论文摘要
月球探测现在已经成为世界航天活动的重要组成部分，月球车在月球探测中起着至关重要的作用。我国首个月球探测计划“嫦娥工程”的第二阶段“落”，即是发射月球探测车，在月球上进行实地勘察。月球探测车必须具备较高的通过性，才能满足科学探测的需要。月球表面被松软的月壤所覆盖，重力是地球的1/6，这种条件并不利于月球车的通过。为使月球车完成探测任务，应在车辆—地面力学的基础上，考虑月球的实际环境，通过试验方法、理论方法、数值仿真方法等手段对月球车轮与月壤间的相互作用进行研究、预测。这些工作能够为月球车的通过性研究提供必要的理论基础和试验手段。针对月球探测车驱动轮的行驶需要，研制了轻载荷（外载荷不大于100N）月壤—车轮土槽试验系统。使用吉林大学自行研制的JLU-2a模拟月壤，对四种具有代表性构型的月球探测车驱动轮进行通过性土槽试验，研究月球车驱动轮的通过性能。总结车辆—地面力学传统模型，分析承压特性参数的测量误差对沉陷量、滚动阻力误差的影响，修正沉陷量与驱动扭矩的计算模型并验证公式的正确性。讨论光滑圆柱刚性轮行驶时，轮下法向应力与切应力的变化情况与轮上绝对速度竖直向下一点的位置对车轮受力的影响。最后通过有限元法分析轮刺宽度、高度对驱动轮通过性能的作用。考虑月球车实际负载以及月面重力场，研制轻载荷月壤—车轮土槽测试系统。轻载荷月壤—车轮土槽测试系统由土槽机械系统与土槽测控系统两部分组成。土槽机械系统采用土槽固定、被试车轮运动的形式；土槽测控系统可以完成测取被试驱动轮的驱动扭矩、水平位移、垂直位移、转动速度、滑转率等基础参数以及对土槽中模拟月壤表面位置定位的任务。因为加载方式为轻载荷，系统中的各种结构都被尽量简化以及轻量化，最大限度地减少机构间的摩擦并使用小量程传感器。试验时，以沉陷量、驱动扭矩、挂钩牵引力、牵引效率为试验指标。根据月球探测车的实际行驶情况确定垂直载荷的变化范围为0～100N、滑转率的变化范围为0～60%、车轮行驶速度在0～50mm/s之间变化。确定JLU-2a为试验用模拟月壤，有自然和松软两种整备状态。使用四个不同构型的试验驱动轮。试验结果表明，模拟月壤被四种驱动轮破坏的形貌特点与驱动轮的结构形状有很大关系；对由系统自动采集的有刺圆柱轮的沉陷量、驱动扭矩、滑转率进行初步分析，由于轮刺的作用这三个量随位移的增加而呈周期性的变化。对轻载荷月球车驱动轮通过性试验进行分析。光滑轮的轮辙产生具有水纹状或鱼鳞状的辙纹，辙纹的高度、宽度、边缘的压溃程度随滑转率的增加而增加。有刺轮的轮辙深度随滑转率的增加而增加，辙纹表面的宽度减少，刺坑周围月壤被扰动、挑土的现象会更严重。四种试验驱动轮的沉陷量、驱动扭矩、挂钩牵引力均随滑转率的增加而增加，牵引效率随滑转率的增加先增大后降低。速度的变化范围在15mm/s～35mm/s之间时，四种试验驱动轮的沉陷量、驱动扭矩、挂钩牵引力受速度变化的影响甚微，牵引效率则受速度的影响明显；光滑圆柱轮与有刺圆柱轮的挂钩牵引力、有刺鼓形轮的驱动扭矩随速度的增大而增大；四种试验驱动轮的牵引效率、光滑鼓形轮的驱动扭矩随速度的增大而减小。垂直载荷在30N～90N之间变化时，四种试验驱动轮的沉陷量、挂钩牵引力、驱动扭矩随垂直载荷的增加而增加；有刺圆柱轮、光滑鼓形轮的牵引效率随垂直载荷的增加而减少；光滑圆柱轮的滑转率低于30%时，牵引效率随垂直载荷的增加而减少；有刺鼓形轮的牵引效率的最大值随垂直载荷的增加而降低。四种试验驱动轮在松软状态时的沉陷量要大于自然状态时的沉陷量；光滑圆柱轮、有刺圆柱轮在自然状态时的驱动扭矩、挂钩牵引力、牵引效率高于松软状态；光滑鼓形轮、有刺鼓形轮松软状态时的驱动扭矩、牵引效率高于自然状态；光滑鼓形轮、有刺鼓形轮自然状态时的挂钩牵引力高于松软状态。对于四种试验驱动轮，有刺轮的沉陷量低于光滑轮的沉陷量；有刺轮的驱动扭矩、挂钩牵引力、牵引效率高于光滑轮的相应参数。分析车辆—地面力学的传统公式，确定适合修正的力学模型物理量。针对适合修正的沉陷量、滚动阻力模型，研究承压特性参数的试验误差对沉陷量、滚动阻力误差的影响。在适合月球车工作的参数变化范围内，n对沉陷量误差的影响要大于k c、k，、的输入误差对沉陷量、滚动阻力误差的影响可以忽略不计。进行相关统计分析，沉陷量相对误差的百分比误差为16%，置信水平为90%；滚动阻力相对误差的百分比误差为8%，置信水平为96%。根据月球车轮的行驶特点对沉陷量、滚动阻力模型进行修正，修正时要考虑滑转方面的修正、力学参数试验误差引起的误差方面的修正，除此以外，鼓形轮要考虑轮型方面的修正，有刺轮要考虑轮刺效应方面的修正。根据分析以及试验结果，给出修正后的模型，将四种试验驱动轮的修正后模型计算值与试验值进行对比，沉陷量误差在1%～19.7%之间；滚动阻力误差在1.5%～19.9%之间。分析光滑圆柱轮与月壤之间的相互作用关系。光滑圆柱轮与模拟月壤接触部分的法向应力与切应力随变形指数、摩擦模量、轮径的增大而增大，内聚模量、轮宽对法向应力与切应力几乎没有影响，内聚力对切应力影响甚微，切应力随摩擦角的增大而增大。在接触角介于0与最大法向应力所对应的接触角之间时，法向应力、切应力随滑转率的增大而减小；在最大法向应力所对应的接触角与最大接触角之间，滑转率对法向应力没有影响，切应力随滑转率的增大而增大。法向应力与切应力随沉陷量的增大而增大且沉陷量对应力影响显著。刚性轮轮缘上绝对速度竖直向下的一点与月壤接触时，在这点以上部分，月壤会作用一部分推土阻力在轮上，而这一点以下部分，月壤会有一定的附加牵引力推动车轮。如果这一点不与月壤接触，月壤作用在轮上的推土阻力较小，同时会施加一定的牵引力在车轮上。这一点的位置v与滑转率有关，随滑转率的增大而增大。 vmin随速度与垂直载荷的增大而增大。在低速的条件下，与月壤接触的最小角度变化不大，在滑转率介于20%～30%之间出现。通过ABAQUS软件自带的Druker-Prager本构模型对模拟月壤进行建模，设定相应条件后，针对趋势相同的轻载荷月球车轮通过性试验进行相应的仿真分析。仿真后的轮辙以及相应指标同试验结果相近，可以有效地对月球车轮通过性试验进行仿真模拟。仿真分析三种具有不同尺寸的轮刺对月球车轮通过性能的影响。在轻载荷、低速条件下，轮刺宽度的变化对轮辙的形貌、沉陷量、挂钩牵引力、驱动扭矩影响较小。轮刺高度增大时，轮刺“刨土”的现象较为严重，沉陷量、挂钩牵引力增大且波动较大，但是驱动扭矩没有明显变化。本文研究内容可以为月球车驱动轮的通过性预测以及设计提供技术参考以及理论基础。