Φάκελος 03 • Ρομποτικές επιφανειακές και εναέριες μηχανές

Τροχοί για άλλους κόσμους

Κανένα ελαστικό από βουλκανισμένο καουτσούκ δεν έχει ποτέ κυλήσει σε άλλη πλανητική επιφάνεια. Με εξαίρεση τα δύο τροποποιημένα ελαστικά αεροσκαφών που είχαν τοποθετηθεί στις πρώτες δοκιμαστικές διατάξεις του σοβιετικού σχεδίου Lunokhod στη Γη και στον σύστημα προσγείωσης στον διάδρομο του Space Shuttle. Πέρα από τη Γη, οι τροχοί είναι μεταλλικά γλυπτά σχεδιασμένα να λυγίζουν σαν ελατήρια, χωρίς αέρα.

Ρομποτική τερραμηχανική

Ομαλά φωτισμένη τρισδιάστατη απόδοση ενός κατεργασμένου αλουμινένιου τροχού ρόβερ του Άρη, δίπλα σε συναρμολόγηση ελαστικού ελατηρίου από πλεκτή νιτινόλη, σε απλό φόντο

Τρισδιάστατη μηχανολογική απόδοση • Μελέτη συμπαγούς και πλεγματικού τροχού

Γενεαλογία ρόβερ του Άρη σε πτήση (1997–σήμερα)

Κινηματική rocker-bogie και εξέλιξη των τροχών

Από το Sojourner των 11,5 kg το 1997 έως τα Spirit, Opportunity (που διένυσε 45,16 km σε 14 χρόνια), Curiosity και Perseverance, το Jet Propulsion Laboratory της NASA τελειοποίησε έναν παθητικό σύνδεσμο έξι τροχών που δεν χρειάζεται ούτε ένα ελικοειδές ελατήριο.

Υλικό που έχει πετάξει

Εξισορρόπηση της πίεσης του εδάφους σε εμπόδια διπλάσιας διαμέτρου τροχού

Ένα συμβατικό αυτοκίνητο με ελατήρια γέρνει βίαια αν ένας μπροστινός τροχός ανέβει σε βράχο διπλάσιας ακτίνας, αφήνοντας τον απέναντι τροχό χωρίς φορτίο και χάνοντας πρόσφυση. Η ανάρτηση rocker-bogie συνδέει τους τρεις τροχούς κάθε πλευράς μέσω ενός περιστρεφόμενου bogie και ενός κύριου βραχίονα rocker, οι οποίοι συνδέονται σε όλο το μήκος της κοιλιάς του ρόβερ με μια διαφορική ράβδο. Όταν ο μπροστινός αριστερός τροχός ανεβαίνει σε βράχο 40 εκατοστών, το κύριο σώμα γέρνει μόνο κατά το μισό αυτής της γωνίας, ενώ και οι έξι τροχοί διατηρούν σχεδόν ίση κάθετη δύναμη προς τα κάτω.

Γιατί τα ρόβερ του Άρη κινούνται με περίπου 150 μέτρα την ώρα (4,2 cm/s); Επειδή ένας σύνδεσμος χωρίς ελατήρια δεν μπορεί να απορροφήσει κρούσεις υψηλής ταχύτητας, και επειδή ο χρόνος μετάβασης του ραδιοσήματος μετ' επιστροφής μεταξύ Γης και Άρη κυμαίνεται από 8 έως 44 λεπτά, γεγονός που απαιτεί αυτόνομη στερεοσκοπική όραση αποφυγής κινδύνων (`AutoNav`) για την εκτίμηση κάθε μέτρου του εδάφους.

Μαθήματα από τα τρυπημένα πέλματα του Curiosity

Για να εξοικονομηθεί μάζα στο ρόβερ Curiosity των 899 kg, οι μηχανικοί αφαίρεσαν από τους αλουμινένιους τροχούς των 50 εκατοστών το τοίχωμα μέχρι πάχος μόλις 0,75 χιλιοστών, ανάμεσα σε επιθετικά ζιγκ-ζαγκ πέλματα. Όταν το Curiosity διέσχισε τσιμεντωμένους, κοφτερούς ψαμμίτες «βεντιφάκτ» στον κρατήρα Gale, ο διαφορικός σύνδεσμος ώθησε αθέλητα τους πίσω τροχούς οριζόντια πάνω σε αιχμηρά σημεία βράχου, σκίζοντας τα αλουμινένια τοιχώματα.

Για το Perseverance, οι μηχανικοί στένεψαν το πλάτος των τροχών, αύξησαν τη διάμετρο στα 52,5 εκατοστά, διπλασίασαν το πάχος του τοιχώματος και αντικατέστησαν τα αιχμηρά ζιγκ-ζαγκ με 48 απαλά καμπύλα πέλματα.

Επιστήμη υλικών και πλεγματικές συναρμολογήσεις

Από το σύρμα πιάνου έως τη νιτινόλη με μνήμη σχήματος

Οι εύκαμπτοι πλεγματικοί τροχοί προσφέρουν πολύ μεγαλύτερες επιφάνειες επαφής σε χαλαρό έδαφος από τα άκαμπτα αλουμινένια τύμπανα, υπό τον όρο ότι το μεταλλικό σύρμα δεν παραμορφώνεται μόνιμα μετά από χιλιάδες κύκλους κάμψης.

Πτητικό υλικό Lunokhod & Yutu-2

Τιτάνιες ακτίνες και πλέγμα κόσκινου

Η ομάδα του Alexander Kemurdzhian στο VNIITransmash σχεδίασε τους οκτώ άκαμπτους τροχούς με πλέγμα σύρματος του Lunokhod, με εφαπτομενικές τιτάνιες ακτίνες σαν ποδηλάτου και τιτάνια πέλματα. Αν ένας κινητήρας κόλλαγε στο κενό, ένα μικροσκοπικό πυροδοτικό εκρηκτικό έκοβε τον άξονα κίνησης, ώστε ο τροχός να κυλά ελεύθερα αντί να σέρνεται σαν άγκυρα. Το 140 kg Yutu-2 της Κίνας χρησιμοποιεί έξι τροχούς με πλέγμα κόσκινου στην αθέατη από τη Γη πλευρά της Σελήνης, μέσα στον κρατήρα Von Kármán.

Δοκιμασμένο στο εργαστήριο και στο πεδίο NASA Glenn Research Center

Υπερελαστικά ελατήρια ελαστικών από νιτινόλη

Το συνηθισμένο ατσάλι ελατηρίου λυγίζει μόνιμα πέρα από παραμόρφωση περίπου 0,5%. Τα στοιχειομετρικά κράματα νικελίου-τιτανίου (Nitinol) υφίστανται αναστρέψιμη, προκαλούμενη από τάση, μετάβαση φάσης μεταξύ κρυστάλλων αυστενίτη και μαρτενσίτη, επιτρέποντας ελαστική παραμόρφωση έως 10%, τριάντα φορές περισσότερη από τον χάλυβα. Τα σπειροειδή ελαστικά από νιτινόλη μπορούν να παραμορφωθούν μέχρι τον άξονα πάνω από αιχμηρό βασάλτη και να επανέλθουν καθαρά στο στρογγυλό σχήμα τους.

Πτητικό υλικό Αστεροειδής Ryugu (0,00015 m/s²)

Πηδηχτήρες MINERVA-II & MASCOT

Στον αστεροειδή Ryugu, η βαρύτητα είναι το ένα εξηντάχιλιοστό της γήινης. Οποιαδήποτε ροπή τροχού εκτοξεύει αμέσως ένα ρόβερ σε ελεύθερη πτώση αργής κίνησης. Τα ρόβερ MINERVA-II της JAXA, βάρους 1,1 kg, και το MASCOT των DLR/CNES κατήργησαν εντελώς τους τροχούς, περιστρέφοντας εσωτερικά έκκεντρα αντίβαρα για να πηδούν με χάρη πάνω από πεδία βράχων, σε βαλλιστικές τροχιές των 15 λεπτών.

Πέρα από τους συμβατικούς τροχούς

Άξονες καθόδου με σχοινί, πυρηνικά ελικόπτερα και παγωμένα φίδια

Οι πλουσιότεροι επιστημονικοί στόχοι του ηλιακού συστήματος, δηλαδή τα πηγάδια φωτοθυρίδων σε σπηλαιώδεις σωλήνες λάβας της Σελήνης, οι μεθανικοί αμμόλοφοι του Τιτάνα και οι παγωμένες εκροές του Εγκέλαδου, απαιτούν αρχιτεκτονικές πολύ διαφορετικές από τα τετράτροχα buggies.

Προτεινόμενη αποστολή Τιτάνας (προγραμματισμένη εκτόξευση)

Οκτακόπτερο Dragonfly με πυρηνική γεννήτρια

Ο δορυφόρος του Κρόνου, Τιτάνας, συνδυάζει βαρύτητα 0,138 g με ατμόσφαιρα αζώτου τετραπλάσια πυκνότερη από της Γης στο επίπεδο της θάλασσας. Η πτήση είναι περίπου 38 φορές ευκολότερη αεροδυναμικά απ' ό,τι στη Γη. Το ελικόπτερο Dragonfly του JHU APL, μεγέθους αυτοκινήτου, χρησιμοποιεί πυρηνική γεννήτρια MMRTG για να φορτίζει τις μπαταρίες του ανάμεσα σε πτήσεις πολλών χιλιομέτρων πάνω από οργανικούς αμμόλοφους.

Πρωτότυπο πεδίου Σχέδιο JPL DuAxel

DuAxel, αναρριχητής γκρεμών με σύνδεση καλωδίου

Για τη δειγματοληψία κατακόρυφων επαναλαμβανόμενων γραμμών κλίσης στον Άρη ή φωτοθυρίδων αυλών λάβας στη Σελήνη, το τετράτροχο ρόβερ DuAxel του JPL αγκυροβολεί σταθερά το πίσω μισό του σε επίπεδο έδαφος, ενώ ο μπροστινός δίτροχος άξονας αποσπάται και κατεβαίνει με σχοινί σε γκρεμούς 70 μοιρών, μέσω ηλεκτρομηχανικού καλωδίου ισχύος και δεδομένων.

Εικονικό πρωτότυπο Μελέτη JPL EELS

Ερπετοειδής εξερευνητής πάγου EELS

Δοκιμασμένο σε επίγειους παγετώνες, το Exobiology Extant Life Surveyor (EELS) συνδέει περιστρεφόμενα τμήματα με σπείρωμα σε ένα ρομποτικό φίδι τεσσάρων μέτρων, ικανό να κινείται οριζόντια σαν τιρμπουσόν πάνω σε πουδραρισμένο χιόνι ή να στηρίζεται προς τα έξω για να κατέβει σε στενές χαράδρες, όπως αυτές που έχουν προβλεφθεί στον δορυφόρο του Κρόνου Εγκέλαδο.

Επιθεώρηση περιβαλλοντικών περιορισμών