Актуаторы и гидравлика

TL;DR

  • Назначение: Приводы и механизмы роботов Gen-2
  • Теплоноситель: Натрий-Калий (NaK) вместо воды
  • Приводы: Циклоидные, direct-drive, тросовые, NaK гидравлика
  • Подшипники: MoS₂ журнальные втулки (местные) + импортные шарикоподшипники для моторов
  • Локализация: ~90% местное

Обзор

Актуаторы — это приводы роботов Gen-2, отвечающие за движение конечностей, суставов и манипуляторов. На Меркурии нельзя использовать обычные гидравлические системы на воде (вода замерзает и испаряется в вакууме), поэтому используются специальные жидкости и смазки.

Типы актуаторов

Гидравлические актуаторы (основные)

Параметр Значение
Рабочая жидкость Натрий-Калий (NaK)
Давление 200-300 бар
Температура −12°C … +400°C
Источник NaK Дистилляция

Преимущества NaK: - Жидкий в широком диапазоне температур (-12°C до +785°C) - Не кипит в вакууме при рабочих температурах - Производится из местного реголита (электролиз)

Недостатки: - Высокая химическая активность (реагирует с водой) - Требует герметичных контуров

Электрические актуаторы

Параметр Значение
Типы приводов Циклоидные, direct-drive, тросовые
Мощность 100-500 Вт
Локализация ~70% (обмотки Al, корпуса Fe — местные; NdFeB магниты — импорт)

Циклоидные приводы (колёса Крота-М, Краба-М, Кентавра-М, WAAM-роботы):

  • Эксцентрик + циклоидный диск + ролики-пальцы
  • Все детали: WAAM + шлифовка ±0.1 мм
  • Передаточное число до 87:1 (одноступенчатый), КПД 75-90%
  • 100% местное производство
  • Прецедент: Nabtesco — крупнейший производитель циклоидных приводов для роботов

Direct-drive (суставы Кентавра-М 1-4):

  • Высокомоментный мотор прямо на валу — без редуктора
  • Нулевой люфт, нулевое обслуживание редуктора
  • Импорт NdFeB магнитов ~1-2 кг/мотор
  • Прецедент: KUKA iiwa, Kollmorgen

Тросовые приводы (запястье Кентавра-М, суставы 5-6):

  • Мотор на корпусе робота, трос через шкивы к удалённому суставу
  • 100% местное производство (Fe/Al проволока)
  • Нет люфта при правильном натяжении

Сводная таблица приводов:

Робот Задача Привод
Крот-М колёса 1:20, высокий момент Циклоидный
Крот-М ковш Линейный, 50 кН NaK гидроцилиндр
Краб-М колёса 1:20, средний момент Циклоидный
Краб-М платформа Подъём 5 т NaK гидроцилиндр
Кентавр-М колёса 1:20, лёгкий Циклоидный
Кентавр-М суставы 1-4 Точность, 1:1 Direct-drive (NdFeB)
Кентавр-М запястье 5-6 Лёгкий, точный Тросовый привод

Земной аналог: Серийные интегрированные сервоприводы для гуманоидов уже производятся автоматизированно: EYOU (100K суставов/год, Шанхай, 2026). Базовая кинематика Кентавра-М аналогична 6-осевому манипулятору гуманоида. См. TRL оценка.

Гидравлическая система

Конструкция контура NaK

flowchart LR
    subgraph КОНТУР["ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КОНТУР"]
        PUMP["Насос<br/>NaK"]
        ACTUATOR["Актуатор<br/>(цилиндр)"]
        RADIATOR["Радиатор<br/>(охлаждение)"]
    end

    PUMP --> ACTUATOR
    ACTUATOR --> RADIATOR
    RADIATOR --> PUMP

    style КОНТУР fill:#d4edda

Компонент Материал Масса Источник
Насос Al корпус + Fe ротор 5 кг Местный
Трубки Нержавеющая сталь 3 кг Местный
Цилиндры (актуаторы) Сталь + Al 10 кг Местный
Радиатор Алюминий 2 кг Местный
ИТОГО — 20 кг 100% местное

Уплотнения гидравлики

NaK разъедает PTFE (тефлон) и все органические полимеры — стандартные гидравлические уплотнения неприменимы.

Металлические уплотнения O-FLEX (Technetics Group):

Параметр Значение
Давление вакуум … 500+ бар
Температура -273°C … +980°C
Материал Нержавеющая сталь / сплав 718, серебряное покрытие
Утечка 10⁻⁴ … 10⁻⁹ ст.см³/с (He)
Принцип Самоуплотнение — давление среды усиливает прижим

Совместимость с NaK: нерж. сталь 316 — 32 600 часов непрерывной работы (DTIC).

ЭМ-насосы для циркуляционного контура охлаждения — без движущихся частей и уплотнений. Прецедент: реактор SNAP-10A (1965), NaK циркуляция через ЭМ-насос (NASA NTRS).

Изготовление: WAAM корпус + шлифовка посадочных поверхностей. Металлические O-ring: пресс формовки (2 м², 5 кВт). Серебряное покрытие — импорт Ag (граммы на уплотнение).

Рабочие жидкости

Натрий-Калий (NaK)

Параметр Значение
Состав Na₂₂K₇₈ (22% Na, 78% K) — эвтектика
Диапазон жидкого состояния −12°C … +785°C
Плотность 0.87 г/см³
Вязкость 0.7 сП (при 100°C)
Применение Гидравлика, охлаждение, теплоноситель

Источник: Добывается из местного реголита методом электролиза.

Подробнее: Дистилляция

Теплоноситель для охлаждения

NaK используется не только в гидравлике, но и для охлаждения: - Солнечные панели роботов (Краб-М, Кентавр-М) - Электромоторы - Силовая электроника

Контур охлаждения: - NaK течёт через радиаторы, направленные в тень - Тепло отводится излучением в космос - Температура поддерживается на уровне +50-100°C

Тепловой режим NaK

Проблема: NaK замерзает при -12°C, но тень на Меркурии достигает -180°C.

Решения:

  • Роботы работают в терминаторной зоне (+50…+150°C) — NaK всегда жидкий
  • При работе: отходящее тепло моторов поддерживает NaK выше -12°C
  • В спящем режиме: электроподогрев 0.5 кВт (от кабеля или батареи) — автономность: Краб-М 100 ч (~4 дня), Кентавр-М 40 ч (~1.7 дня), Крот-М без ограничений (кабель)
  • Аварийная ситуация (полная потеря энергии в тени): NaK замерзает, но восстанавливается при нагреве без повреждений контура

Подшипники

MoS₂ журнальные втулки (низкоскоростные применения)

Дисульфид молибдена (MoS₂) — стандартная вакуумная смазка космических механизмов. Наносится магнетронным распылением, толщина покрытия 0.5-5 мкм.

Параметр Значение
Коэффициент трения в вакууме 0.03–0.06
Температурный диапазон -200°C … +1200°C
Допустимое PV (давление × скорость) 0.5–2.0 МПа·м/с
Ресурс покрытия 3-40 млн циклов

Применение по роботам:

Узел Обороты PV, МПа·м/с Статус
Колесо Краба/Крота 60 об/мин 0.05 Запас 40×
Сустав Кентавра качание ±45° <0.01 Запас 100×
Ролики, направляющие <30 об/мин <0.01 Запас 100×

Прецедент: Mars Perseverance — втулки GGB в системе бурения.

Шарикоподшипники (высокоскоростные валы)

Для электромоторов >1000 об/мин используются импортные шарикоподшипники из нерж. стали 440C:

Параметр Значение
Типоразмеры 6205/6207
Масса ~200 г/шт
Ресурс 20 000-100 000 часов (замена раз в 5-10 лет)
Импорт на весь парк (60 000 роботов) 0.8-1.6 т

Входят в состав «витаминов».

Прецедент: Mars Perseverance — шарикоподшипники Timken в приводах колёс.

Смазка (Трибология)

Критическое правило: Обычные масла испаряются в вакууме, поэтому используются специальные смазки.

Типы смазок по контурам

Контур Тип смазки Материал Источник
Внешний (вакуум) Сухая твёрдая Дисульфид молибдена (MoS₂) Импорт Mo с Земли
Внешний (вакуум) Мягкие металлы Свинец (Pb), алюминий (Al) Местный
Внутренний (купол) Вакуумные синтетические масла Перфторполиэфиры (PFPE) Импорт с Земли

Дисульфид молибдена (MoS₂)

Наносится магнетронным распылением (DC sputtering) на магнетронной станции.

Параметр Значение
Толщина покрытия 0.5–5 мкм
Расход Mo на 1 подшипник ~0.01–0.1 г
Расход Mo на весь парк/перепокрытие ~10-100 г
Импорт Mo <1 кг/год
Ресурс покрытия (60 об/мин) ~38 дней
Интервал перепокрытия 3-6 мес (тяжёлые), 6-12 мес (лёгкие)

Масштаб обслуживания (1000 роботов): ~25 000 подшипниковых узлов, ~70 операций перепокрытия в день, 10-13 Кентавров-М (~1% парка) на обслуживание.

Альтернатива TiS₂ (местное): Дисульфид титана — слоистая структура, аналогичная MoS₂. Ti (0.3% реголита) + S (до 4% реголита). Синтез: Ti + 2S → TiS₂ при 400-800°C. Статус: TRL 2, требуется экспериментальная проверка смазочных свойств.

Мягкие металлы (Pb, Al)

Применение: - Свинцовые втулки в шарнирах (Pb плавится при +327°C — достаточно мягкий) - Алюминиевые покрытия для нетребовательных узлов (μ = 0.3-0.5)

Источник: Местный (Pb — примеси в реголите, Al — основной материал).

Вакуумные масла (PFPE)

Применение: Внутренние механизмы под куполом (низкое давление 0.1 атм O₂)

Характеристики: - Низкое давление паров (<10⁻⁹ мбар) - Рециркуляция в замкнутых картерах (без потерь)

Проблема: Импорт с Земли (сложный синтез)

Производство актуаторов

Процесс

Этап Описание Оборудование
1. Изготовление цилиндра WAAM-печать стальной трубы Ø50 мм WAAM-ячейка
2. Шлифовка цилиндра Абразивная обработка внутренней поверхности Шлифовальная ячейка
3. Изготовление поршня WAAM-печать из Al WAAM-ячейка
4. Шлифовка поршня Абразивная доводка до ±0.1 мм Шлифовальная ячейка
5. Сборка актуатора Установка поршня, уплотнений O-FLEX Кентавр-М
6. Заливка NaK Вакуумная заливка NaK в контур Вакуумная камера
7. Герметизация Лазерная сварка Лазерная сварка
8. Тестирование Гидравлические испытания 500 бар Испытательный стенд

Время производства: 4 часа на 1 актуатор

Оборудование для критических компонентов

Помимо существующего WAAM + шлифовки, производство подшипников и уплотнений требует дополнительного оборудования:

# Оборудование Площадь Мощность Масса Зона
1 Магнетронная станция (MoS₂ напыление) 4 м² 10 кВт 200 кг Формовка
2 Пресс формовки O-ring + штампы 2 м² 5 кВт 100 кг Формовка
Итого 6 м² 15 кВт 300 кг

Циклоидные приводы, втулки и гидроцилиндры производятся на существующем WAAM + шлифовке (зона «Формовка», 200 м²).

Доля от купола Ф-Р: 6 м² = 0.4% площади, 15 кВт = 0.013% мощности.

Материальный баланс

На 5 роботов/день (средний робот 960 кг):

Компонент Масса на 5 роботов Источник
NaK (гидравлика) 100 кг Дистилляция
Сталь (цилиндры) 50 кг Железо
Алюминий (радиаторы) 20 кг Алюминий
MoS₂ смазка 0.5 кг Импорт Mo с Земли
PFPE масло 2 кг Импорт с Земли
NdFeB магниты (Кентавр-М) ~3 кг Импорт с Земли
Ag для O-ring ~0.05 кг Импорт с Земли
ИТОГО ~176 кг ~96% местное

Потребление из дневного производства: - NaK: 100 кг из ~5 т/день = ~2% - Fe: 50 кг из 18 т/день = 0.3% - Al: 20 кг из 42 т/день = 0.05%

Типовые актуаторы по роботам

Крот-М (экскаватор)

Актуатор Количество Тип Усилие
Привод колёс 6 Электрический + циклоидный 5 кВт
Привод ковша 2 Гидравлический 50 кН
Манипулятор 4 Гидравлический 10 кН

ИТОГО: 12 актуаторов, ~65 кг

Краб-М (логистика)

Актуатор Количество Тип Усилие
Привод колёс 6 Электрический + циклоидный 5 кВт
Подъёмник грузовой 2 Гидравлический 30 кН
Манипулятор 2 Гидравлический 5 кН

ИТОГО: 10 актуаторов, ~40 кг

Кентавр-М (манипуляция)

Актуатор Количество Тип Усилие
Привод колёс 4 Электрический 2 кВт
Манипулятор основной (суставы 1-4) 8 Direct-drive (NdFeB) 1 кН
Манипулятор точный (суставы 5-6) 4 Тросовый 0.1 кН

ИТОГО: 16 актуаторов, ~25 кг

Обслуживание

Операция Периодичность Исполнитель
Перепокрытие MoS₂ подшипников 3-6 месяцев Магнетронная станция + Кентавр-М
Проверка герметичности NaK 3 месяца Автоматика
Замена уплотнений O-FLEX 1 год Кентавр-М
Замена актуатора По факту Сборочный стапель

Срок службы: - Гидравлические актуаторы: 3-5 лет - Электрические актуаторы: 5-10 лет - Шарикоподшипники моторов: 5-10 лет - NaK (жидкость): бесконечно (рециркуляция)

Контроль качества

Параметр Метод Норма Действие при отклонении
Герметичность Вакуумный тест <10⁻⁶ мбар·л/с Переборка
Давление Гидравлические испытания 500 бар (2× рабочее) Отбраковка
Усилие Стендовые испытания ±5% от номинала Регулировка
Температура Термопары −12°C … +400°C Проверка NaK

Источники

См. также