太空奇趣

Space Exploration - - CONTENTS - 文/ 迟惑

像袋鼠一样蹦跳的月球探测器

说起月球车,人们第一个想到的就是装着4个轮子或者6个轮子,顶着一根光电桅杆,在月球表面慢慢爬行的无人车。如果看到一个方盒子在月球上一蹦一蹦的,很多人或许会说“这是什么鬼?!”

来自阿波罗和袋鼠的创意

其实,在月球上蹦跳是个脑洞与实践相结合的创意。早在1967 年,美国科学家凯普兰和瑟菲特就设想了一种 奇异的月球探测器“月球跳跃者”(Lunar Leaper)。它是两个球体,一个球体是驾驶舱,一个是设备舱。两球之间夹着一根长长的杆子,靠球体和杆子之间的相对运动来蹦跳着前进。当时,这个想法完全没有进入人们的视野,因为阿波罗工程正在紧锣密鼓地进行着。而当1969年人类第一次踏上月球,航天员们自己发明了月球徒步法——像袋鼠一样蹦着走。之所以殊途同归,是因为月球上的重力只有地球的六分之一,而且几乎没有大气可言。蹦跳着前进既省力 又方便。

多数人看到航天员们在月球上蹦跳,只是新奇一下就放过了,但澳大利亚科学家们却产生了新的想法。就算他们想不到,全澳有3600万只袋鼠肆无忌惮地蹦跳在市郊、乡村,还经常蹦跳着穿过高速公路,时刻提醒他们:用蹦的行不行?

于是,澳大利亚昆士兰州理工大学的科学家们设想了一种叫做Lunaroo的探月机器人,它的工作原理很容易理解,就是用一根弹簧推动着

探测器、带着相机,在月球上蹦跳。Lunaroo这个词汇也和袋鼠的英语kangaroo的构词法近似,我们可以把它叫做“月球袋鼠”。然而还要强调的一点是,kangaroo 在澳大利亚土著人的语言中是“我不知道”的意思,那么Lunaroo会知道些什么呢?

为什么要蹦

轮式月球车已经有很长的历史。无论是在早期的无人任务中,还是在阿波罗探月期间,抑或是90年代以来的新一轮探月热潮中,轮式月球车都是主力探测器。中国也部署了“玉兔”月球车,在很长时间里都是网红。那么,探测器为什么要蹦跳?

首先是站得高就能看得远。由于火箭运力的限制,能送上月球的月球车体积都不会太大,因此光电桅杆的高度也是有限的。这就限制了轮式月球车的视野。如果能把相机送上更高的高度,就可以观测到更加广阔的范围。这样的拍摄往往是环月探测器的视野和视角所无法替代的。根据计算,在月球上,从1米高度观察,可以看到1.8 千米远。 而从 20米高度观察,可以看到8.2 千米远。

其次是越障能力强。一般来说,轮式车很难越过比自己轮子更高的垂直障碍物。对于电机功率有限的轮式月球车来说就更是如此,因此无人的轮式月球车需要植入避障算法,遇到大一点的岩石就要绕着走。而对于蹦跳机器人来说,只要弹跳能力够强,跳过比自己高几倍的障碍物不是什么问题。况且月球上重力比较小,跳高成绩会比地球上好很多。

按照设想,“月球袋鼠”并不是单独执行任务的,它要和固定式探测器、轮式月球车相配合,一起从地球发射,然后一起降落在预定地点。“月球袋鼠”的体积和功率限制了它的通信能力,因此它拍摄的图像要通过固定式月球探测 器中转才能发挥地球。当然,“月球袋鼠”也可以为轮式月球车起到很大作用。我们在前面说到,轮式月球车遇到大一点的障碍物就必须绕着走。但是障碍物后面有什么?是不是有悬崖、陡坡或者其他的危险地形?有没有环月探测器没能拍清楚的障碍物?“月球袋鼠”可以先蹦上半空,为这些问题提供给解答,也为轮式月球车规划路线提供参考,扩大后者的活动范围。当轮式月球车越走越远,“月球袋鼠”也可以一跃而起,在固定式探测器、轮式月球车之间中转信息。

一条腿的“月球袋鼠”

袋鼠是四条腿的动物,前腿弱、后腿强,还有一条强壮的尾巴来作为平

衡。但是人类目前还没有制造出能够完全模仿袋鼠运动的机器人,而且对于“月球袋鼠”的发起者来说,也没有那么多经费去搞这样复杂、这样大的机器人,于是他们提出的“月球袋鼠”只有1U立方星大小,适合于搭载发射。

这个方块形“月球袋鼠”的质量只有 1.3千克,但是可以在月球上达到20米的蹦跳高度!它的有效载荷是装在顶部的两台相机。而用来蹦跳的腿,就只能在这个10厘米见方的小块里占据很小的空间。所以,昆士兰理工大学的发明家们只给它设计了一条腿。严格来说,这条腿是一个伸缩机构,下面有一个方型的抓地板。伸缩机构以弹簧为动力,释放弹簧,“月球袋鼠”就跳跃起来。作为一个创新型号,如果“月球袋鼠”能够得到飞往月球的机会,只要蹦跳一次就算任务成功。不过团队还是希望能够做到更多。按照设计,发射时弹簧是压缩起来的,这样至少可以保证第一次释放的成功。当第一次蹦跳结束后,将由一台大扭矩电机带动一个丝杠机构,再次压缩弹簧,为下一次蹦跳做准备。

这样的机构,能放进一个立方星吗?月球表面的重力加速度是1.622 米每二次方秒,按照1.33 千克的质量计 算,如果要让它跳跃到20米高度,初速度需要达到8米每秒。那么就需要在弹簧力储存43焦耳的能量,根据所选择的弹簧,需要用1702牛顿的力量压缩。考虑到丝杠系统的作用,这个数字还是可以达到的。

为了满足强度需求,“月球袋鼠”的整个结构是用钛合金制造的,只有少部分高强度零件采用了不锈钢。

电机自然需要用电,月球上没有大气层,强烈的阳光可以直接照射在表面上。这为探测器采用太阳能发电创造了良好的条件。阳光照射到月球上的能量强度大约是1000瓦每平方米,假设太阳电池的转换效率是20%。那么,如果仅仅在“月球袋鼠”的上表面贴太阳电池,1平方分米的面积可以实现两瓦的输出,24小时可以发电172.8千焦,给马达供电来压紧弹簧是足够的。况且,这样的试验项目,一天能蹦一次就算频率很高了。

落地要站稳

其实对于“月球袋鼠”来说,跳起来不是什么大问题,怎么落地才是麻烦。首先,本体在半空中要保持平衡,如果歪着或者倒着落地,就会摔坏设备, 也无法进行下一次蹦跳了。

因此,团队考虑在“月球袋鼠”内部设置一些机构,用来控制空中飞行的姿态,让它以平稳的方式降落在月面上。考虑到陀螺、反作用飞轮和动量轮用于卫星姿态控制已经是很成熟的技术,“月球袋鼠”在空中保持平衡不会是很困难的任务。

落点的地形也会影响落地姿态,落在平坦的月面上当然皆大欢喜,如果有块石头怎么办?地面松软、不平整怎么办?团队考虑,可以先实施一次原地蹦跳,拍摄照片。从照片中选择一个合适的落点位置,再上紧弹簧,向那里蹦去。有关的避障算法倒是现成的,从无人水下潜航器那里就可以借用。

团队还考虑到了极端的情况—— “月球袋鼠”终于摔倒了。如果没有人类干预,它自己不可能站起来。这时候,它还是可以运动的,用唯一的那一条腿横着蹬踏月面,在月球上爬行!

拍照要清晰

说到这里,我们已经可以发现,“月球袋鼠”实际上是一个低成本的小项目,研制单位没有太多经费可以投入。实际上,团队仅仅是向大学申请了一笔钱。

虽然昆士兰州理工大学的校长对此很支持,学校在机器人领域也很有建树,但毕竟不可能采取国家航天局那种财大气粗的玩法。所以,团队尽一切可能采用成熟的商业现货,最好是消费级的产品。

至于图像拼合算法,那更是非常成熟,卫星遥感界早就解决了各种关键技术和算法,直接拿来就可以了。火星车上的一些避障算法,也可以用在“月球袋鼠”上。根据这些算法可以得到一张网格状地图,轮式月球车可以行驶的区域用蓝色标注,不能去的地方标注成红色。

“月球袋鼠”的拍摄工作,都是在运动中完成的。根据运动方程可以知道,在刚刚起跳和刚刚着陆的时候,运动速度是最快的。这就给拍摄和图像处理算法带来了一定难度——谁都知道,相机一晃就拍模糊了。不过他们还真的从消费市场找到了这种解决方案。团队根据月球的重力加速度测算出了不同蹦跳高度下的运动方程,发现市售的运动相机完全可以满足拍摄需求,于是就找 来这么一个设备装进了样机里。

蹦跳着照相也带来了另一个问题。“月球袋鼠”只有10厘米高,相机到月面的高度也就是几个厘米。虽然月球上没有大气,不会持续扬尘,但是起跳和落地时激起的灰尘还是有可能污染镜头。如果设计一个镜头清洁机构,就超过了重量限制。所以,团队设计了一个镜头盖,与弹簧联动。释放弹簧起跳的同时,盖子打开,当落到地面时再盖上。只要机械加工精度有保证,这样的机构可靠性是有保证的。

试验目标

团队给“月球袋鼠”定下了一些主要目标和附加目标。主要目标有以下几个内容。

第一阶段:安全部署到月球表面,头上脚下地站立在主探测器上,准备第一次蹦跳;能够与地球上的团队建立起通信联系。

第二阶段,在月球上成功地蹦跳, 首先释放压缩的弹簧,跳到3米以上的高度,倾角不超过20度;落地时,整个“月球袋鼠”的结构和设备能经受住冲击。能把蹦跳期间获得的数据和图像发回任务控制中心。

第三阶段是验证地形建模能力,需要相机能够在蹦跳期间,每秒至少拍摄和存储3张照片;能把蹦跳期间拍摄的所有照片拼合成一张大图;运动拍摄模式下,可以用拍摄到的影像形成立体地形图,这对任务控制和其他研究是有用的;利用拼合大图和立体地形图形成一张用于月面旅行的“危险物地图”;把“危险物地图”传回轮式月球车。

如果上述主要目标得以实现,团队还设置了后续任务目标。例如从半空中观察轮式月球车,跃起之后能拍到并回传至少一张轮式月球车的照片;特别是能拍摄到轮式月球车行驶期间的连续照片,具体要求是连续5秒、每秒5帧,然后传回任务控制中心。这样的图像可以用来分析轮式月球车车轮与月壤之间的相互作用。

最后一项任务是连续蹦跳,看一看用太阳电池提供的电力,“月球袋鼠”最多能蹦到多高。

澳大利亚虽然是个人口小国,但大学的科研水平都不错。昆士兰理工大学的机器人专业在全世界都排得上号。据团队自己介绍,昆士兰理工大学可以在全球排进前50名。研制工作还得到了澳大利亚机器人可视化中心的帮助,提供了有关的计算机图像技术。团队根据这项技术,用一个小型无人机直升机加上立体相机、低成本惯性敏感器、低功耗处理器等设备制作了样机。

如果“月球袋鼠”成功,昆士兰理工大学的团队当然打算进一步研制更大、更复杂的型号。他们没有说明,自己是不是打算把“月球跳跃者”的理想变成现实。但是,有什么不可以呢?★

图像拼合算法

“月球袋鼠”在月球表面蹦跳的艺术想像图

蹦跳机构试验

“月球袋鼠”结构图

蹦跳机构样机

三维导航地图

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