月面探测车辆驱动轮牵引性能研究

发布时间：2020-07-07 16:47

【摘要】： 月面探测车辆是各种探测仪器的载体,其基本功能是具有在未知的复杂路面行走的能力,以满足科学探测考察的需要,由于月壤可通过能力差,且探测车辆要求工作可靠、重量轻、尺寸小。因此,深入研究在月面环境下的探测车辆牵引性能,对其性能评估及面向月球的高通过性行走机构研制具有重要意义。本文针对月面探测车辆驱动轮牵引性能的研究需要,以火山灰为主要原料制备了应用于月面-车辆力学试验用模拟月壤,研制了月壤-车轮土槽测试系统,设计了不同结构尺寸的被试轮。在此基础上,进行了月面探测车辆驱动轮牵引性能试验,分析了驱动轮下模拟月壤的剪切破坏形式,得出了不同结构参数和行驶条件下驱动轮的牵引性能。在土槽试验与车辆-地面力学研究成果基础上,建立了月面探测车辆驱动轮与月壤相互作用关系数学模型,通过压板试验和履带板试验确定了模拟月壤的地面力学相关参数,并利用自行编写的仿真程序对探测车辆驱动轮牵引性能进行了仿真分析。最后,本文使用颗粒流程序(PFC2D)细观分析了微重力条件下驱动轮与月壤相互作用关系,得出了驱动轮下月壤颗粒的运动轨迹、孔隙率变化、速度分布、接触力场等规律以及微重力条件下驱动轮的牵引性能。以上研究可为月面探测车辆行走系统设计、分析与验证、原理样机研制奠定基础。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：P184.58
【图文】：

原理样机,月球车,深空探测,设计院

设计上受到严格的技术条件约束，要求尺寸小、重量轻、工作可靠性高，并且所工作的环境为月球表面，这与地面车辆所工作的环境也有很大差别，如月球表面的重力为地球的 1/6，月表覆盖有松软的月壤，昼夜温差大且辐射强烈等因素，这些环境条件对探测车辆的行走和通过都会有一定影响[5，6，13]。另外，对于月面探测车辆，一般速度要求较低，越障能力要求较高，并可以在松软的地面上具有较高的通过能力，不能陷入月壤，从而失去行走能力，造成探测车辆不能正常工作，速度降低[80]。因此，深入研究在月面特殊环境下的月面探测车辆牵引性能，对于其性能评估及面向月球的高通过性行走机构研制具有重要意义。图 1-2 中的(a)、(b)、(c)分别为国外工作在松软行星路面上的深空探测车，由图可知，这三种探测车辆的驱动轮分别为刚性轮、筛网车轮和轮胎。图 1-2 中的(d)、(e)、(f)则为国内具有代表性的月面探测车辆原理样机，以及进行的相应野外和实验室通过性能试验，这三种探测车辆的驱动轮均为刚性轮。a 美国制造的索杰纳火星车 b 前苏联设计制造了第一辆月球车 c 美国月球车 1 号

室外试验,土槽,牵引性能

(4) 月面特殊环境的影响。探讨微重力、大温差、高真空、高辐射等条件对月面探测车辆通过性能的影响；(5) 探测车辆的行驶性和月壤的可通过性。包括探测车辆通过性能指标、月壤的变形与行驶阻力、载荷－剪切特性与影响因素、载荷－承压特性与影响因素、附着力的测试、牵引力的测试及计算、驱动轮滑转及其对探测车辆作业性能的影响。月面探测车辆在各种地表上进行的行驶阻力需要通过各种模拟环境进行测试，在没有具体参数的条件下，首先应参照现有理论与技术进行合理模拟试验。图 1-3 中的 a、b、c 和 d 为国外相关科研机构进行的不同探测车辆试验土槽；图 1-3 中的 e 和 f 为履带式行星探测车辆进行通过性能试验。a 日本空间技术研究院[90]b 德国空间模拟研究院[83]c NASA Glenn 研究中心[89]

车辆行走机构，保证和提高探测车辆正常工作的可靠性，具有重要和不可替代的意中月面车辆系统基础试验用月壤关系到试验的成功与否，这样在研究中便需要大量壤样品，但真正的月壤样品极其珍贵，因此模拟月壤研究对月面探测车辆牵引通过研究便至关重要。本章研究是以月壤样本与约翰逊空间中心的 JSC-1 模拟月壤（以称 JSC-1）的参数为参照，根据月壤物理机械性质的平均值和最佳估计值来模拟月矿物成分与化学组成与月壤相近的基础上，重点是模拟真实月壤的物理机械性质，该模拟月壤能够适用于月面探测车辆牵引性能土槽实验和其它科学和工程研究。.2 模拟月壤的原料与制备.2.1 原料吉林省境内辉南靖宇一带发育有众多大小不一的新生代火山，火山灰的主要元素与 Apollo14 登月点宇航员采集的月壤样品的平均化学组成相似，为低钛碱性橄榄玄。主要组成矿物为橄榄石、辉石、长石，并含有大量的火山玻璃[177，178]。火山灰产大，成份性能均匀稳定，基本上可以满足模拟月壤研究的需要。本研究以该处火山主要原料(图 2-1)进行模拟月壤研究。

【引证文献】