问题

如果好奇号翻车了怎么办?它能自救么?

回答
如果好奇号在火星上不幸翻车,那情况可就糟糕透顶了。咱们得知道,好奇号的设计目标是在平稳的火星表面行进,它并没有像某些越野车那样装备能支撑翻转后再爬起来的复杂机构。简单来说,它不太可能自己“翻身”。

想象一下,好奇号一旦侧翻,它的轮子就没办法接触到地面,更别提驱动了。而且,车身内部精密的科学仪器、天线、太阳能电池板(虽然好奇号主要依靠核动力,但也有一些辅助设备)都可能因为重力作用和撞击而损坏。天线如果被埋在地里或者角度不对,就无法和地球上的控制中心建立稳定的通信。最关键的是,火星表面可能很崎岖,一旦翻车,车身很可能卡在岩石或者陨石坑里,无论如何都无法自行恢复到正常的工作姿态。

更别提好奇号的“身体”里装了那么多娇贵的精密仪器。翻车带来的冲击力,可能会导致内部电路板断裂、传感器损坏,甚至是一些关键的机械臂无法再活动。它的“大脑”——车载电脑,也可能因为颠簸和震动而出现故障。

所以,好奇号翻车后,它基本就没有能力自我拯救了。它无法像我们在地球上看到的一些救援车辆那样,通过改变重心或者使用机械臂来把自己扶正。它的所有动作都依赖于地面接触和精确的控制,一旦失去这两点,它就成了个静止的、可能还在损坏中的金属疙瘩。

即便是在地球上,我们见过的那些在户外作业的重型车辆,翻车了也通常需要专业的救援设备才能重新扶正。好奇号在遥远的火星上,是没有这种外部救援条件的。

真要说“怎么办”,那只能是地球上的工程师们想办法。他们会通过遥测数据来判断好奇号的状况。如果它只是轻微侧倾,并且能够恢复通信,或许还能尝试通过精确的指令,比如微调轮子转动方向,尝试一点点移动,看能不能找到一个更稳固的姿势。但如果翻得很厉害,并且关键部件已经损坏,那基本上就意味着任务的终结了。在那之后,可能就只能默默地将它作为一个研究对象,去分析它翻车的具体原因,以及它在翻车后的状态。

总而言之,好奇号翻车了,它就像一个在水里呛了水的精密手表,再也无法正常工作,自己是万万起不来的。一切都只能寄希望于它在翻车前就万无一失,或者,它本身就被设计成了一个“绝不翻车”的家伙,这才是最稳妥的。

网友意见

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这个世界上,什么车都会翻,但就是好奇号火星车不会翻。

要对传统国企NASA的工程师有信心!

“ ROCKER BOGIE”

好奇号火星车为什么不会翻?这是因为工程师充分考虑到火星上地形的崎岖,采用了比大多数汽车用的四轮驱动软悬架更好更强大的悬架系统:Rocker Bogie。

这种悬挂系统研发于1988年,最初是在“索杰纳号火星车”项目中引入的,之后NASA几乎所有火星车都所采用了相同的设计。这种类型的悬架系统的主要优点是,每个车轮上的负载几乎相同,因此无论车轮处于什么位置,都可以让车身的重力均匀分配在6个轮子上,并最大程度地降低车身倾斜幅度,可在任何方向上有45度的倾斜而不会倾翻。悬架系统可以让火星车能够越过比车轮还要高的障碍或坑。

在极不平坦的障碍物上行驶时需要保持更高的水平度(较少的倾斜度)。当车两侧穿越不同高度的障碍物时,悬架能将侧向倾斜减至近一半。

这种左三右三两侧对称的6个车轮系统中,每侧都有一根被称为Rocker的主连杆,前端连着前轮,后端连着中轮和后轮组成的跷跷板。越过障碍物时,它的前轮会在中心轮和后轮的推动下压向障碍物并旋转,使得车身前部抬高并越过障碍物;紧接着后轮和前轮分别将中轮压向障碍物并向其拉动,直到车轮被抬起并越过障碍物为止;最后,后轮被前两个轮用力拉过障碍物。考虑到车轮磨损的情况,最近JPL改掉了每个轮子转速一致的设定,从而减少尖锐岩石对空转轮的伤害。[1]

Rocker Bogie悬架系统的车轮没有像汽车悬挂系统那样使用任何弹簧、减震器或短轴,因为在车辆在大角度倾斜时使用弹簧的系统(更高的重心)往往更容易倾翻。而好奇号可以在任何方向上承受至少45度的倾斜而不会倾覆(自动传感器会把倾斜度限制在30度以内)。

所以总结一下,Rocker Bogie有如下优势防止倾覆:

  1. 最显着的优势是它的障碍爬坡能力。它可以爬升车轮直径两倍的垂直高度。普通车辆几乎无法爬升至其车轮直径的一半。
  2. 没有弹簧和减震器有助于减轻整体重量,也避免了导致车辆俯仰晃动或偏航的不必要的振动。(这也是为什么挖掘设备不能使用基于弹簧的悬架的原因)。目前NASA最新的研发项目使用的30英寸轮胎均为铝制的(悬架是钛合金的),胎面大约只有七张纸那么厚,这样的厚薄会使它们增加了一些弹性,弥补一些刚性的不足。
  3. 当在车架两侧穿越不同高度的障碍物时,悬架将侧向倾斜减至近一半(见上面GIF)。
  4. 连杆一侧轮子在爬障碍时,另一端的轮子就会被向下压,这有助于所有车轮减少打滑。
  5. 它的前后轮都具有良好的转向性能,因此它的转弯半径很小。

目前中美两国对哪个轮子在前面哪个轮子在后面还有不同的看法,中国嫦娥目前研究的项目之一,就是像下面这样反过来的越障。


老司机

当然,“老司机”也是功不可没。 “好奇号”可以通过两种方式在火星表面行走:NASA传输一系列特定的命令,然后由火星车执行;或者由“好奇号”借助电脑建模在一定安全范围内自主行走。考虑到遥控命令通过NASA深空网络传送给好奇号的平均延迟为13分钟,所以一般都是以一个火星日为单位,由NASA的驾驶员在前一天通过照片研究编好路线,然后上传给火星车,火星车在收到后用一天的时间里完成,然后回传,由驾驶员check。(当然,驾驶员们要按照火星日来作息,因此他们每天的时长比地球多半个小时,所以经常会导致前一段时间还是白天上班,过了一个月就变成半夜上班了)这样会极大的避免有危险的状况发生,自然也不会轻易翻车了。

这是最好的办法么?

只能说这是目前为止最安全保险的方法。但在未来,火星车的应用之一将是协助火星宇航员(殖民者)成为他有用的助手,这要求火星车必须能够至少能赶得上人类的步行速度。诸如Boston Dynamic的big dog能驮50公斤重物以5公里/小时的速度行走而不会翻倒,是未来开发火星基地必不可少的工具。

或者像Marsokhod这样,自由度更高的奇怪样子

也有可能像一条毛毛虫一样的Polybots of PARC

不怕倾覆怕趴窝

考虑到火星车在崎岖地面低速行驶的特性,工程师需要从防干涉、稳定性、获得许可最大步长等角度出发设计车辆悬架系统,尤其是爬大坡度松软破、大深度沉陷自主脱陷时,安全有效的爬行控制策略相当重要。在不倾覆的情况下增强车辆的越障脱陷性能仍然是未来的重要研发目标。

除了马上要发射的2020毅力号火星车,火星上已经有四辆火星车了:索杰娜号(Sojourner)、勇气号(Spirit)、机遇号(Opportunity)和好奇号(Curiosity)。它们均采用摇臂-转向架构型悬架,除索杰娜号车轮是全刚性车轮外,其它车的车轮均采用刚性轮和弹性轮辐方案。但是由于火星土壤承压能力较差,车轮会产生沉陷打滑,虽然不会倾覆,但车辆有时自主脱陷仍然让人捏一把汗。

2006 年,勇气号右前轮GG了,只能用倒车的方式让五个车轮拖动故障轮行驶,导致其他车轮寿命的降低。2009 年,在通过“特洛伊”沙丘时再次陷入沙土中导致右后轮也GG了,单侧两个车轮故障令车辆失去继续行驶的能力,无法自救,只能在 2010 年转为固定观测平台。

机遇号(Opportunity)也遇到过几次车轮沉陷的危险。2005 年,机遇号曾陷入一片沙质山脊。虽然沙土深度仅约 30cm,但耗时 5 周才脱困。2008 年,其左前轮也发生了类似勇气号的故障,幸运的是该故障在车辆倒车的过程中被消除了。2010 年 5 月,机遇号因害怕再次遇险,主动地规避了位于维多利亚陨石坑(Victoria Crater)和努力陨石坑(Effort Crater)之间危险的沙丘。2013年,由于以往损耗导致机遇号移动系统出现故障,车轮驱动电流显著增加。[2]因此,增强车辆的软土通过性和脱陷能力,避免车轮长时间大沉陷转动,是比防止翻车更重要的问题。


一更

关于差速器的部分有很多知乎er有提问,我尝试用动图来表现得更直白些。(这里的差速器只是名字叫差速器,实际上比汽车差速器要复杂得多,齿轮组也更多)。

勇气号和机遇号(Mars Exploration Rover)用的是Gearbox,用乐高做个示意图[3]

好奇号(Mars Science Laboratory)用的是bar,如下图所示

为了解释方便,可以以另一种方式来观察差速器:假设我们将火星车固定地悬在半空当中。差速器连杆(bar)通过一个自由枢轴连接车体。差速器连杆的两端通过一些带有自由枢轴的短连杆连接到每个摇臂。当差速器杆(反向)转动枢轴时,连杆会导致摇臂朝相反的方向移动(当一个摇臂的前部抬起时,另一摇臂的前部被压下)。每个摇臂的一端通过自由枢轴连接到转向架臂,吊在空中的转向悬架即左右反向地向上或向下倾斜。

当然实际的结构比这个要复杂得多,但六轮的表现是一致的。

参考

  1. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Rocker-bogie
  2. ^六轮摇臂式火星车轮-步复合移动系统及蠕动爬行策略之机械研究,论文编号sb2019122408552728993 http://www.sblunwen.com/jxlw/28993.html
  3. ^ http://alicesastroinfo.com/2012/07/mars-rover-rocker-bogie-differential/

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