки и т. д., т. е. такие работы, которые невозможно проводить никаким другим способом.

МАРСОХОД-96: ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ

Весьма вероятно, что первый марсоход начнет работу на поверхности Красной планеты в 1997 г. Разрабатываемый в настоящее время в ИКИ проект «Марс-94/96» предусматривает доставку на Марс аэростатного зонда и небольшого самодвижущегося аппарата. Они будут десантированы с орбитального аппарата и одновременно начнут свою работу практически в одном и том же месте. Аэростат будет дрейфовать в атмосфере Марса и под действием ветров должен пролететь на небольшой высоте тысячи километров. В это время предполагается вести с его борта детальную фотосъемку марсианской поверхности и непосредственное изучение свойств грунта во время снижения аппарата к поверхности. Однако эта последняя возможность будет весьма затруднена, так как аэростат будет опускаться только в ночное время, когда взять образцы грунта и провести их анализ весьма затруднительно. Помимо всего прочего время работы аэростата ограничено и, видимо, не превысит 10— 15 дней.


Схема устройства марсохода, разработанного НИИТРАНСМАШ и ИКИ РАН для российского проекте «Марс-94/96»


Схема передвижения аппарата в колесно-шагающем режиме (сверху вниз): исходное положение, вынос передних колес, перенос средних колес, подтягивание задних колес

Поэтому основная нагрузка по изучению поверхности Марса ляжет на марсоход и его «команду». Научные задачи этой части проекта выглядят так:

— целенаправленный выбор участков местности для отбора образцов грунта и их детального изучения;

— изучение различных геологических образований на Марсе (кратеры, каньоны, уступы и т. д.);

— исследование элементного и минералогического состава грунта, поиск органических веществ и воды в толще грунта;

— изучение глубинного строения поверхностного слоя (до глубины в сотни метров) методами электроразведки;

— изучение магнитного поля на поверхности, магнитных и электрических свойств грунта;

— проведение метеоизмерений в приповерхностном слое атмосферы.

ДВИЖЕНИЕ МАРСОХОДА

Первая особенность новой машины, сразу же привлекающая внимание, — это необычная форма колес. Они сделаны широкопрофильными и представляют собой сочетание цилиндрической и конусной частей. Колеса установлены попарно на трех осях и каждое из них приводится в движение собственным двигателем. Передняя и задняя оси соединены со средней продольными рычагами — балансирами. При этом балансиры могут поворачиваться вокруг средней оси, что обеспечивает большой ход колес относительно друг друга. Крайние оси вместе с колесами могут поворачиваться относительно средних. Все эти особенности придают конструкции совершенно новые качества при передвижении и по сложному рельефу, и по рыхлому грунту. Каковы же они?

Во-первых, значительно увеличивается опорная поверхность при движении по рыхлому грунту. При этом практически исчезают понятия клиренса, а вероятность того, что машина «сядет» на днище, резко уменьшается.

Во-вторых, большой взаимный ход колес позволяет преодолевать значительные препятствия: высота преодолеваемого уступа примерно равна расстоянию между колесами. Для обычного колесного движителя высота преодолеваемого уступа равна радиусу колес. В рассматриваемой схеме марсохода эта величина почти в три раза больше.

Для ученых особый интерес представляют крутые осыпи и уклоны из сыпучего грунта как естественные разрезы грунта на большую глубину.

Чтобы обеспечить движение марсохода в таких условиях, используется колесно-шагающий режим передвижения, при котором крайние оси колес могут перемещаться относительно других колес. Цикл передвижения состоит из нескольких фаз. Вначале приводятся во вращение передние колеса, и с помощью привода производится их выталкивание вперед. Остальные колеса пока не вращаются, создавая хороший упор. После выноса передних колес они еще некоторое время вращаются на месте, зарываясь немного в грунт. Затем приводятся во вращение средние колеса и включаются оба привода перемещения передних и задних колес. Передний привод подтягивает, а задний подталкивает среднюю ось. Крайние колеса при этом не вращаются. Заключительная фаза цикла шагания состоит в том, что подтягивается задняя ось машины при вращении колес. Для лучшего упора после перемещения колеса также зарываются дополнительно в грунт. На этом цикл заканчивается, и далее

Обнаружение препятствий на трассе движения марсохода по положению его ходовой части: обрыв, стенка (уступ), отдельный камень
все фазы последовательно повторяются. Возможны и более сложные циклы, которые называют походками. В описываемой здесь конструкции марсохода их насчитывается более десятка (для спуска с крутого склона, преодолевания уступов на уклоне, больших камней).

Несколько слов о технических деталях. Электрическая и тепловая энергия для работы марсохода будет вырабатываться радиоизотопным термоэлектрическим генератором мощностью 10-25 Вт. Тепловой режим узлов и агрегатов обеспечивается подводом тепла с помощью тепловых труб (температура атмосферы на Марсе понижается в ночное время до -110°С). Радиосвязь с наземным командным центром будет поддерживаться через орбитальный космический аппарат, а также, возможно, и напрямую. Скорость движения марсохода составит, видимо, 300 м/ч.

Основной проблемой при работе аппарата станет процесс управления движением. Дело в том, что время прохождения радиосигналов с Земли до Марса может составлять десятки минут и при прямом дистанционном управлении скорость передвижения будет малой: основное время займет передача команд и прием информации с марсохода.

Поэтому аппарат должен обладать системой обнаружения препятствий, встречающихся по ходу движения, их автоматического объезда и продолжения движения по заданному маршруту с учетом выполненных маневров. И такая система была создана. Она помогает аппарату обнаруживать препятствия и преодолевать


Исполнительный директор Планетного общества Л. Фридман, главный организатор испытаний макета марсохода в пустыне Мохаве
или объезжать их. Одним из способов обнаружения препятствий лишь с помощью ходовой части может служить измерение взаимного положения ее элементов при встрече с непреодолимыми препятствиями. Например, при достижении крутого обрыва происходит опускание передних крайних колес, и по их расположению относительно других автоматика своевременно выдает сигнал остановки. При встрече с большим выступающим препятствием, например, камнем, колесо одного борта поднимается, но, если оно достигнет предельно допустимого положения, марсоход остановится, отъедет назад, развернется в сторону от препятствия, объедет его, а затем продолжит движение в заданном направлении. Если размер обнаруженного препятствия значительно больше, чем сам аппарат, его объезд может занять несколько циклов маневрирования. Поскольку ситуации при движении марсохода могут быть самыми разнообразными, во время движения непрерывно измеряется пространственное положение колес, крен и дифферент аппарата, режимы работы электродвигателей. При достижении порогового значения любого из этих параметров или их комбинации производится автоматическая остановка.

ИСПЫТАНИЯ

Испытания аппаратов такого класса проводятся на специально подобранных участках земной поверхности — аналогах марсианской.

Для выбора полигонов для испытаний пришлось тщательно проанализировать характер ландшафтов и свойства грунтов на поверхности Марса. Одной из характерных черт рельефа, выявленных по снимкам с борта посадочных отсеков аппаратов «Викинг» может считаться очень высокая насыщенность камнями. Среди других особенностей — крутые склоны из песчаного материала с крутизной склонов 30— 35°, большое число кратеров, а также элементов рельефа, связанных с эрозией поверхности под воздействием водных и ветровых потоков, периодическим оттаиванием грунта. Возможно, на поверхности также имеются выходы коренных пород. Все это в совокупности представляет достаточно сложную среду с точки зрения передвижения.

Длительные исследования показали, что аналогов марсианской поверхности на Земле достаточно много. Среди них можно перечислить местности в районах свежей вулканической деятельности (например, на Камчатке), пустынные районы Средней Азии, Калифорнии, Антарктиды. Здесь можно подобрать участки с широким диапазоном физико-механических свойств грунта в сочетании с различными видами препятствий (россыпи и скопления камней, крутые уклоны, уступы, трещины и т. д.). Необходимое условие для испытаний макетов марсохода, почти полное отсутствие растительности и слоя почвы, в этих районах тоже соблюдается.

Испытания макета ходовой части марсохода, предложенного для проекта «Марс-96» институтом ВНИИТРАНСМАШ, ведутся уже несколько лет. Он был опробован, в частности, на Камчатке, в чрезвычайно каменистой местности, и показал весьма впечатляющие результаты.


Место испытаний марсохода было выбрано чрезвычайно удачно. Сравните панораму, сделанную панорамной камерой аппарата на Марсианском холме (снимок из журнала «The Planetary Report», 1992, XII, № 6) и снимок, полученный с посадочной ступени КА «Викинг-1» (внизу)
МАРСОХОД В КАЛИФОРНИИ

Один из этапов испытаний ходового макета марсохода проходил на различных участках местности пустыни Мохаве в штате Калифорния с 17 по 28 мая 1992 г. Испытания были организованы Планетным обществом США (Земля и Вселенная, 1986, № 4, с. 86; 1988, № 6, с. 43). В них принимали участие ученые и инженеры из России, США, Венгрии, Франции, причем при подготовке испытаний удалось объединить технические разработки и опыт, накопленный в различных странах, каждая из которых сделала свой вклад в создание наземного бортового комплекса. В частности, специалистами Венгрии был поставлен бортовой компьютер, французскими — камеры (панорамная и стерео). Таким образом были созданы необходимые условия для проведения ходовых испытаний марсохода по проекту «Марс-96» в полевых условиях.

Для испытаний были выбраны два участка: дюны Дюмонта и Марсианский холм в Долине Смерти (в центре пустыни Мохаве). Песчаные дюны, достигающие крутизны 25° в нижней части и 30° в верхней, хорошо имитируют ландшафты некоторых местностей Марса, и на них отрабатывались способы преодоления таких склонов. Марсианский холм, чье название говорит само за себя, удивляет чрезвычайным сходством с панорамами «Викингов», и здесь изучались возможности и способы движения по каменистой местности.

Ходовой макет марсохода показал высокую проходимость на обоих участках местности, хотя условия движения были выбраны более сложными, чем на марсианской поверхности в местах посадки «Викингов».

В процессе испытаний на макете марсохода по существу впервые были реализованы основные компоненты технических систем, необходимых для работы на поверхности Марса. К их числу следует отнести:

— самоходное шасси;

— бортовой вычислительный комплекс;

— телевизионные системы;

— радиотелеметрическая система;

— радиокомандная система;

— система бортового электропитания;

— компьютеризированный пункт управления.


Момент испытаний аппарата на песчаных дюнах

Наличие такого комплекса позволяет проводить разнообразные виды испытаний, и именно создание и освоение такого комплекса можно считать одним из главных итогов в подготовке и проведении испытаний в пустыне Мохаве. Были отработаны методы организации работ по управлению аппаратом, алгоритмы передачи и обработки информации и формирования команд управления. Хотя в работе принимали участие специалисты по отдельным проблемам, каждый из них трудился для решения общей задачи: создать марсоход, причем каждый из них видит свой вклад уже в виде конечного результата, более глубоко понимает смысл решаемой задачи, более полно осознает как общую цель, так и «смежные» проблемы. Результатом такой ситуации часто становятся новые идеи, подходы, критически оцениваются ранее выполненные работы. Это очень важный стимул для дальнейшего прогресса.

Такие моменты имели место и при проведении испытаний в пустыне Мохаве. Например, требования к расположению телекамер, углам их обзора, способам поворота, представлению информации на мониторах были достаточно быстро определены совместными усилиями, использовали в дальнейших испытаниях и, по всей видимости, будут воплощены в реальном марсоходе.

Организаторы испытаний привлекли к этим работам внимание широкой научной общественности, специалистов из научных и промышленных организаций, ветеранов и энтузиастов космонавтики, любителей техники, просто любознательных людей и даже детей.

В целом испытания макета марсохода по проекту «Марс-96», позволившие сформировать квалифицированную команду специалистов оказались успешными и, думается, станут важным этапом в экспериментальной отработке аппарата. Но все же их следует рассматривать лишь как один из этапов подготовки к реализации обширной научной программы, носящей название «Марс-94/96».