Cách hoạt động của Lunar Rovers

Giả sử bạn đang đi du lịch đến một công viên quốc gia lần đầu tiên. Ngoài ra, giả sử không có phương tiện giao thông công cộng nào tại điểm đến dự kiến ​​của bạn và các điểm tham quan bạn muốn xem cách xa nhau. Bạn sẽ làm gì? Nhiều người sẽ mang theo một chiếc xe đạp hoặc một chiếc ô tô để đi du lịch khắp nơi. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu công viên đó cách mặt trăng 252.000 dặm (405.500 km) ? Bây giờ bạn làm thế nào để đi xung quanh?

Nếu bạn có may mắn đặc biệt là trở thành một trong những phi hành gia đi bộ trên mặt trăng trong vài sứ mệnh Apollo đầu tiên , bạn đã sử dụng đôi chân của mình. Việc khám phá của bạn bị giới hạn bởi khoảng cách bạn có thể đi bộ trong khi mang theo hàng trăm pound bộ đồ không gian , thiết bị và các mẫu đá. Hệ thống hỗ trợ sự sống của bạn, có thể hoạt động trong khoảng 4 giờ, cũng cản trở bạn có thể đi lang thang bao xa. Nhưng các phi hành gia của Apollo trong các sứ mệnh sau này, như 15-17 tuổi, đã lái một chiếc xe hơi, một phương tiện lưu động trên mặt trăng ( LRV ) giống như một con bọ hung ở cồn cát.

Hiện NASA đang cân nhắc việc quay trở lại mặt trăng để thực hiện các sứ mệnh kéo dài và thiết lập căn cứ mặt trăng, nên các máy bay thám hiểm mặt trăng tinh vi hơn là cần thiết với tầm bay xa hơn và thậm chí có thể là khả năng sống. (Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào những chiếc máy bay có người lái thay vì những chiếc rô bốt hiện đang bay quanh sao Hỏa hoặc một ngày nào đó có thể khám phá mặt trăng). Để đáp ứng những nhu cầu này, NASA đã phát triển các nguyên mẫu của hai máy bay lượn mới. Một là xe tải hoặc chiến xa mặt trăng không áp suất. Loại còn lại được gọi với cái tên khác nhau là rover điện mặt trăng (LER) hoặc rover điều áp nhỏ (SPR). Trong khi chiếc LRV ban đầu giống như một con bọ cồn cát, thì SPR giống một chiếc xe tải nhỏ mở rộng có thể đi ngang qua mặt trăng. Gần đây, SPR đi ngang qua Đại lộ Pennsylvania với tư cách là một người tham gia vào cuộc họp của Tổng thống Obamadiễu hành khai mạc.

Chúng ta hãy ngồi sau tay lái của một số chiếc du hành này, bắt đầu với những chiếc cũ hơn từ thời Apollo và hướng tới những phương tiện tương lai mà các phi hành gia có thể mang theo khi họ đến thăm mặt trăng lần nữa vào năm 2020.

1. Phương tiện di chuyển trên Mặt trăng của Apollo
2. Lái xe trên Mặt trăng bằng tàu Apollo LRV
3. Điểm dừng LRV trên Mặt trăng
4. Xe tải Mặt Trăng
5. Rover điều áp nhỏ
6. Tương lai của tàu Mặt Trăng

Đó là vào đầu những năm 1970 và một phi hành gia Apollo đang đi chơi trên mặt trăng với một số đồng nghiệp. Mặc bộ đồ không gian cồng kềnh cần thiết, anh ta cần khám phá một miệng núi lửa cách đó vài dặm, vì vậy anh ta đi đến chiếc xe thám hiểm. Anh bước lên cao 14 inch (35 cm) vào chiếc ghế kiểu ghế bãi cỏ ở khoang trung tâm của khung nhôm. Chiếc rover dài khoảng 10 feet (3 mét), rộng 6 feet (gần 2 mét) và cao gần 4 feet (1 mét). Nó gần bằng một chiếc Volkswagen Beetle hiện đại.

Đối tác của anh ấy tham gia cùng anh ấy ở ghế khác khi phi hành gia đầu tiên khảo sát LRV. Thiết bị liên lạc (ăng-ten độ lợi cao cho hình ảnh và dữ liệu, ăng-ten độ lợi thấp cho máy ảnh thoại và TV ), nguồn (hai pin 36 vôn ) và thiết bị định vị được đặt ở khoang trước. Trong khoang trung tâm là hai ghế, bộ hiển thị và bộ điều khiển tay để lái LRV. Ngăn chứa phía sau chúng chứa các dụng cụ lấy mẫu đá và khoa học (dụng cụ, túi). Bên dưới chúng là bốn bánh xe của chiếc xe được làm bằng hai khung nhôm (khung bên trong và bên ngoài), trong khi bản thân lốp xe được làm bằng lưới thép mạ kẽm với mặt lốp chevron titan.

Người lái xe được chỉ định nhìn xuống bảng điều khiển hiển thị ở trung tâm khoang thuyền viên LRV để lấy vòng bi của mình. Màn hình điều hướng nằm trên cùng với màn hình máy tính, la bàn mặt trời , hiển thị tốc độ (0-12 dặm / giờ, 0-20 km / giờ), các nút đặt lại và đồng hồ đo góc cao độ theo dõi độ dốc của người lái. Ở phía dưới là các công tắc nguồn phân phối năng lượng từ hai pin, màn hình năng lượng pin và các công tắc điều khiển động cơ lái điện và động cơ truyền động .

Trước khi phi hành gia có thể bắt đầu lái xe, anh ta phải hoàn thành danh sách kiểm tra khởi động, bước đầu tiên là ngắm mặt trời bằng la bàn mặt trời. Sau khi anh ta đưa bài đọc đó cho những người ở cơ quan kiểm soát sứ mệnh, họ sẽ gửi lại dữ liệu để lập trình máy tính điều hướng . Số liệu này cung cấp cho máy tính điều hướng LRV một điểm tham chiếu gần mô-đun mặt trăng, tàu đổ bộ Apollo đóng vai trò là căn cứ địa của chúng khi ở trên mặt trăng. Trong khi hoạt động, máy tính sẽ theo dõi vòng bi của máy lái so với mô-đun mặt trăng bằng cách sử dụng con quay hồi chuyển và bằng cách đo khoảng cách (phạm vi) thông qua số vòng quay của bánh xe. Một la bàn trên màn hình hiển thị hướng bắc âm lịch.

Sau khi hoàn thành danh sách kiểm tra, đã đến lúc đi ra ngoài.

Apollo LRV không đi kèm với vô lăng. Tuy nhiên, nó có một bộ điều khiển tay nằm ngay phía sau bảng điều khiển hiển thị trên bệ tỳ tay, giúp điều phối hệ thống lái, động cơ truyền động và phanh. Bộ điều khiển được đặt ở trung tâm của khoang phi hành đoàn để một trong hai phi hành gia có thể lái xe, mặc dù người chỉ huy thường thực hiện những hành động danh dự. Nó cũng đi kèm với một tay cầm chữ T để dễ dàng thao tác với đôi găng tay cồng kềnh của bộ đồ.

Mỗi bánh xe của LRV có thể hoạt động độc lập bởi một động cơ điện và lái độc lập với các bánh xe khác để LRV có thể quay ngay cả khi một liên kết lái không thành công. Tương tự, mỗi bánh xe cũng có hệ thống phanh độc lập. Đối với NASA , dự phòng luôn được ưu tiên hàng đầu. Ngoài ra, thiết lập này cho phép bán kính quay vòng hẹp là 10 feet (3 mét).

Tay cầm chữ T có thể xoay trái, phải, trước hoặc sau và tiến hoặc lùi. Nó cũng đi kèm với một nút có thể khóa bộ điều khiển để sử dụng theo hướng về phía trước, cũng như một vòng để nhả phanh tay. Các chuyển động của bộ điều khiển tay hướng dẫn LRV như thế này:

Chúng ta hãy quay lại cuộc hành trình của hai phi hành gia ra ngoài khám phá miệng núi lửa. Hệ thống treo của LRV giảm thiểu những va chạm của địa hình không bằng phẳng, nhưng dù sao thì chúng cũng được trang bị vững chắc với bệ đỡ, tay cầm và dây an toàn. Mặc dù LRV được thiết kế để lên dốc tới 25 độ hoặc di chuyển xa tới 40 dặm (67 km), chúng sẽ không di chuyển quá 6 dặm (10 km) từ mô-đun mặt trăng. Nếu người di chuyển không thành công, họ vẫn có thể quay lại mô-đun trước khi hệ thống hỗ trợ sự sống của họ hết.

Và những vấn đề không lường trước được, máy móc và những thứ khác, đã xảy ra. Ví dụ, trong sứ mệnh Apollo 17, Chỉ huy Gene Cernan đã làm gãy một mảnh chắn bùn của chiếc tàu lặn khi một chiếc búa trong túi áo khoác không gian của anh ta bắt được nó khi anh ta đi ngang qua. Chắn bùn chắn bụi mặt trăng do bánh xe lưới của người lái. Nếu các phi hành gia không sửa chữa chắn bùn, các bánh xe sẽ bao phủ các phi hành gia và thiết bị trong bụi mặt trăng - một mối nguy hiểm cho cả người và thiết bị. Họ đã tạo ra một tấm chắn bùn mới từ bản đồ nhiều lớp và băng keo, cho phép họ tiếp tục sử dụng chiếc xe. Khá tài tình.

Điều gì xảy ra khi LRV đến đích?

­­Once the astronauts arrive at their destination, they stop and apply the parking brake. After climbing out, they realign both the high- and low-gain antennae to Earth so that they can communicate with mission control. Mission control operates the LRV's TV camera remotely while the astronauts deploy equipment and pick up rock and soil samples, which they place in the back of the LRV.

But how much can they transport in the way of rock samples? Although the LRV itself weighs 460 pounds (209 kilograms) on Earth, it can support 1,080 pounds (490 kilograms) fully loaded. That includes two astronauts in suits and backpacks (800 pounds or 363 kilograms), communications equipment (100 pounds or 45 kilograms), scientific equipment (120 pounds or 54 kilograms) and moon rocks (60 pounds or 27 kilograms) [source: NASA]. That's actually not a big weight allowance for samples if some bigger specimens happened to catch an astronaut's eye.

Once they establish their objectives at the site, the astronauts move on to another site and repeat their work. They visit multiple locations on a single excursion before returning to the lunar module to unload samples, rest and prepare for the next day's moonwalk.

This remarkable vehicle extended our range of lunar exploration. The longest single LRV drive clocked in at 20.5 miles (20.1 kilometers) at a distance of 4.7 miles (7.6 kilometers) from the lunar module during the Apollo 17 mission.

­Now that we've experienced the Apollo LRV, let's look at the much newer lunar rover concepts.

­

Fly Me to the Moon

The Boeing Aerospace Company built four LRVs for the Apollo program. Three flew on Apollo flights 15-17, and one was kept for parts after later Apollo flights were cancelled. The total cost was $38 million for the rovers, two 1/6 gravity simulators and a trainer [source: Williams].

The rovers arrived on the moon folded up in one quadrant of the lunar module descent stage. On the astronauts' first moonwalk, they would deploy the rover from the descent module using cables and unfold it with release cables on the LRV. The last step was attaching the fenders.

­While the Apollo LRV was used mainly to extend the exploration capabilities of the astronauts during a short stay on the moon , NASA is planning on building a lunar base for extended missions -- months to years versus Apollo's days. Longer missions require vehicles that are capable of doing heavy work, like construction, digging and hauling loads. To this end, NASA has designed a prototype lunar truck.

The lunar truck is a mobile platform made for traveling on the moon. Like its Apollo forebears, it's not pressurized, so astronauts will have to wear space suits while operating it. The truck is designed to move cargo, and NASA is exploring the possibility of adding other equipment to it, like a backhoe or crane. The truck is intended to carry as many as four astronauts.

The astronaut driver stands at the driver's perch. He or she can look around in any direction to move the truck. The truck has six wheels, and each wheel has two tires. The wheels can be steered independently in a rotation of 360 degrees. This setup gives the truck enormous maneuverability. It can go in any direction: forward, backward, sideways or any combination thereof.

Two electric motors power the truck with a two-speed transmission. The truck can lower to ground level and raise back up with a lifting force of 4,000 pounds (17,800 newtons). It can obtain a maximum speed of 15 mph or 25 kph when unloaded.

The prototype lunar truck was developed at NASA's Johnson Space Center in Houston and tested at the center's lunar simulation area at Moses Lake, Wash., where the sand dunes can simulate the lunar environment.

­Let's look at the new pressurized rover concept.

Passing Your Lunar Driving Test

Just like a student driver needs to learn how to operate a car, astronauts must learn to drive rovers as part of the training for any mission where a rover will be involved. For the commanders and lunar module pilots of Apollo flights 15-17, that meant training with a rover in the Arizona desert for months. Because the new rovers are prototypes rather than production models, engineering teams (which include some astronauts) are doing the driving and evaluating at various test sites. Once NASA establishes lunar missions with designated crews, those astronauts will begin rover training, but that won't be for a while.

­Both the Apollo LRV and the space truck were and­ will be operated by astronauts in space suits . That means lunar exploration is limited by the length of life support the suits provide. Another downside of unpressurized rovers is that they don't protect the astronauts from solar flare events, which can potentially expose them to lethal doses of radiation. But a rover with a pressurized environment would allow astronauts to explore more of the moon and offer an emergency shelter from unexpected solar events.

That's the idea behind NASA's small pressurized rover. The SPR consists of a pressurized habitat module mounted on the lunar truck chassis. From the SPR, astronauts could explore the moon's surface from a cockpit with a wide field of view. They could also equip the module as a field science station. In fact, the SPR can go pretty much anywhere the lunar truck goes.

The rover's habitat module (or living environment) would allow two astronauts -- four in emergencies -- to live and work comfortably in a "shirt-sleeve environment" for up to three days. A shirt-sleeve environment just means one in which the astronauts don't have to wear their space su­its. The lunar base is another such environment.

The pressurized module has a small bathroom , a misting showerhead for sponge baths, privacy curtains, cabinets for tools, workbench areas and two crew seats that fold back into beds. The astronauts have to rehydrate food packs because there is no kitchen. All of the features are space-saving. During field tests in Arizona, astronaut Mike Gernhardt reported that it felt comfortable, even like the space shuttle [source: NASA].

Astronauts can enter and exit the module from one shirt-sleeve environment to another by using an airlock docking hatch. They can also exit and enter the rover directly into their space suits through the suitport without having to depressurize the habitat module. That's a feat that Apollo astronauts would envy since they had to depressurize and repressurize the entire lunar module when they exited and re-entered. And unlike Apollo, astronauts wouldn't have to bring their dusty space suits inside, thereby keeping the habitat's inside cleaner. In tests of the suitport, astronauts can don space suits in 10 minutes or less.

Bên trong bất kỳ môi trường sống nào, như mô-đun mặt trăng hoặc tàu con thoi, các thiết bị tạo ra nhiệt. Để duy trì nhiệt độ bên trong không đổi, nhiệt thừa phải được loại bỏ vào không gian bên ngoài. Mô-đun mặt trăng đã loại bỏ năng lượng nhiệt bằng cách làm bay hơi nước. Tàu con thoi sử dụng bộ tản nhiệt. Mô-đun môi trường sống SPR loại bỏ nhiệt bên trong bằng cách làm tan chảy băng trong một khóa băng xung quanh khu di chuyển, điều này làm giảm lượng nước mà người lái tàu phải mang theo.

Thông số kỹ thuật SPR (với Khung gầm)

Cân nặng : 8.818 pound hoặc 4.000 kg

Trọng tải: 8.818 pound hoặc 4.000 kg

Chiều cao : 14,1 feet hoặc 4,3 mét

Chiều dài : 14,8 feet hoặc 4,5 mét

Chiều rộng bánh xe : 13,1 feet hoặc 4 mét

Tốc độ : 6 dặm / giờ hoặc 10 km / h

Phạm vi : 144 dặm hoặc 240 km

[nguồn: NASA ]

Trước khi các khái niệm thám hiểm mặt trăng mới đi đến bất kỳ đâu gần mặt trăng , chúng sẽ được thử nghiệm và kiểm tra lại trong môi trường giống như mặt trăng. Môi trường như vậy nên có địa hình tương tự như mặt trăng và lý tưởng nhất là trải qua các nhiệt độ khắc nghiệt. NASA có một số điểm mà họ muốn thử các khái niệm của mình.

Môi trường sa mạc như cồn cát ở Hồ Moses, Wash., Và Black Point, Ariz., Cung cấp địa hình không giống thế giới này, cũng như nhiệt độ khắc nghiệt, giống như nhiệt độ gặp phải khi ánh sáng mặt trời trực tiếp lên mặt trăng. Nhiệt độ lạnh và phong cảnh mặt trăng có thể được tìm thấy tại căn cứ Haughton trên Đảo Devon trong Vòng Bắc Cực. Nam Cực cũng cung cấp một môi trường tương tự phù hợp để thử nghiệm các công nghệ khái niệm cơ sở mặt trăng và máy dò mặt trăng.

Trong cuộc thử nghiệm kéo dài ba ngày gần đây của SPR tại Black Point, một nhóm phi hành gia và nhà địa chất được giao nhiệm vụ tìm hiểu càng nhiều càng tốt về các dòng dung nham bằng cách sử dụng SPR. Phi hành gia Mike Gernhardt báo cáo rằng những người tham gia dành ít thời gian hơn trong bộ đồ không gian và họ làm việc hiệu quả hơn. Tất cả mọi người tham gia chương trình đều ca ngợi bài kiểm tra là một thành công. Những người tham gia thậm chí còn học cách thay lốp bị xẹp khi mặc bộ đồ không gian [nguồn: NASA ].

Hiện tại, chỉ có Trung Quốc và Hoa Kỳ đang tích cực theo đuổi chương trình mặt trăng có người lái. Gần đây, Trung Quốc đã tiết lộ một máy bay thám hiểm mặt trăng chạy bằng năng lượng hạt nhân, nhưng họ chưa thảo luận về một phương tiện có người lái. Cho đến nay, NASA đã có nhiều kinh nghiệm hơn trong việc đưa một người lên mặt trăng cũng như thiết kế và vận hành tàu thám hiểm mặt trăng.

Xe tải mặt trăng và SPR chỉ đại diện cho hai công nghệ trong dự án Trở lại Mặt trăng của Bộ phận Thám hiểm NASA. NASA cũng đang phát triển và thử nghiệm các khái niệm như môi trường sống có thể bơm hơi cho một căn cứ trên Mặt Trăng. Cuối cùng, các phương tiện phóng Orion CEV và Ares có thể thay thế tàu con thoi hiện tại. Với tất cả những công nghệ này, NASA hy vọng sẽ đưa con người trở lại mặt trăng vào năm 2020.

Hãy tiếp tục đọc để biết thêm các liên kết về các bài viết mà bạn có thể thích, bao gồm đổ bộ lên Mặt Trăng , thám hiểm Sao Hỏa và Giải thưởng Google Lunar X Prize .

Những bài viết liên quan

Các liên kết tuyệt vời hơn

­