Dossier 03 • Robotyczne maszyny naziemne i powietrzne

Koła dla innych światów

Żadna gumowa opona wulkanizowana nigdy nie toczyła się po powierzchni innej planety. Wyjątkiem są dwie zmodyfikowane opony lotnicze przykręcone do najwcześniejszych ziemskich stanowisk testowych sowieckiego Ługochoda oraz podwozie do lądowania na pasie w wahadłowcu Space Shuttle. Poza Ziemią koła są metalowymi rzeźbami, zaprojektowanymi tak, by uginały się jak sprężyny bez powietrza.

Terramechanika robotów

Miękko oświetlony render 3D obrobionego aluminiowego koła łazika marsjańskiego obok splecionego zespołu opony sprężynowej z nitinolu na jednolitym tle

Render inżynierski 3D • Studium koła pełnego i siatkowego

Historia lotów na Marsa (1997–obecnie)

Kinematyka rocker-bogie i ewolucja kół

Od Sojournera o masie 11.5 kg z 1997 roku, przez Spirit, Opportunity (który przejechał 45.16 km w ciągu 14 lat), Curiosity i Perseverance, Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA udoskonaliło pasywny, sześciokołowy mechanizm przegubowy, który nie wymaga ani jednej sprężyny śrubowej.

Sprawdzony w locie sprzęt

Wyrównywanie nacisku na podłoże przy przeszkodach o wysokości dwóch średnic koła

Konwencjonalne zawieszone podwozie samochodu gwałtownie się przechyla, gdy jedno przednie koło wjeżdża na głaz o promieniu dwukrotnie większym od jego promienia. Odciąża to koło przeciwległe i pozbawia trakcji. Zawieszenie rocker-bogie łączy trzy koła po każdej stronie za pomocą obrotowego wózka i głównego ramienia wahacza, sprzężonych ze sobą drążkiem różnicowym pod kadłubem łazika. Gdy przednie lewe koło wjeżdża na skałę o wysokości 40 centymetrów, główny korpus przechyla się tylko o połowę tego kąta, a wszystkie sześć kół utrzymuje niemal jednakową siłę docisku do podłoża.

Dlaczego łaziki marsjańskie poruszają się z prędkością około 150 metrów na godzinę (4.2 cm/s)? Ponieważ nieamortyzowany mechanizm przegubowy nie potrafi pochłaniać szybkich impulsów wstrząsowych. Dzieje się tak także dlatego, że czas podróży sygnału radiowego w obie strony między Ziemią a Marsem wynosi od 8 do 44 minut, co wymaga pokładowego, stereowizyjnego unikania przeszkód (`AutoNav`), aby ocenić każdy metr terenu.

Wnioski z przebitych bieżników Curiosity

Aby zaoszczędzić masę łazika Curiosity o masie 899 kg, inżynierowie sfrezowali jego 50-centymetrowe aluminiowe koła do grubości poszycia zaledwie 0.75 milimetra, pomiędzy agresywnymi, zygzakowatymi listwami bieżnika. Gdy Curiosity przejeżdżał po scementowanym, ostrym jak brzytwa piaskowcu „wiatrowcach” w kraterze Gale, mechanizm różnicowy nieumyślnie wpychał tylne koła poziomo na skalne szpice, rozrywając aluminiowe panele poszycia.

W przypadku Perseverance inżynierowie zwęzili szerokość koła, zwiększyli jego średnicę do 52.5 centymetra, podwoili grubość poszycia i zastąpili ostre listwy 48 łagodnie wygiętymi listwami.

Materiały i siatkowe zespoły kół

Od drutu fortepianowego po nitinol z pamięcią kształtu

Elastyczne koła siatkowe zapewniają znacznie większą powierzchnię styku w luźnym gruncie niż sztywne aluminiowe bębny, pod warunkiem że drut metalowy nie ulegnie trwałemu odkształceniu po tysiącach cykli zginania.

Latający sprzęt Ługochód i Yutu-2

Tytanowe szprychy i siatka sitowa

Zespół Aleksandra Kiemurdżjana z VNIITransmash zaprojektował osiem sztywnych kół z siatki drucianej na piastach, z tytanowymi szprychami stycznymi, przypominającymi rowerowe, oraz tytanowymi listwami. Gdy silnik zablokował się w próżni, niewielki ładunek wybuchowy przecinał oś napędową, dzięki czemu koło mogło swobodnie się toczyć zamiast ciągnąć jak kotwica. Chiński Yutu-2 o masie 140 kg używa sześciu kół z siatki sitowej po ciemnej stronie Księżyca, w kraterze von Kármána.

Testowane w laboratorium i w terenie Centrum Badawcze NASA Glenn

Sprężyste opony sprężynowe z nitinolu

Zwykła stal sprężynowa trwale się odkształca po przekroczeniu około 0.5% odkształcenia. Stopy niklowo-tytanowe (nitinol) o składzie stechiometrycznym ulegają odwracalnej, wywołanej naprężeniem przemianie fazowej między kryształami austenitu i martenzytu, co pozwala na 10% odkształcenia sprężystego, czyli trzydziestokrotnie więcej niż stal. Zwinięte opony z nitinolu mogą ugiąć się aż do osi nad postrzępionym bazaltem i czysto wrócić do okrągłego kształtu.

Latający sprzęt Planetoida Ryugu (0.00015 m/s²)

Skoczki MINERVA-II i MASCOT

Na planetoidzie Ryugu grawitacja wynosi jedną sześćdziesięciotysięczną ziemskiej. Każdy moment obrotowy koła natychmiast wyrzuca łazik w powolny lot swobodny. Łaziki MINERVA-II japońskiej agencji JAXA o masie 1.1 kg oraz MASCOT DLR/CNES całkowicie zrezygnowały z kół. Zamiast tego obracają wewnętrzne mimośrodowe ciężarki i z gracją przeskakują przez pola głazów po balistycznych łukach trwających 15 minut.

Poza konwencjonalnymi kołami

Zjazd na linach, jądrowe wiropłaty i lodowe węgorze

Najbogatsze cele naukowe w Układzie Słonecznym, takie jak księżycowe jamy-świetliki, metanowe wydmy Tytana i lodowe kominy Enceladusa, wymagają architektur zupełnie odmiennych od czterokołowych wózków.

Planowana misja Tytan (start w planach)

Ośmiowirnikowy jądrowy dron Dragonfly

Księżyc Saturna Tytan łączy grawitację 0.138 g z atmosferą azotową, czterokrotnie gęstszą niż ziemska na poziomie morza. Latanie jest aerodynamicznie około 38 razy łatwiejsze niż na Ziemi. Wielkości samochodu wiropłat Dragonfly z Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa (JHU APL) wykorzystuje jądrowy generator MMRTG do ładowania akumulatorów między lotami na dystansie kilku kilometrów nad organicznymi wydmami piasku.

Prototyp terenowy Koncepcja JPL DuAxel

DuAxel, łazik wspinający się po klifach na linie

Aby pobierać próbki z pionowych, powtarzających się linii nachylonych zboczy na Marsie lub z otworów w jaskiniach lawowych na Księżycu, czterokołowy łazik DuAxel JPL zakotwicza swoją tylną połowę mocno w płaskim gruncie. Przednia oś z dwoma kołami odłącza się wtedy i zjeżdża na linach po klifach o nachyleniu 70-stopniowym, na elektromechanicznym kablu zasilająco-danych.

Spekulatywny prototyp Badanie JPL EELS

Lodowy eksplorator wężowy EELS

Testowany na ziemskich lodowcach, Egzobiologiczny Detektor Żywych Organizmów (EELS) łączy obracające się segmenty z gwintem w czteremetrowego robotycznego węża. Taki wąż potrafi wkręcać się poziomo w puszysty śnieg lub zapierać się na boki, by zejść w wąskie szczeliny, takie jak te przewidywane na księżycu Saturna, Enceladusie.

Sprawdź ograniczenia środowiskowe