> 한국어 번역 — 원문: 马超, 孙京, 刘宾, 李新立, 张大伟, 姜生元, 季节.
> 《嫦娥探测器分段渐倾转移机构设计》. 航空学报(Acta Aeronautica et Astronautica Sinica), 2019, 40(10): 223014.
> doi: [10.7527/S1000-6893.2019.23014](https://doi.org/10.7527/S1000-6893.2019.23014) (영문 제목: *Design of rover transfer mechanism for Chang'e probe*)
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> 정리일: 2026-07-09 · 본 문서는 중국어 원문의 초록·본문·표·그림 설명·참고문헌을 한국어로 옮긴 번역문임.
탐사로버(巡视探测器) 이송기구(转移机构)는 지외(地外) 우주 공간 환경에서 탐사로버를 이송·방출하는 우주기구(空间机构)이다. 미국·구소련의 이송 임무와 달리, 중국 달 탐사공정(探月工程, CLEP) 2기에서 착륙선은 다리식 착륙완충기구(腿式着陆缓冲机构)를 채택하고 탐사로버는 착륙선 상면에 탑재되며, 이송 임무는 착륙선의 주변(周向) 방향으로 전개 거리가 길고 탐사로버 방출 높이도 커져 이송 난이도가 크게 증가한다. 탐사 임무를 원만히 완수하는 핵심은, 설계 단계에서 이송기구가 탐사 임무의 엄격한 공학적 제약과 설계 지표에 부합하는가, 그리고 실행 단계에서 불확실한 월면 환경에서도 높은 신뢰성으로 탐사로버를 이송할 수 있는가에 있다. 본 논문은 중국 달 탐사공정 2기 임무에서 창어 이송기구의 연구·설계 과정을 제시한다. 창어 탐사선 탐사로버 이송 시스템의 특징을 바탕으로, 이송기구의 구성·요구조건·설계 제약을 소개하고, 참여 연구진의 경험을 토대로 방안 선정·핵심 설계 포인트·공학 상태·검증을 기술하여, 향후 달 및 화성 탐사 임무의 관련 공학에 참고와 지원을 제공한다.
달 탐사 2기(探月二期) · 창어-3 · 창어-4 · 이송기구(转移机构) · 기구 설계 · 임무 검증
인류의 복지를 위하고 미지의 세계를 탐구하기 위해, 중국 항천(航天)은 유인우주비행·베이더우(北斗) 항법 등 주대 공정을 성공적으로 시행한 뒤, 달 탐사와 화성 탐사를 포함한 심우주 탐사 계획을 추가로 제안하였다. 현재 탐월 1기·2기 공정이 순조롭게 진행되었으며, 탐월 1기의 창어-1·창어-2 탐사선은 달 표면의 정밀 츬량을 성공적으로 달성하였고, 탐월 2기의 창어-3·창어-4 탐사선은 달의 근지면(近地面)과 원지면(远地面)의 연착륙 및 순시 탐사를 성공적으로 구현하였다. 향후 발사될 탐월 3기 창어-5 탐사선은 달 표층 및 심층 월토(月壤)의 채취·반환을 실현할 예정이며, 달 후속 임무(탐월 4기 공정) 및 화성 탐사 임무는 꾸준히 전개되어 달의 양극 지역과 화성 임무 구역의 착륙 및 과학 탐사, 달 수얼 탐사 및 화성 환경 연구에 중요한 의의를 갖는다.
그러나 항천 임무의 성공은 결코 쉽지 않으며, 이러한 비전을 뒷받침하는 각형 임무에는 관련 과학 문제 탐구뿐만 아니라 관건(难关) 성과와 연제(研制) 경험의 총결도 포함된다. 본 논문은 탐월 2기 공정에서 창어-3 및 창어-4 탐사로버의 착륙 방출 임무를 원활히 수행하기 위해 완전히 자주 설계·정형(定型)된 창어 분단 점진 경사(分段渐倾) 이송기구를 대상으로, 이송 임무 특징에 따라 탐사로버 이송 시스템의 구성·임무 요구조건·설계 제약을 총결하고, 참여 연구 경험을 결합하여 양산(样机) 선형 과정·핵심 설계·공학 상태 및 임무 검증 상황을 설명하여, 달 후속 임무 및 화성 탐사 임무의 후속 각형 탐사선 이송기구 설계 업무에 공학적 경험과 형호(型号) 지원을 제공하고자 한다.
달 탐사 2기 공정은 창어-3 및 창어-4 탐사선이 월면에 연착륙하고 탐사·순시(巡视勘查)를 실시하는 것을 목적으로 하며, 이는 중국이 지외천체에서 최초로 착륙 및 순시 임무를 수행하는 것이다. 창어-3 및 창어-4 탐사선 전체는 착륙탐사선(착륙선), 탐사로버(또는 "옥토호(玉兔号)" 월면차) 및 탐사로버 이송·방출기구(이송기구)를 포함한 기타 탑재 설비로 구성된다. 탐사선은 이송기구를 통해 탐사로버를 탑재 위치에서 월면으로 이송·방출한다. 따라서 탐사로버의 이송·방출 과정을 안전·신뢰성 있게 보장하는 것이 이송기구 설계의 중점이자, 2기 공정의 순시 탐사 임무를 원만히 완수할 수 있는지의 관건이다.
탐사로버가 착륙선 상에 실리는 방식 및 이송 형식에 따라, 이송기구는 접이식(折展式)·신축식(伸缩式)·평展式(平展式)·캐빈도어 전복식(舱门翻转式) 등으로 분류될 수 있다. 다양한 탑재 이송 방식 가운데 이송 거리가 다르고 이송 과정의 불확정 요소도 각기 다르며, 더욱이 착륙 구역의 월면 환경과 착륙선 자세의 불확실성 때문에 이송기구는 강한 월면 적응 능력과 높은 신뢰성을 갖추어야 하며, 이는 이송기구의 설계 및 검증 업무에 큰 도전을 제기한다. 따라서 엄격한 제약 하에서 가능한 한 작은 질량 대가로 강도·강성 및 이송 신뢰성 요구를 만족시키고, 특히 각종 미지 착륙 환경의 적응성 요구를 충족하는 것이 탐사로버 이송기구 설계의 난점이자 중점이다. 이송기구의 자주 연제는 중국 항천 임무에서 처음이며, 설계 인원은 2기 탐사선의 탐사로버 상면 탑재·이송기구 측벽 탑재라는 배치 방식에 맞춰, 창의적으로 접이식 분단 점진 변자유도 이송 방안을 제안하고 창어-3 및 창어-4 이송·방출 임무를 원만히 완수하였다.
2기 탐사선의 이송·방출 임무를 예로 들어, 이송기구가 이송·방출 임무를 수행하는 구체적 과정은 다음과 같다. 이송 과정은 탐사로버를 착륙선 설치 위치에서 월면까지 안전하게 운반하는 것이므로, 실행 대상에 따라 압축(压紧)·전개(展开)·이송(转移)·접지(触地) 등 단계로 나눌 수 있으며, 각 단계는 이송기구 시스템의 각 분시스템 기구가 완수한다.
구체적으로, 운송·발사 구간·지-월 이동 구간·월궤도 구간 및 동력 하강 구간에서 이송기구와 탐사로버는 압축·수납 상태이며, 둘은 각각 연결 장치를 통해 착륙선의 측벽과 상면에 설치된다. 착륙선이 월면에 안전히 착륙한 뒤, 이송기구는 잠금 해제되어 탐사로버를 월면으로 이송·방출할 준비를 한다. 이송·방출 과정에서 이송 현식 사다리(悬梯)가 전개되어 전개 완료 후 잠금되고, 탐사로버가 현식 사다리 위로 진입하며, 현식 사다리는 자체 강도·강성으로 탐사로버에 유효한 지지와 주행 통로를 제공한다. 이와 동시에 이송기구는 위자세 정보에 따라 진출(驶离) 과정을 모니터링하고, 이송 및 진출 과정에서 기구를 평온하게 유지하여 충격을 방지한다. 하강 및 진출 과정에서 현식 사다리와 탐사로버는 중력 및 완충해제기구의 작용으로 평온하게 하강하며, 현식 사다리 전단이 월면과 접촉한 후에는 이송기구가 자적응 설계를 통해 현재 월면 환경에 적응하고, 탐사로버가 현식 사다리를 내려와 진출한다. 탐사로버가 현식 사다리를 벗어나면 탐사 임무가 시작되고 이송·방출 임무가 종료된다.
> 표 1 1970–2019년 달·화성 탐사 이송 임무 상황
| 국가 | 탐사선 | 탐사로버 | 이송 방식 | 이송 높이(약)/m |
|---|---|---|---|---|
| 소련 | 루나(Luna)-17, Luna-21 | 루노호드(Lunokhod)-1, -2 | 이송기구 | 1.1 |
| 미국 | 아폴로(Apollo)-15, -16, -17 | LRV(달차, 巡行者)-1, -2, -3 | 우주비행사가 직접 내림 | 1.1 |
| 미국 | 화성 패스파인더(Mars Pathfinder) | 소저너(Sojourner) | 이송기구 | 0.6 |
| 미국 | MER(Mars Exploration Rovers) | 스피릿(Spirit), 오퍼튜니티(Opportunity) | 이송기구 | 0.5 |
| 미국 | MSL(Mars Science Laboratory) | 큐리오시티(Curiosity) | 하강단 하강 crane(下降级吊运) | 5.0 |
| 중국 | 창어-3, 창어-4 | 옥토호(玉兔号), 옥토-2호(玉兔二号) | 이송기구 | 2.2 |
이송기구는 특수한 적용 환경 때문에 지상 기구 설계와 많이 다르다. 아래에서는 창어 탐사선 이송기구가 발사 단계부터 이송 단계까지의 임무 상황에 따라, 우주기구 설계 경험을 결합하여 이송기구의 주요 설계 특징 및 제약 상황을 설명한다.
신뢰성은 항천기 설계에서 가장 중요한 평가 지표이다. 항천기는 우주 환경에서 유지보수가 어렵고, 고장 발생 시 복구 비용이 매우 높거나 복구가 불가능하기 때문이다. 우주기구는 종종 임무 요구에 따라 공간에서 동작 또는 운동을 생성해야 하며, 어떤 경우에는 전 임무 주기 동안 장기 운동을 유지해야 하므로, 고장 발생 가능성이 다른 구조·전기·전자 설비보다 훨씬 높다. 따라서 기구 작동의 높은 신뢰성을 보장하는 것이 이송기구 설계에서 우선적으로 고려해야 할 요소이다.
직렬(串联) 시스템의 신뢰도 정의에 따르면:
기구의 특성상 이송기구의 신뢰성은 주로 구조 부분과 기구 부분의 신뢰성에 의존하며, 기구 부분의 신뢰성은 기구의 각 활동 부품의 신뢰성에 의존한다. 따라서 이송기구를 성공/실패형 직렬 시스템으로 보면:
R = r_structure · r_hold-down · r_deploy-lock · r_release · r_damper · ...
창어 이송기구는 신뢰성 요구(설계 지표 ≥0.995)를 만족시키기 위해, 지상에서 임무 환경을 모사하여 기구에 포함된 구조·기구에 대한 신뢰도 시험 및 경험적 합산을 수행한 결과, 이송기구 시스템 신뢰도는 0.999 이상에 도달하여 신뢰성 요구를 만족함을 확인하였다.
이송기구가 처하는 환경은 지상 시험 환경·발사 환경·궤도 환경·착륙 환경 및 임무 환경 등으로 나눌 수 있다. 이송기구는 탐사선 발사 후 이송기구가 탐사로버 이송 임무를 완수할 때까지의 전 생애 주기 대부분을 지외 우주 환경에서내며, 우주 환경은 구조에 미치는 영향보다 기구에 미치는 영향이 훨씬 심각하다. 미세한 월진(月塵)과 큰 주야(晝夜) 온도 차를 동반한 월면 환경을 예로 들면, 혹독한 우주 환경은 월면 기구 자체의 동작 능력과 재료 성능뿐만 아니라 기구와 관련된 일련의 탑재 설비의 정상 운행에도 영향을 미쳐 임무 수행에 심각한 영향을 준다. 따라서 이송기구 설계 과정에서 기구의 우주 환경 적응 능력을 면밀히 주시해야 한다.
| 임무 단계 | 주요 환경 |
|---|---|
| 지상 발사 구간 | 지상 발사 하중 환경 |
| 지-월 비행 구간 | 진공·고저온·방사선·진동 |
| 자유낙하 구간 | 진공·월주(月昼) 온도·방사선·진동·충격·저중력 |
| 월면 작업 구간 | 진공·월주 온도·방사선·저중력·월진 |
| 월면 대기 구간 | 진공·주야 온도·방사선·저중력·월진 |
창어 이송기구는 적응성 요구를 만족시키기 위해, 지상 모사 임무 환경 하에서 진공 환경(압력 10⁻³ Pa), 월진 환경(입자 직경 20 μm~1 mm), 고저온 교변 환경(비행 −180~+120 ℃, 작업/대기 −140~+120 ℃), 전자기 복사 환경(복사량) 등 우주 환경에 대해 시험을 수행하여 이송기구가 우주 적응성 요구를 만족함을 보장하였다.
이송기구는 전개·방출 동작을 수행하는 변자유도 기구로, 안테나 지향 기구나 로봇팔 관절 기구 등과 달리 궤도에서 지속 동작할 필요는 없으며 이송 임무에서 한 번만 실행되지만, 지상 조립 및 시험 단계에서 반복적으로 여러 차례 시험해야 하므로 기구는 재사용 특성을 갖춰야 한다. 따라서 이송기구 임무 동작의 재현성에 설계 요구가 제시된다. 또한 2기 이송기구의 후속 형호에서는 이송기구의 재현성 특징을 이용해 착륙 구역 인근 월토 환경 감지·촉탐(触探) 작업을 수행하여 탑재 기구 일체화 설계 목적을 달성할 계획이며, 현재 창어-4 이송기구에서 일부 기능의 궤도 검증을 선행하였다.
창어 이송기구는 재현성 요구를 만족시키기 위해, 지상 모사 임무 환경 하에서 부품 및 단기 형식으로 모사 월면 중력·월진·고저온·진공·음향진동·전자기 복사 및 조합 환경에서 임무 동작을 수행하고, 착륙선 정기(整机) 및 탐사선 시스템급 합동 시험에서 잠금 해제·전개·이송·수납·잠금 등 이송 임무 전 주기 동작을 연속 수행하여 재현성 요구를 만족함을 보장하였다.
위성·우주정거장 등과 달리 임무 주기 동안 근지구 또는 행성역에 머무는 항천기와는 달리, 우주 탐사선(궤도선·반환선 제외)의 탐사선 본체(착륙선·탐사로버 및 이송기구)는 임무 주기 내내 탐사 천체 표면에 있다. 지상의 확정(确知) 환경 상태와 달리, 지외천체 표면의 환경은 전면적·적시적으로 확정되기 어렵다. 달 표면을 예로 들면, 탐월 1기에서 이미 월면 지형 데이터 및 임무 구역의 정확한 환경 정보를 구축하였으나, 월표 환경은 혹독하고 변화무쌍하여 지형 정보를 임무 진도에 적시 효과적으로 매칭할 수 없으며, 임무 구역 내에는 서로 다른 직경의 암석 및 밀도를 알 수 없는 함몰이 나타날 수 있다. 이송기구 말단이 암석에 닿거나 함몰에 빠지면, 이송 과정에서 탐사로버 양측 로커(rocker)에 높이차가 발생하여 탐사로버의 안전한 진출에 영향을 주거나, 심지어 측전(侧倾) 손상을 초래할 수 있다. 따라서 이송기구 설계 과정에서 착륙 구역 미확인 환경에 대한 기구의 적응 능력을 고려해야 한다.
창어 이송기구는 지상 모사 임무 환경 하에서 예정 착륙 지점 지형(경사각 ≤ 8°), 착륙선 자세(피치각), 현식 사다리 말단 암석 및 함몰 치수(포락 직경), 탐사로버 안전 이송 통로 범위 등 불확실 지형 환경에 대해 시험을 수행하여, 미확인 환경 적응 요구에 도달함을 보장하였다.
지상 기구와 달리 우주기구는 설계 초기부터 운반 플랫폼에의 적합성을 충분히 고려하여 적절한 플랫폼을 선택해 발사 임무를 수행해야 한다. 플랫폼 제한으로 인해 우주기구는 엄격한 부품급 치수·재료·질량 설계를 거쳐야 하며, 특히 발사 상태에서는 압축·수납되고 작동 상태에서는 잠금·해제·전개되는 실행 기구인 이송기구에 대해 관련 부품 설계에 더 높은 요구가 제시된다. 또한 기구 제품에는 일반적으로 전원과 전기 설비가 포함되어 기구 작동을 보조하는데, 예를 들어 이송기구에 설치된 구동 모터와 센서 소자 등을 고려할 때, 탑재 플랫폼이 우주 환경으로 제한되어 궤도 상태에서 탑재 설비에 공급할 수 있는 에너지가 제한적이므로, 이송기구 설계에서 공급원 유한성이라는 제약 조건도 충분히 고려해야 한다.
2기 탐사선은 창정(长征) 3호 을형(乙型) 운용로켓에 탑재 발사되며, 발사 능력(지-월 이동 궤도 투입 능력)은 약 3.8 t, 페어링(整流罩) 허용 공간(주변 포락)은 약 Φ3.2 m, 탐사선 전체 질량은 약 3.78 t(설계 지표), 이송기구 질량은 ≤18 kg(설계 지표)이며, 기구의 질량중심·관성 모멘트 및 전력 소비 특성이 규정 범위에 부합하여 탑재 요구를 만족한다. 또한 착륙 후 온도 및 조명 조건을 모사하여, 창어 이송기구는 지상 모사 임무 환경 하에서 기기상 에너지 전환·저장 및 분배 과정을 검증하여 임무 요구를 만족하면서도 공급 요구에 부합함을 보장하였다.
이송 과정의 제어 요구와 탐사로버 방출 진출 과정의 위치 결정 요구를 고려할 때, 이송기구에는 관련 전기·전자 설비를 설치해야 하므로, 이송기구 설계 과정에서 공급원 및 우주 환경 외에 기구 설계 인원은 기전(机电) 설계 인원과 협력하여 기구 설계에서 전기·전자 및 관련 회로의 설계 요구와 규격을 충분히 고려하고, 전기·전자 설비의 정상·신뢰적인 운행을 보장하여 이송기구의 기-전 설계 협동성을 실현해야 한다. 이송기구 설계 완료 후에는 지상 가전(加电) 시험을 통해 기전 설계의 가능성을 검증하며, 가전 시험 전 케이블 식별·묶음·배선·고정·연결·용접의 정확성, 모터·케이블·핵심 부품의 열제어 커버 정확성, 그리고 이송기구 동작 과정에서 케이블·커버와의 긁힘·간섭 등 상태를 확인하여 가전 후 이송 시험이 안전하게 진행되도록 한다.
창어 이송기구 단기 및 이송기구가 착륙선·탐사로버 두 기기와 함께 지상 모사 임무 환경 하에서 누적 가전 테스트 시간은 >330 h이며, 시험 기간 기구와 기기상 각 전자·전기 설비가 정상 작동하여 이송기구가 기전 협동 설계 요구를 만족함을 보장하였다.
항천기 및 탑재 유효 탑재 시스템이 처하는 임무 환경의 특수성 때문에, 통상적으로는 이론 해석 방법이나 우주 환경에서의 적용 방식으로 항천 제품의 유효성과 신뢰성을 검증할 수 없으므로, 지상 모사 시험이 항천기 및 탑재 유효 탑재 시스템을 검증하는 주요 방식이자 신뢰할 수 있는 수단이다. 지상 환경과 월면 환경의 큰 차이를 고려할 때, 이송기구 지상 모사 시험 환경 구축 및 지상 모사 환경에서의 이송기구 검증 방안 수립은 이송기구 설계 과정에서 해결해야 할 관건 문제이다.
2기 탐사선 지상 모사 시험을 예로 들면, 탐사선이 처하는 월면 환경 및 하중 조건이 비교적 혹독하여, 월면의 다양한 지형·지모(地貌)·지질 조건과 월진·고저온 등 환경 모사 기술 및 검증 난이도가 크다. 이를 위해 탐월 2기 공정에서 월면 모사 시험장을 구축하여 착륙 구역 임무 환경을 신뢰성 있게 모사하였다. 창어-3 및 창어-4 탐사선은 차례로 월면 모사 시험장에서 이송기구의 각 성능 지표와 이송 임무 상황을 지상 모사 검증하여 검증 가능성 요구를 만족하였다.
2기 착륙선은 다리식 착륙완충기구 및 탐사로버 상면 탑재 방식을 채택한다. 이송 임무 관점에서 보면, 다리식 완충기구의 포락 치수가 수평 이송 거리를 증가시키고, 상면 탑재 방식은 방출 높이를 더욱 증가시켜, 이송 임무 전 탐사로버의 지면 높이가 약 2 m에 달하여, 이는 이미 구소련 이송기구가 유지하던 최고 기구 이송 거리(1.1 m)를 훨씬 넘는다. 만약 기존의 경사로식 이송 방식을 적용한다면, 안전한 진출을 보장하면서 경사로 길이가 수 m 이상에 달하여, 단지 이 경사로의 탑재 설계에도 많은 불편이 따른다.
2기 탐사선 상황에 맞춰 창어 이송기구는 접이식 분단 점진(折展式分段渐倾) 이송 방안을 채택하고, 이 방안에 따라 세 가지 형태의 검증 양산을 설계하였다. 표 3은 창어 이송기구의 주요 설계 지표이다.
> 표 3 창어 이송기구 주요 설계 지표
| 설계 지표 | 지표 요구 |
|---|---|
| 이송 분시스템 신뢰도 | ≥0.995 |
| 이송 분시스템 총 질량/kg | ≤18 |
| 기구 수직 방출 높이/mm | ≥2 200 |
| 기구 주변(周向) 전개 거리/mm | ≥4 400 |
| 기구 지지 하중 능력/kg | ≥130 |
| 기구 수납 상태 종방향 기주파수/Hz | ≥60 |
| 기구 수납 상태 횡방향 기주파수/Hz | ≥35 |
| 기구 수납 상태 종방향 과재/g | ≥18 |
| 기구 수납 상태 횡방향 과재/g | ≥15 |
| 기구 수납 상태 전기(整器) 주변 포락 직경/mm | ≤3 650 |
| 방출 과정 탐사로버 안전 이송 통로/(°) 현식 사다리 말단 피치각 | ≤20 |
| 기구 적응 가능 지형 경사각/(°) | ≥9 |
| 기구 적응 가능 전기(整器) 피치각/(°) | ≥6 |
| 기구 적응 가능 장애물 포락 직경/mm | ≥200 |
방안 A는 내측 힌지 4절링크(内铰四连杆) 분단 점진 방안이다. 이 방안은 4절링크 기구 운동 원리를 기반으로, 이중 4절링크 진동 기구 설계 형식을 채택한다. 내측 힌지가 전개·잠금된 후 양측 링크와 함께 4절링크 기구를 구성한다. 이송기구는 이송 현식 사다리·압축해제기구·4절링크기구·완충해제기구·연결프레임 등으로 구성되며, 현식 사다리는 하중 및 안내(导向) 역할을 하고, 4절링크 및 연결프레임은 지지 및 회전 역할을 하며, 완충해제기구는 방출 제어 및 정지 역할을 한다. 완충해제 로프는 양단이 각각 완충 모터와 연결프레임에 연결되어 방출 조절 역할을 한다.
내측 힌지 4절링크 분단 점진 방안의 특징은 4절링크 기구를 채택하여 하중 능력이 강하고 기구가 단순하며 신뢰성이 높다는 점이지만, 링크 기구의 지형 적응 능력이 부족하다는 단점이 있다. 지상 양산 검증 결과, 적응 각도가 지표 요구보다 낮았으므로, 2단 접이에서 3단 접이로 현식 사다리 길이를 늘린 뒤, 방안은 착륙 구역과 수평면의 각도 ≤9°·착륙 후 탐사선 자세 변화 ≤6°·이송 통로가 20° 이내인 경우 지표 요구를 만족하였다.
방안 B는 동정 로프·폴리 분단 점진 방안이다. 이 방안은 로프·폴리 운동 원리를 기반으로, 동로프·폴리와 정(静) 로프·폴리를 결합한 설계 형식을 채택하여 양측 현식 사다리가 각자 독립적으로 지면에 밀착되는 운동 형식을 구현한다. 이송기구는 이송 현식 사다리·압축해제기구·동조 로프·폴리·완충해제기구·지지대(支撑杆) 등으로 구성되며, 현식 사다리는 하중 및 안내 역할을 하고, 동조 로프·폴리는 완충해제 로프를 통해 각각 완충 모터와 지지대 말단에 연결되어 방출 조절 역할을 하며, 지지대는 보조 지지 역할을 하고, 완충해제기구는 방출 제어 및 정지 역할을 한다.
동정 로프·폴리 분단 점진 방안의 특징은 불완전한 로프·폴리 구조를 채택하여, 방출 과정의 제어성이 좋고 착륙 자세·월면 환경에 대한 적응성이 강하며, 로프·폴리로 4절링크 기구를 대체한 후 기구 질량이 대폭 감소한다는 장점이 있다. 그러나 로프·폴리의 하중 능력 및 기구 신뢰성은 비교적 낮다. 지상 양산 검증 결과, 방안은 지표 요구를 만족하였으나, 시험 과정에서 4절링크 기구에 비해 로프·폴리 회전 시 종종 큰 초기 토크가 필요하여 각 로프·폴리 부위의 마찰에 의한 저항 토크를 균형시켜야 했다. 이후 부조(助推) 스프링을 추가하여 시동 토크를 향상시켰으나, 시스템 직렬 고리가 증가하여 시스템 신뢰도가 낮아졌다.
방안 C는 외측 힌지 4절링크 분단 점진 방안이다. 4절링크 기구 구조 형식이 단순하고 신뢰성이 높지만 월면 환경 적응성이 부족한 반면, 로프·폴리의 독립 밀착 설계 형식은 월면에 대한 적응성이 양호하므로, 방안 A의 4절링크 기구를 기반으로 방안 B의 로프·폴리 구성요소 독립 밀착 운동 사상을 결합하여 "전기(前期)에는 공동 견인(牵连), 후기에는 각자 밀착"하는 방안 C 이송 형식을 구현하였다. 이송기구는 이송 현식 사다리·압축해제기구·4절링크기구·완충해제기구·연결프레임 등으로 구성되며, 이중 4절링크 진동 기구 설계를 그대로 따르면서 외측 링크를 힌지 동측으로 내移시켰다. 이때 내측 현식 사다리와 양측 링크가 함께 4절링크 기구를 구성한다.
외측 힌지 4절링크 분단 점진 방안의 특징은 4절링크 기구 및 로프·폴리 방안의 이송 과정 장점을 겸비하여, 기구 신뢰성을 보장하는 전제에서 기구 적응성을 향상시켰다는 점이다. 그러나 링크를 뒤로 옮긴 설계로 인해 현식 사다리가 전개 후 현암(悬臂, cantilever) 상태가 되어, 수용력 및 하중 상황이 다소 저하되었다. 지상 양산 검증 결과, 2단 현식 사다리 조건에서 방안은 착륙 구역과 수평면의 각도 ≤9°·착륙 후 탐사선 자세 변화 ≤6°·이송 통로가 20° 이내인 경우 지표 요구를 만족하였다.
위 3가지 이송기구 방안 양산 성능의 비교 상황은 표 4와 같다. 표에서 기호 √는 해당 항목 비교에서 우수한 방안을 나타낸다. 비교를 통해, 방안 A는 구조가 단순하고 하중 능력이 강하지만 적응성 지표의 제약으로 3단 접이 이송 현식 사다리 설계를 채택하여 탑재 수납 치수 및 질량이 증가한다. 방안 B는 모터가 동조 로프·폴리를 구동하여 양측 현식 사다리를 당겨 독립적으로 지면에 밀착되도록 하여 착륙 자세·월면 환경 적응성이 강하고 방출 과정의 제어성이 우수하나, 시스템 신뢰성은 추가 논증이 필요하다. 방안 C는 기구 적응성이 강하고 신뢰성이 높으나, 링크 후移 설계로 현식 사다리 전개 후 하중 능력과 제어성이 각각 방안 A 및 방안 B에 비해 다소 저하된다. 설계 인원은 종합 비교한 뒤 방안 C를 창어 분단 점진 이송기구 정양(正样) 방안으로 선정하여 2기 탐사선에 탑재하고, 창어-3 및 창어-4 탐사로버 이송·방출 임무를 수행하였다.
> 표 4 이송기구 방안 비교
| 기구 성능 | 방안 A | 방안 B | 방안 C |
|---|---|---|---|
| 신뢰성 | √ | √ | |
| 기구 질량 | √ | √ | |
| 이송 과정 제어성 | √ | √ | |
| 현식 사다리 길이 | √ | ||
| 수납 상태 포락 공간 | √ | √ | |
| 방출 과정 탐사로버 이송 통로 | √ | √ | |
| 기구 자세 적응 능력 | √ | √ | |
| 기구 지형 적응 능력 | √ | √ | |
| 초기 시동 토크 | √ | √ | |
| 완충해제 로프 하중 | √ | ||
| 지지 하중 능력 | √ |
4.3절(정양 방안)에 따르면, 2기 탐사로버와 착륙선 두 기기 분리·방출의 임무 특징에 따라, 창어 탐사선에 탑재된 이송기구는 접이식 분단 점진 변자유도 기구의 설계 형식을 채택하였으며, 주로 이송 현식 사다리·접이식 힌지(折展铰链)·압축해제기구·링크 기구·완충해제기구 등으로 구성된다. 이러한 설계 형식은 이송기구가 이송 임무 과정에서 기구 전개 과정의 장애회피 설계·탐사로버 이송 과정의 제어 설계·진출 과정의 안정 설계·기기를 탑재한 채 접지 과정의 자적응 설계를 실현할 수 있게 하고, 동시에 이송 임무 과정에서 돌발 상황에 대한 정지 전략 등 관련 설계를 보장하여, 기구 설계 관점에서 이송 임무의 순조로운 진행을 보장한다. 본 절에서는 상기 창어 분단 점진 이송기구의 핵심 설계 고리를 설명한다.
접이식 이송기구의 전개 과정은 전체 이송 임무 성공의 관건이다. 이송기구는 전개 단계의 작업을 주로 압축해제기구와 이송 현식 사다리가 완수하며, 실행 과정은 다음과 같다. 압축해제기구가 이송 현식 사다리를 해제하면, 현식 사다리는 접이식 힌지 및 구동 모터의 공동 작용으로 전개되고, 전개 완료 후 잠금되어 탐사로버가 주행할 수 있는 통로를 형성한다. 이송 현식 사다리는 좌우 두 조각으로 서로 독립적인 현식 사다리로 구성되며, 각각 이송기구 기체 양측에 설치되어 탐사로버의 계획 바퀴 자취와 대응하여 탐사로버의 진출 경로를 공동으로 구성한다. 양측 현식 사다리가 독립적으로 전개되는 이 설계 형식은 이송기구가 전개 과정에서 탐사선의 다른 탑재 설비가 일으키는 간섭과 월면의 미확인 환경이 형성하는 장애에 비교적 잘 적응할 수 있도록 보장하여, 전개 과정의 순조로운 진행을 보장한다.
이송기구가 전개 동작을 완료하면, 탐사로버는 적절한 창 시간에 현식 사다리 위로 진입하여 이송 임무를 수행한다. 이송기구가 탐사로버를 이송하는 과정에서 임무의 순조로운 진행을 보장하기 위해, 기구가 이송·방출 과정의 제어 가능성을 갖추는 것이 매우 중요하다. 창어 이송기구의 이송 과정은 주로 링크 기구를 통해 구현되며, 작동 과정은 다음과 같다. 이송·방출 단계가 시작된 후 탐사로버가 전개 완료된 이송 현식 사다리 위로 진입하여 정차하면, 현식 사다리는 자체 강도·강성으로 탐사로버에 유효한 지지와 운행 궤도를 제공한다. 동시에 이송기구 완충해제기구의 모터가 작동하여 완충해제 로프를 통해 링크 기구를 천천히 해제하고, 현식 사다리와 탐사로버는 중력 및 완충해제기구의 공동 작용으로 평온하게 하강하며, 이송 과정에서 기구를 평온하게 유지하여 충격을 방지한다. 이송·방출 과정에서 이송기구 각변위 센서는 현식 사다리 하강 과정에서 이송기구의 회전각 값을 제공하며, 이송 과정에서 돌발 상황이 발생하거나 하강 과정의 각변위에 오차가 있으면 이송기구는 즉시 잠금(锁死)되어 기구 손상을 피하고, 이송 과정의 제어 가능성을 보장한다.
이송기구의 탐사 천체 표면 환경에 대한 적응 능력은 이송기구 설계 및 이송 임무의 안전한 실현 가능성을 평가하는 중요한 지표이다. 월면 착륙 구역의 미확인 지형 환경이 창어 탐사선 이송 임무에 미치는 영향을 고려하여, 이송기구의 접지 과정에 기구 자적응 설계 요구를 제시하였다. 창어 이송기구의 접지 단계 작업은 주로 이송 현식 사다리와 링크 기구가 수행하며, 둘은 연결 힌지로 연결된다. 실행 과정은 다음과 같다. 현식 사다리와 탐사로버가 중력 및 완충해제기구의 작용으로 월면으로 이송되는 과정에서, 이송 현식 사다리의 전단이 먼저 월면과 접촉하고, 접촉 충돌이 발생하면 전단의 하강이 멈추고 연결 힌지가 즉시 역방향으로 회전하여, 이송 현식 사다리의 후단은 계속 하강하여 월면 형상에 적응한다. 양측 현식 사다리가 각각 접지하여 현재 월면 환경에 적응한 후, 탐사로버는 정차 상태를 해제하고 현식 사다리를 내려가며, 이송 단계 임무가 종료된다.
탐월 1기 창어-1 및 창어-2 궤도 탐사선이 제공한 츬량 정보에 따르면, 월면 고지대와 충돈坑(撞击坑) 내부 경사는 일반적으로 8° 이상이고, 충돈坑 외부 경사는 일반적으로 4° 이하이다. 착륙 임무의 높은 신뢰성을 보장하기 위해, 2기 탐사선의 착륙 지점은 경사가 8° 이하인 평탄한 구역으로 선정되었다. 탐사선이 착륙 단계로 진입하면, 착륙선은 월면으로부터 약 3 m 높이에서 자유낙하하여 착륙완충기구가 충격 과재를 견디며, 이때 지지 다리가 불균등하게 압축·신장되어 착륙선 본체가 착륙 평면에 대해 6° 이내의 피치각을 형성한다. 창어 탐사선 이송기구는 상기 착륙 지점 환경과 착륙선 피치각에 맞춰 월면 환경에 적응하도록 설계되었으며, 착륙선과 탐사로버가 정방향 경사면 양(正) 피치·역방향 경사면 음(负) 피치 자세에서 이송기구가 접지·적응하는 과정을 고려하였다.
탐사로버가 이송 현식 사다리 위로 진입하기 전, 이송 현식 사다리는 전개 완료 후 잠금되며, 접이식 힌지를 잠금하면 현식 사다리는 기구에서 구조로 변하여 자유도가 감소하고 강성이 증가하여 탐사로버에 유효한 지지와 진출 통로를 제공한다. 이송기구가 접지 동작을 완료한 뒤, 탐사로버는 적절한 창 시간을 선택하여 이송 현식 사다리를 벗어나 이송 임무를 수행한다. 탐사로버가 현식 사다리 위로 진입·정차·진출하는 과정에서, 현식 사다리는 경량화 설계와 높은 강성 요구를 동시에 충족해야 하며, 진출 과정을 평온하게 유지하여 탐사로버가 측전(侧翻)하지 않도록 해야 한다. 특히 극한 경사각 상황에서도 탐사로버가 현식 사다리 가이드 레일을 따라 안전·평온하게 내려가도록 보장해야 한다.
관련 설계는 다음과 같다. 경량화 설계와 높은 강성 요구를 동시에 충족하기 위해, 이송 현식 사다리는 접이식 후 잠금되는 변자유도 설계를 채택하여 탐사로버의 주행 및 정차에 유효한 지지를 제공한다. 탐사로버가 이송 과정에서 현식 사다리에서 미끄러지지 않도록, 기어 맞물림(啮合) 원리를 이용하여 탐사로버 바퀴의 림(rim)과 톱니(轮齿) 특성에 기초하여 현식 사다리 궤도의 치면(齿面) 방정식을 수립하여, 탐사로버가 현식 사다리 위에서의 운동이 맞물림 운동이 되도록 하여 이송 과정의 안정성을 높였다. 또한 탐사로버가 현식 사다리 이송 과정에서 미끄러짐과 측방 이동이 발생하지 않도록, 현식 사다리 트레이(托板)에 위치 제한 장치를 설치하고 비대칭 현식 사다리 및 전단 블록(挡块) 설계를 통해, 극단적 착륙 자세에서도 탐사로버의 이송 안정성과 신뢰성을 보장하였다.
이송기구는 탐사선에 탑재되는 탑재 분시스템으로, 설계는 탐사선 전체 배치의 영향을 크게 받으며, 여기에는 착륙완충기구 설치 위치·탐사로버 설치 위치·착륙선 전체 높이 등이 포함된다. 구체적으로, 이송기구의 구조 형식은 주로 착륙선과 탐사로버의 연결 관계 설계, 즉 탐사로버가 착륙선 상의 설치 위치·포락 상태·고정 방식에 의존하며, 가장 핵심적인 요인은 이송 전 탐사로버의 지면 높이이다.
탐월 2기 공정의 기술 논증 과정에서, 국내 관련 설계 부서는 이미 다리식 착륙선의 초기 방안을 제안·확립하였다. 달 표면의 복잡한 환경 조건과 탐사로버·착륙선의 관련 구조 치수가 엄격하게 제한되므로, 이송기구는 부피와 중량이 작으면서도 강도·강성이 높고, 양호한 환경 적응성 및 착륙선 설비 환경과의 상용성을 갖춰야 한다. 이를 위해 설계 인원은 착륙선·탐사로버 두 기기가 이미 형성된 엄격한 설계 제약 하에서 이송기구의 구조·기구 및 재료를 설계하여, 이송기구가 두 기기의 설치·탑재·경질(轻质)·신뢰 등 관련 설계 요구에 도달하도록 하였다.
이송기구는 우주기구로서 기능 요구를 만족하는 동시에, 항천 임무의 우주 환경 적응 요구를 충족하여 발사·자세·궤도 기동·동력 하강·월면 착륙 및 월면 환경 등 일련의 혹독한 환경에서 정상 작동하고 이송 임무를 완수할 수 있어야 한다.
구체적으로, 우주 진공 환경과 달 표면 월진 환경에 대해서는 이송기구의 활동 부품에 방랭용(防冷焊) 설계·윤활 설계·방진 설계를 수행하였다. 우주 고저온 환경에 대해서는 이송기구에 열 방호 설계를 수행하고, 고저온 환경에서 이송기구 운동쌍(运动副) 재료의 선팽창 계수를 분석하여 적절한 간극을 선택하여, 고저온 교변 환경에서 기구가 고착(卡死)되지 않도록 하였다. 우주 전자기 복사 환경에 대해서는 이송기구 내의 전기 소자를 금속 외함으로 감싸고, 복사 시험을 통해 복사가 재료의 탄성·강도 및 기계 성능에 미치는 영향을 분석하여, 방복사 요구에 부합하는 외함을 설계하였다. 우주 입자 환경에 대해서는 이송기구 전기 시스템에 방호 설계를 수행하여, 우주 중이온(重离子) 및 양성자 효과가 전기 시스템에 미치는 영향, 특히 고에너지 입자가 전자 소자를 소손(烧损) 및 관통(击穿)시키는 효과를 방지하였다. 발사·변궤(变轨) 및 착륙 등의 혹독한 역학 환경에 대해서는 이송기구 부품 및 정기(整机)에 정역학 및 동역학 해석을 수행하고, 진동·충격 및 과재 등 역학 환경이 기구·구조에 미치는 영향을 고려하였다. 상기 이송기구의 각 설계는 지상 환경 시험을 통해 엄격하게 검증되어, 이송기구가 저항성 요구를 만족함을 보장하였다.
이송기구가 접지 동작을 완료하고 월면 환경에 적응한 뒤, 정지 위치 판정 기구가 작동하면 이송기구가 정지한다. 이송기구는 이후 지지 구조 및 센싱 설비로서 착륙선과 탐사로버에 계속 서비스한다. 이송기구의 정지 과정은 정지 위치 판정 기구(停止判位机构)에 의해 구현되며, 이 기구는 이송 임무 과정에서 기구 정지 기능을 제공하여, 이송 임무 종료 후 또는 기구 고장 시 기구 동작을 정지시켜 기구 및 탑재 설비의 안전을 보장한다. 정지 위치 판정 기구는 완충 모터·완충해제 로프·회전 위치 도달 스위치·완충해제 로프 이완 위치 스위치로 구성된다.
정지 위치 판정 기구의 작동 방식은 다음과 같다. 이송기구가 순조롭게 접지 동작을 완료하면, 이때 연결 힌지가 위치 제한 위치로 회전하여 회전 위치 도달 스위치가 트리거되고, 정지 위치 판정 기구가 작동하여 제어기에 정지 명령을 보내 이송기구를 정지시킨다. 이송기구가 동작 과정에서 고장이 발생하거나 연결 힌지가 고착되면, 이때 완충 모터가 계속 회전하여 완충해제 로프가 순간적으로 이완되고, 이완 위치 도달 스위치가 트리거되어 정지 위치 판정 기구가 작동하여 제어기에 긴급 정지 명령을 보내 이송기구를 적시에 정지시킨다. 이를 통해 고장 안전 처리를 지원하고 이송 임무의 계속 수행을 보장한다.
이송기구 설계의 합리성과 임무 수행의 신뢰성, 그리고 전 임무 주기 동안 이송기구와 기타 성상 기구 및 탑재 설비의 협동 성능을 검증하기 위해, 이송기구 설계와 동시에 기구 설계 및 임무 과정의 검증 가능성과 검증 방안 설계를 고려하여, 이송기구에 효과적인 지상 모사 시험을 구축해야 한다. 이를 위해 착륙 구역 월면 환경을 모사하기 위해 월면 모사 시험장을 구축하고, 서로 다른 경사·입자 크기·깊이의 사면·암석·함몰을 배치하여 미확인 환경을 모사하였다. 월면 중력 환경을 모사하기 위해 저중력 사면 시험 및 저중력 매달림(悬挂) 시험을 설계하여, 각각 이송 현식 사다리 및 이송기구 단기에 저중력 환경 모사를 제공하였다. 이송 임무 과정을 모사하기 위해, 이송기구와 모사 장치·탐사로버 단기·착륙선 정기 및 탐사선 시스템의 합동 시험 방안을 설계하였다. 상기 기구 임무 환경 설계는 이송기구의 지상 검증 업무를 효과적으로 지원하여, 궤도에서의 이송 임무가 순조롭게 진행되도록 보장하였다.
창어 이송기구 지상 검증에는 주로 다음이 포함된다.
또한 이송기구 지상 검증을 협조하기 위해, 착륙 모사 시험을 개展하여 착륙선 착륙완충기구의 불균등 압축·신장 및 월면 경사가 두 기기 자세에 미치는 영향을 모사하고, 순시 모사 시험을 개展하여 탐사로버가 이송기구를 벗어날 때 기구 관련 매개변수에 미치는 영향을 모사하는 등, 이송 임무와 관련된 지상 검증 내용을 수행하였다.
상기 탐사로버·착륙선 분리·방출 과정에서 창어-3 및 창어-4 이송기구는 예정 프로그램에 따라 각 단계 임무를 순조롭게 완수하였고, 각 항 기능·성능 지표는 설계 요구를 만족하여 탐사 임무의 순조로운 진행을 보장하였으며, 이송기구의 설계 및 적용에 유효한 검증과 궤도 경험을 제공하였다.
창어 이송기구 설계는 탐월 공정에서 중요하고 상징적인 의미를 지닌 중요 연발(研发) 업무이며, 중국의 자주적 혁신 설계와 공학 실천의 대표 사례이다. 본 논문은 그 설계 과정을 연구하였다.
Design of rover transfer mechanism for Chang'e probe
MA Chao¹,\*, SUN Jing¹, LIU Bin¹, LI Xinli¹, ZHANG Dawei¹, JIANG Shengyuan², JI Jie¹,²
¹ Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic Systems Technology and Applications, Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China
² State Key Laboratory for Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China
Abstract: The rover transfer mechanism is a space mechanism that transfers and releases the rover in the extraterrestrial space environment. Different from the former transfer tasks of the United States and the Soviet Union, in the second phase of the China’s Lunar Exploration Project (CLEP), the landing-leg buffer mechanism is used for the lander of the incorporates spacecraft and the rover is mounted on top of the lander. The transfer distance of the rover along the circumferential direction of the lander and the release height of the rover dramatically increase the difficulty of the transfer task. The keys to the completion of the exploration mission include the transfer mechanism meeting the strict engineering constraints and design indexes of the mission in the design phase and high reliability of transferring the rover in the uncertain lunar surface environment in the execution phase. This paper provides the research and design processes of the Chang'e transfer mechanism in the second stage mission of the CLEP. Based on the characteristics of the rover transfer system of the Chang'e probe, the compositions, requirements, and constraints of the design are introduced. In addition, drawing on the experience of the participants, the proposal selections, key design points, engineering status, and verifications of the transfer mechanism are described, providing reference and support for associated projects in the following Lunar and Mars exploration missions.
Keywords: Lunar Exploration Phase II; Chang'e-3; Chang'e-4; transfer mechanism; mechanism design; mission verification