Инженерный анализ и эволюция тяговых приводов планетоходов: Принципы проектирования, динамика и сравнительные характеристики

В условиях пониженной гравитации, характерных для Луны или Марса, показатели сцепления колеса со слабосвязанным грунтом ухудшаются, что в экспериментальных моделях планетоходов может приводить к экстремально высоким значениям буксования, вплоть до 90%. Этот фактор является краеугольным камнем при проектировании движителя и трансмиссии, требуя глубокой оптимизации параметров грунтозацепов и сложного управления распределением мощности.

Введение: Цели, задачи и критерии проектирования приводов в космической робототехнике

Разработка мобильных космических аппаратов — планетоходов — представляет собой одну из наиболее сложных инженерных задач, требующих синтеза робототехники, прикладной механики и электротехники. Успешное выполнение миссии напрямую зависит от надежности и эффективности системы движения, которая должна функционировать в экстремальных условиях: глубокий вакуум (для луноходов), низкие температуры, высокий уровень радиации и наличие абразивной пыли (реголит или марсианский грунт). И что из этого следует? Именно поэтому каждый компонент, от двигателя до грунтозацепа, должен быть спроектирован с учетом многократного запаса прочности и энергоэффективности.

Целью настоящего реферата является деконструкция и детальный инженерный анализ основных составляющих системы движения планетоходов: движителя, трансмиссии и тягового электропривода (ТЭП).

Ключевые термины:

• Движитель: Механизм, непосредственно взаимодействующий с грунтом (колеса, гусеницы, шагающие опоры) для создания движущей силы.
• Трансмиссия: Совокупность механизмов, предназначенных для передачи крутящего момента от двигателя к движителю (включает редукторы, дифференциалы, валы).
• Тяговый электропривод (ТЭП): Система, включающая электродвигатель, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую работу, обеспечивающую движение планетохода.

Ключевая задача — понять, как инженерные школы (советская и американская) решали проблему надежного движения на основе конкретных примеров, начиная с «Лунохода-1» и заканчивая современными марсоходами Perseverance.

Основы проектирования движителей: Факторы выбора и конструктивные решения

Выбор типа движителя является первоочередной задачей, определяемой необходимой проходимостью, массой аппарата, типом грунта (механические свойства, сцепление) и, что критически важно, особенностями движения в условиях пониженной гравитации. Для космических миссий используются три основных типа: колесный, шагающий и комбинированный (колесно-шагающий). Необходимо глубоко проанализировать, как именно гравитационные условия Марса или Луны влияют на геометрические параметры колеса и конструкцию грунтозацепов.

Специфика колесно-шагающего движителя (КШД) и его проходимость

В отечественной школе конструирования планетоходов, основоположником которой является А.Л. Кемурджиан, было разработано и успешно реализовано концептуальное решение — колесно-шагающий движитель (КШД). Эта концепция предполагает возможность переключения между экономичным колесным режимом и режимом шагания (или квази-шагания) для преодоления особо сложных препятствий или рыхлых, слабонесущих грунтов.

«Луноход-1» (1970 г.) — первый в истории планетоход, успешно управляемый на поверхности другого небесного тела, использовал 8-колесное шасси и систему КШД. Его инженерные показатели проходимости остаются впечатляющими до сих пор.

Характеристика	Расчетные данные (Проект)	Фактические данные («Луноход-1»)
Преодолеваемый подъем	До 20°	До 27°
Преодолеваемая высота препятствия	Не указано	35–40 см
Количество мотор-колес	8	8

Такая высокая проходимость, особенно способность преодолевать 27-градусные склоны и препятствия высотой до 40 см, была достигнута благодаря грамотному управлению крутящим моментом и особой конструкции колеса с развитыми грунтозацепами. КШД показал не только высокую проходимость, но и ремонтопригодность: поломка одного или даже нескольких колес не приводила к полному прекращению миссии.

Влияние пониженной гравитации на тяговое сцепление

Критическим фактором для всех колесных движителей, работающих на Марсе (гравитация ≈ 0,38 g) или Луне (гравитация ≈ 0,16 g), является снижение нормальной нагрузки на колесо, что напрямую уменьшает силу сцепления с грунтом. Что находится «между строк»? Уменьшение нормальной нагрузки требует радикального пересмотра традиционных земных формул расчета тяги, поскольку фактор сцепления становится доминирующим.

Сила тяги, которую может развить колесо, тесно связана с силой сцепления F_сц, которая, в свою очередь, зависит от нормальной реакции грунта N и коэффициента сцепления f:

Fsc ≤ f ⋅ N

Поскольку нормальная реакция N пропорциональна массе планетохода и ускорению свободного падения g, в условиях пониженной гравитации N значительно снижается. Если на Земле для преодоления рыхлого грунта достаточно управлять пробуксовкой на уровне 5–10%, то в космических условиях (например, на лунном реголите) этот показатель может вырастать до критических 90% буксования, что означает практически полное отсутствие поступательного движения при вращении колес.

Для компенсации этого эффекта инженеры применяют:

1. Увеличение пятна контакта: Более широкие или деформируемые колеса.
2. Оптимизация грунтозацепов: Грунтозацепы должны не только обеспечивать сцепление, но и уплотнять грунт под колесом, увеличивая несущую способность.
3. Автоматизированное управление мощностью: Системы управления приводом должны постоянно регулировать крутящий момент, чтобы минимизировать буксование, оптимизируя распределение мощности между отдельными колесами.

Тяговый электропривод (ТЭП): Требования, типы и системная эффективность

Тяговый электропривод — сердце системы движения. К нему предъявляются исключительные требования, поскольку он должен работать в крайне агрессивной среде, сохраняя при этом высокий коэффициент полезного действия (КПД) при ограниченном запасе энергии от тяговых аккумуляторных батарей (ТАБ) или РИТЭГ. Разве не является энергоэффективность наивысшим приоритетом в условиях ограниченного бортового запаса энергии?

Общие требования к ТЭП планетоходов:

1. Надежность и ресурс: Работа без обслуживания в течение многих лет (минимум 1–3 года).
2. Высокий КПД: Максимальная эффективность преобразования энергии для экономии заряда.
3. Высокий крутящий момент: Необходим для преодоления препятствий и движения по слабым грунтам.
4. Компактность и минимальная масса: Каждый грамм массы, отправленный в космос, чрезвычайно дорог.

Сравнительный анализ: Коллекторные ДПТ против Вентильных (EC/BLDC) двигателей

Эволюция приводов демонстрирует переход от традиционных коллекторных машин к более современным бесколлекторным системам, что обусловлено фундаментальными проблемами эксплуатации в космической среде.

Характеристика	Коллекторный ДПТ (КДПТ)	Вентильный ДПТ (EC/BLDC)
Пример использования	«Луноход-1»	Curiosity, Perseverance (Maxon)
Наличие щеток	Присутствуют	Отсутствуют
Основной недостаток в космосе	Износ щеток и коллектора, образование токопроводящей пыли, отказ в вакууме	Более сложная электроника управления
Ресурс и надежность	Ограниченный ресурс	Значительно более длительный ресурс
КПД	Хороший, но ниже EC-двигателей	Очень высокий (благодаря отсутствию потерь на коллекторе)

Основное преимущество вентильных двигателей (Electronically Commutated — EC), используемых, например, в марсоходах NASA, заключается в отсутствии механических щеток. В условиях вакуума и в присутствии абразивной пыли (марсианской или лунной) щетки являются главным источником износа и отказа. Устранение этого узла повышает надежность на порядки и обеспечивает необходимый длительный срок службы. Вентильный двигатель, по сути, является бесконтактным аналогом коллекторного ДПТ, что обеспечивает надежное возбуждение и простоту регулирования.

Требования к КПД и удельной мощности ТЭП

Энергоэффективность системы привода является критическим параметром, напрямую связанным с продолжительностью миссии. Требования к КПД отдельных ступеней трансмиссии (включая редукторы) должны быть максимально высокими.

По данным технических отчетов, типовые требования к КПД одноступенчатых передач в космических приводах достигают 96–98%. Если система состоит из нескольких последовательных ступеней, общий КПД η_общ рассчитывается как произведение КПД отдельных звеньев η_i:

ηобщ = η1 ⋅ η2 ⋅ ... ⋅ ηn

Поскольку планетоход может иметь до четырех ступеней редукции (например, две ступени редуктора, привод колеса и поворотный механизм), даже небольшое снижение КПД на одной ступени может привести к значительным общим потерям энергии. Именно поэтому выбор в пользу высокоэффективных планетарных редукторов и бесколлекторных двигателей является системным решением.

Трансмиссия: Конструктивные особенности планетарных редукторов

Трансмиссия — это связующее звено между высокоскоростным, но низкомоментным электродвигателем и движителем, требующим высокого крутящего момента и низких оборотов.

Устройство и принцип работы планетарного редуктора

Для космических приложений трансмиссия должна быть максимально компактной, легкой и способной выдерживать высокие нагрузки. Этим требованиям идеально соответствуют планетарные редукторы.

Планетарный редуктор получил свое название из-за схожести движения его компонентов с движением планет Солнечной системы. Он состоит из следующих основных компонентов:

1. Солнечная шестерня (Sun Gear): Центральная шестерня, на которую подается входная мощность от двигателя.
2. Сателлиты (Planet Gears): Несколько планетарных шестерен, которые вращаются вокруг солнечной шестерни и одновременно вращаются вокруг своих осей. Они закреплены на водиле.
3. Водило (Carrier): Элемент, который удерживает сателлиты и служит выходным валом редуктора (или наоборот, в зависимости от схемы).
4. Коронная (кольцевая) шестерня (Ring Gear): Внешняя шестерня с внутренней нарезкой зубьев, которая охватывает сателлиты.

Планетарные редукторы ценятся за:

• Высокую плотность крутящего момента: Способность передавать большую мощность при малом объеме, так как нагрузка распределяется на несколько зубчатых зацеплений (сателлитов).
• Коаксиальность: Входной и выходной валы расположены на одной оси, что упрощает компоновку в мотор-колесе.
• Высокое передаточное число: Двухступенчатые редукторы легко обеспечивают передаточное число i в диапазоне от 9 до 100, необходимое для согласования скорости двигателя (тысячи оборотов в минуту) со скоростью колеса (единицы оборотов в минуту).

Вопросы герметизации и защиты от космической среды

Эксплуатация трансмиссии в условиях Марса или Луны связана с риском попадания абразивной пыли. Частицы реголита или марсианского грунта чрезвычайно остры и могут быстро вывести из строя высокоточные зубчатые зацепления и подшипники.

Для обеспечения надежности, трансмиссии планетоходов (например, в приводах Perseverance) проектируются в герметичном корпусе. Герметизация решает две основные задачи:

1. Защита от загрязнения: Предотвращение попадания пыли внутрь редуктора, что критически важно для сохранения ресурса.
2. Смазка: Позволяет использовать жидкую или пластичную смазку, которая обеспечивает минимальный коэффициент трения и теплоотвод. Без герметизации смазка в вакууме испарилась бы.

Использование герметичных планетарных редукторов, разработанных с учетом экстремальных температурных циклов, значительно повышает долговечность системы, снижая потребность в обслуживании.

Инженерно-математический аппарат тяговой динамики

Для проектирования надежной системы привода недостаточно выбрать компоненты; необходимо провести точный расчет динамики движения, устойчивости и энергетических потребностей. Эта область традиционно была сильна в советской инженерной школе, что нашло отражение в фундаментальных трудах по динамике планетоходов.

Методики расчета динамических характеристик (Советская школа)

Математическая модель системы «планетоход — неровный рельеф» является сложной нелинейной системой. Она должна учитывать не только внутренние характеристики тягового привода, но и внешние условия нагружения колеса, включая деформацию грунта и сложную геометрию ходовой части. Что из этого следует? Только многомерная нелинейная модель способна дать адекватное представление о поведении аппарата, особенно при критических углах крена и пробуксовке.

При построении таких моделей для оценки устойчивости движения и определения траектории часто используются уравнения аналитической динамики. В частности, для учета сложных нелинейных геометрических связей в ходовой части и манипуляторах, применялись уравнения в форме М.Ф. Шульгина.

Уравнения Шульгина позволяют эффективно работать с системами, имеющими сложные, нелинейные, нестационарные связи, что типично для движения колесно-шагающих аппаратов по неровному рельефу. Используя эти методы, инженеры могли получить расчетно-теоретические оценки устойчивости движения и определить оптимальные алгоритмы управления приводом для минимизации опрокидывания или застревания.

Математическая модель тягового электропривода

Расчет энергетических характеристик основывается на том, что стабилизация заданной скорости продольного движения центра масс планетохода обеспечивается моментом, создаваемым двигателем, который компенсирует силу сопротивления движению.

Для двигателей постоянного тока (ДПТ) — будь то коллекторные в «Луноходе» или вентильные в современных аппаратах — базовая математическая модель работы основывается на законах электромагнетизма.

Уравнение электрического равновесия якоря двигателя постоянного тока (без учета индуктивности):

U = Eа + Iа ⋅ Rа

Где:

• U — приложенное напряжение (от источника питания).
• E_а — противо-ЭДС (ЭДС, индуцируемая при вращении якоря).
• I_а — ток якоря.
• R_а — сопротивление якорной цепи.

При регулировании скорости и момента, особенно в случае высокоточного управления, которое требуется для минимизации буксования, управляющим воздействием часто является дополнительное напряжение (U_доп) на якоре, которое прикладывается к этому уравнению. Регулируя U_доп, система управления меняет ток I_а и, соответственно, крутящий момент двигателя M:

M = k ⋅ Φ ⋅ Iа

Где k — конструктивный коэффициент, а Φ — магнитный поток. Таким образом, точное управление напряжением позволяет точно дозировать момент, необходимый для преодоления конкретного участка рельефа.

Эволюция и сравнительный анализ систем привода (Конструктивный аспект)

Системы привода прошли значительную эволюцию, отражающую не только технологический прогресс, но и изменение требований к миссиям: от исследования Луны на короткие дистанции до многолетней работы на Марсе.

«Луноход-1»: Система мотор-колес с коллекторными ДПТ

«Луноход-1» (1970) представлял собой инженерный прорыв. Он использовал 8-колесное шасси, где каждое колесо было мотор-колесом, обеспечивая полный привод 8×8.

В системе «Лунохода» применялись коллекторные электродвигатели постоянного тока (КДПТ). Они были выбраны из-за их простоты, высокого пускового момента и надежности (для того времени). Каждый двигатель был сопряжен с редуктором, который располагался в герметичном корпусе ступицы колеса.

Несмотря на эффективность, КДПТ обладали ограниченным ресурсом из-за износа щеточно-коллекторного узла. Инженеры компенсировали это, используя герметичные отсеки с инертным газом для защиты от вакуума и оптимизируя конструкцию щеток.

Инженерные усовершенствования колесной группы (Curiosity vs. Perseverance)

Современные марсоходы NASA, такие как Curiosity (2012) и Perseverance (2021), представляют собой тяжелые аппараты, использующие РИТЭГ в качестве основного источника энергии. Оба ровера использ��ют высокоэффективные бесколлекторные двигатели постоянного тока (EC/BLDC) в сочетании с планетарными редукторами.

Критически важным моментом в эволюции стало усовершенствование колесной группы после миссии Curiosity. Колеса Curiosity (диаметр 50 см) показали склонность к повреждениям (трещинам и разрывам) при движении по острым камням Марса. Это потребовало глубокой переработки конструкции для Perseverance.

Характеристика	Curiosity (MSL)	Perseverance (Mars 2020)	Причина изменения
Тип двигателя	Вентильный ДПТ (EC)	Вентильный ДПТ (EC)	Высокий КПД, отсутствие щеток
Диаметр колеса	50 см	52,5 см	Увеличение площади контакта, проходимости
Грунтозацепы	24 шевронных	48 прямолинейных	Увеличение сцепления, снижение проскальзывания
Материал/Конструкция	Алюминий	Более толстый алюминий, внутренние титановые спицы	Повышение прочности и долговечности

Увеличение диаметра колес Perseverance (до 52,5 см) и переход от шевронных к 48 прямолинейным грунтозацепам позволили лучше распределять нагрузку и эффективнее взаимодействовать с рыхлым грунтом. Внедрение более толстых стенок из прочного алюминия и, что особенно важно, внутренних титановых спиц, обеспечило повышенную жесткость и устойчивость к проколам и деформациям, что является ключевым для обеспечения многолетнего ресурса системы привода.

Заключение

Инженерный анализ систем привода планетоходов демонстрирует неуклонное стремление к повышению надежности, энергоэффективности и проходимости в условиях космической среды.

Проектирование движителей всегда является компромиссом между массой, сложностью и требуемой проходимостью. Советская школа, представленная КШД «Лунохода», успешно доказала концепцию преодоления сложного рельефа, достигнув рекордных углов подъема (до 27°), что подчеркивает важность отечественного опыта в тяговой динамике.

Эволюция электропривода демонстрирует переход от коллекторных ДПТ к высокоэффективным, бесщеточным вентильным двигателям (EC/BLDC), сопряженным с высоконадежными планетарными редукторами. Эта комбинация обеспечивает высокий КПД (до 98% на ступень), что критично для экономии энергии, а также необходимый ресурс работы благодаря устранению источника износа — щеточного узла.

Наконец, академический подход требует обязательного применения математических моделей для точного расчета динамики. Использование уравнений аналитической динамики (например, в форме Шульгина) для учета нелинейных связей и детальный анализ уравнений электрического равновесия ТЭП (с учетом управляющего напряжения U_доп) являются основой для оптимизации движения и энергопотребления планетохода. Инженерные уроки, полученные от «Лунохода» до Perseverance, подтверждают, что надежность привода в экстремальных условиях зависит от тщательного синтеза механики, электротехники и точного математического моделирования.

Список использованной литературы

1. Кучеренко В. И., Богачев А. Н. Развитие концепции самоходного шасси марсохода европейского проекта «EXOMARS»: докл. на семинаре «Планетоходы-2003». Санкт-Петербург, 2004.
2. Планетоходы / А. Л. Кемурджиан [и др.]. 2-е изд., перераб. и доп. Москва: Машиностроение, 1993.
3. Абрамов Л. С., Матвеев П. Н. Вопросы построения тягового электропривода постоянного тока // Тезисы докладов на Всесоюзном совещании по роботехническим системам. Владимир, 1978. С. 67.
4. Колчин Н. И. Механика машин. Москва; Ленинград: Машиностроение, 1972. 567 с.
5. Динамика планетохода / Е. В. Авотин [и др.]. Москва: Наука, 1979. 438 с.
6. Глазенко Т. А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Москва; Ленинград: Энергия, 1973. 187 с.
7. А.с. 527733 СССР. Шагающее транспортное средство / Г. Н. Корепанов, М. И. Маленков, Г. И. Рыков, А. Л. Кемурджиан. Опубл. в БИ, 1976. №33. М. Кл. В 62 57/02.
8. А.с. 428971 СССР. Дифференциал транспортной машины / Г. И. Корепанов, М. И. Маленков, А. Ф. Соловьев. Опубл. в БИ, 1975. №2. М. Кл. В 60к 17/20.
9. Современное состояние и перспективы развития электромобилей / А. И. Яковлев [и др.]. Москва: НИИНАтопром, 1976. 32 с.
10. Воробьев В. В. Респонсионный привод. Москва: Машиностроение, 1978. 108 с.
11. А.с. 562457 СССР. Способ поворота многоопорного транспортного средства на месте / И. Ф. Кажукало [и др.]. Опубл. в БИ, 1977. №23. М. Кл. В 6215/00.
12. Розно Ю. Н. О некоторых возможностях управления БДПТ // Электронная техника и автоматика. Москва: Сов. радио, 1978. Вып. 10. С. 185–191.
13. Абрамов Л. С., Богачев А. Н., Маленков М. И., Цыганов А. С. О создании приводов транспортных роботов на базе электродвигателей типа ДБМ: по материалам доклада на научно-техническом семинаре в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1988.
14. А.с. 1331717 СССР. Способ поворота транспортного средства со всеми ведущими и поворотными колесами и устройство для его осуществления / Н. Е. Бечвай [и др.]. Опубл. в БИ, 1987. №31. В62Д7/14.
15. Владыкин С. А., Маленков М. И. Особенности схем механизмов шагания колесно-шагающего движителя // Тезисы доклада на I Всесоюзной конференции по механике управлению движением шагающих машин. Волгоград, 1988. С. 19.
16. Передвижение по грунтам Луны и планет / В. В. Громов [и др.]. Москва: Машиностроение, 1986. 265 с.
17. Динамика планетохода [Электронный ресурс]. URL: fireras.su (дата обращения: 23.10.2025).
18. Математическое и компьютерное моделирование динамики планетохода с радиально деформируемыми колесами [Электронный ресурс]. URL: trudymai.ru (дата обращения: 23.10.2025).
19. Приводы Maxon в марсианской миссии [Электронный ресурс]. URL: privod.news (дата обращения: 23.10.2025).
20. Тяговые двигатели на постоянных магнитах в электроприводе Traction Engines on [Электронный ресурс]. URL: ispu.ru (дата обращения: 23.10.2025).
21. А.Л. Кемурджиан – основатель научной школы космического транспортного машиностроения (к 50-летию «Лунохода-1») [Электронный ресурс]. URL: ivak.spb.ru (дата обращения: 23.10.2025).
22. Анализ подвижности марсоходов для разработки систем передвижения и алгоритмов управления планетоходами нового поколения [Электронный ресурс]. URL: cyberleninka.ru (дата обращения: 23.10.2025).
23. Как устроены планетарные редукторы [Электронный ресурс]. URL: ttaars.ru (дата обращения: 23.10.2025).
24. Каковы преимущества планетарных редукторов перед традиционными коробками передач? [Электронный ресурс]. URL: makikawamotion.com (дата обращения: 23.10.2025).
25. Колеса для небесных тел [Электронный ресурс]. URL: stimul.online (дата обращения: 23.10.2025).