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新一代月亮探測車

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CubeRover 是 Astrobotic 公司行星機動部門的研發成果,設計目的在於以可負擔的價格提供在月球上載運和操作各種科學儀器與酬載的服務。

在美國太空總署甘迺迪太空中心投入下由 Astrobotic 進行開發的 CubeRover,已通過美國太空總署的小型企業創新研究計劃(SBIR)和臨界點計劃(Tipping Point programs)募得資金,這輛探測車最終將做好萬全準備,飛向月球。Astrobotic 已改良 CubeRover 產品線並將其投入市場,以提供公共運輸行動服務(MaaS),目的在於藉此降低在月球表面進行技術示範和科學研究的門檻。探測車的設計目的在於與多架月球登陸器結合使用,以便在即將到來的月球任務中發揮最大效用。

CubeRover 必須體積小且重量輕,能適應極端氣候變化,並且賦予探測車上的各種儀器最大的機動性。由於 Astrobotic 對輕量化設計、材料使用、電池尺寸和馬達選擇等方面尤其重視,CubeRover 因此成為迄今最輕的商業用行星探測車,重量僅約 4 公斤。如此也將顯著降低飛行成本,讓更多客戶能接觸到月球。 

CubeRover 配備了一架校正攝影機,用於在月球表面上借助已知物體來確定方位,例如借助 Astrobotic 的 Peregrine 登陸器。探測車任務團隊使用這些位置資料使所收集到的任務資料更具價值,從而讓酬載客戶能依據情報明智選擇下一步應前往何處,並在資料上標出當地的位置資訊。此外,Astrobotic 也根據 CubeRover 的酬載使用者指南在整台探測車上設置了標準介面,以簡化酬載整合過程。 

Astrobotic 與甘迺迪太空中心的顆粒力學與風化層實驗室持續進行測試,團隊在月球風化層模擬物上測試 CubeRover 的機動性。這些測試著重於探測車在行經斜坡、裂隙,以及在穿越任務中遇到其他不規則表面時的表現。

「CubeRover 基本上就是共享航班,任何想造訪月球的人都可以搭乘」

Troy Arbuckle 是 Astrobotic 行星機動部門的首席機械工程師,他表示:「我們為各種酬載應用打造了行動平臺。」CubeRover 基本上就是共享航班,任何想造訪月球的人都可以搭乘。CubeRover 採用與 CubeSat 類似的方式,以標準形狀要素的形式支援不同的儀器組。CubeRover 利用國際公認的 CubeSat 分級法來定義酬載體積和承載能力。該分級法採用可支承 1 kg 酬載的 10cm x 10 cm x 10cm 體積為一個單位(U)。Astrobotic 目前正在開發 2U、4U 和 6U 尺寸的 CubeRover,以符合市場酬載需求。

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maxon 無刷 DC flat 盤式馬達搭配行星式減速機經過特殊調整,為 CubeRover 提供高度可靠且持久的生命週期。 © maxon

CubeRover 的驅動系統採用 4 顆 maxon BLDC 馬達和減速機,並且都針對外太空和月球表面的嚴苛應用環境經過最佳化改良。這些以工業目錄同類產品為基礎的執行器,其太空版本原本是與 JPL 共同開發而成,屬於火星 2020 「毅力號」探測車任務的一部分。在成功通過火星設計認證之後,maxon 進一步改良設計和相關製造技術,以用於(相較於火星科學任務)對成本更敏感的商業太空應用。

目標在於保有所有關鍵設計特性,以確保在移除了火星 2020 任務的特殊設計特性之後,馬達仍保有能抵抗衝擊、振動、真空和大幅度溫度波動的特性。成果是:馬達與相應的減速機成為預定的太空標準產品目錄中的第一項。 

與設計同樣重要的是製造技術,採取了更先進的步驟來確保品質,並且也實施更廣泛的接收測試程序(ATP),例如每一個交貨的執行器都應接受 100% 負載測試。如此的縝密測試,成就了重量最佳化、功率密度高且堅固的馬達和減速機,能夠適應太空環條件並具有應用所需的可靠性。

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CubeSat 採用源自胰島素泵的驅動模組

CubeRover 設計中所包含的技術是基於 JPL 為其他任務所採用的科技。這便是 maxon 電動馬達和減速機也包含在設計內的原因之一。maxon 已為歐洲和美國太空總署的多項計劃效力,包括目前的火星探測車「毅力號」和「機智號」直升機。

maxon 也作為 Astrobotic 的啟始客戶,與其合作開發太空級 X 驅動系統。在這個案例中,源自 maxon 高規範醫療應用的設計一般被用於可攜式胰島素泵。其目標市場是數量不斷增加的 CubeSat 和與其相關的機械裝置。

在克服了設計方面的挑戰並依照 CubeRover 的最終目標做出了調整之後,Astrobotic 再次為人類的太空旅行科技寫下一篇獨一無二的寶貴篇章。利用專為太空科學任務所研發的設計來創造低成本但高度可靠的設計,他們有高度信心能開拓全新商業市場。maxon 很樂於與 Astrobotic 合作,成為該公司商業太空目錄新產品系列的第一個客戶,並且期待在 2022 年的首次飛行中取得圓滿成功。

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Author: Robin Phillips

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