深空探测车辆筛网轮牵引通过性研究

发布时间：2019-10-22 09:46

【摘要】：月球探测正在成为各国深空探测计划的重要组成部分,月球车作为月面探测的工具平台,在巡视勘测任务中起着重要作用。月球表面的特殊环境和探测车辆的自身特点如:月表为松软地面;月表重力加速度约为地球的1/6;探测车辆重量轻、尺寸小等原因导致探测车辆容易沉陷、打滑甚至不能前进。因此,深入研究月面环境下的探测车辆牵引通过性能,对于探测车辆的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。筛网轮具有网状胎面结构,可以避免尘土的堆积存留,具有结构轻便和转向阻力小等优点,被应用于月球和火星探测任务中。月面探测车辆的牵引性能是其通过性能的重要组成部分,但国内外关于筛网轮在松软地面通过性方面的研究还比较少。另外,限于设备条件,大多数的月球车单轮土槽试验研究是以地球重力加速度下的轮上载荷为试验条件,针对月面低重力的轻载荷条件下轮壤关系研究较少。因此,深入研究轻载荷条件下筛网轮与月壤的相互作用,对于提高和保障月球车在月面的通过性能、保证深空探测任务的顺利实施具有重要意义。针对月面低重力环境,基于地面力学理论方法,以模拟星壤性能测试整备和整车土槽试验整备方法研究为基础,开展的主要研究包括:研制轻型轮壤土槽试验系统,以JLU-2b型模拟月壤为试验介质,开展轻载荷条件下单轮承压特性和牵引通过性研究,建立修正的承压和沉陷模型;基于相似理论研制缩比模型样车,基于地面机器系统理论方法开展模型车牵引性能力学模型研究,建立轮壤相互作用的沉陷和挂钩牵引力预测模型;基于轮辙图像信息提取车轮滑转率和表观沉陷技术指标,分析不同滑转率条件下模拟月壤状态、轮上载荷对车轮实际沉陷和表观沉陷影响规律,建立低重力环境下实际沉陷预估模型;开展模拟月壤力学状态非参数化识别方法研究;基于模拟月壤力学特性估计成果,进行车轮沉陷的评估与验证分析,具体研究内容如下。模拟星壤的整备方法及其冲击特性研究。进行了模拟星壤性能测试整备和轮壤土槽试验整备方法研究。整备中以非参数化的密实度对模拟星壤进行分级,包括松散、自然、密实三种状态;得到了模拟星壤整备结果的容重和贯入阻力评估方法。容重评估方法中,容重测量相对误差不超过3.4%。贯入阻力评估方法中,模拟月壤松散状态、自然状态和密实状态模拟月壤贯入阻力最大值分别约为300kpa、600kpa和1500kpa,相对误差不超过10%,试验中模拟月壤包含了真实月壤圆锥指数上下限,整备后的模拟月壤可以用于相关土槽试验研究。基于模拟星壤整备工艺,以戈壁砂壤、石英砂、jlu-1b和jlu-2b型模拟月壤、jlumars-1型模拟火星壤、tj-1型模拟月壤为试验对象,进行六种试验介质自然和密实状态下冲击特性试验。对比分析不同试验介质及其状态下足垫冲击深度、加速度和冲击力,建立了冲击深度关于冲击高度和足垫直径的模型。轻载荷条件下筛网轮通过性能研究。分析了准静态条件下筛网轮承压特性曲线,发现筛网轮沉陷较普通圆柱轮的大,最大静沉陷平均提高了15.2%,试验土壤的颗粒大小、形态及分布对筛网轮承压曲线影响明显;建立了修正的承压模型,进一步推导了筛网轮的修正静沉陷模型。对承压模型进行验证,总体相对误差不超过13.6%。分析了筛网轮沉陷特性,松散状态下筛网轮沉陷较自然状态平均提高了15.4%。筛网轮沉陷随载荷增加而增加,沉陷平均增加率为15.2%;建立了沉陷与轮上载荷和行驶速度的二元线性方程。分析了筛网轮牵引特性,模拟月壤状态对筛网轮驱动扭矩的影响较圆柱的明显,随着模拟月壤由松散状态变为自然状态时,筛网轮驱动扭矩和挂钩牵引力分别平均提高了14.4%和16.7%;圆柱轮驱动扭矩和挂钩牵引力较筛网的大,分别平均提高了45.2%和32.3%;筛网轮牵引效率最大值0.29,对应的滑转率分别为21.2%,圆柱轮在滑转率为17.9%时,牵引效率达到最大值0.21;当滑转率达到60%时,筛网轮牵引效率低于0.13,为保证月球车具有较好的通过性能,车轮滑转率控制在20%左右较为安全。基于相似理论的模型车通过性研究。分析了不同试验介质下模型车沉陷行为和牵引特性。模型车在模拟月壤上行驶时,车轮沉陷和最大挂钩牵引力均较在石英砂上的大;基于地面力学理论,采用轮壤接触应力分布的线性化方法,建立了轮壤相互作用挂钩牵引力预测模型,试验值与模型预测值相对误差均值为8.6%;分析了行驶速度和坡度对模型车通过性影响规律,模型车各车轮滑转率随着坡度增加而增加,滑转率随坡度呈现二次关系,速度对滑转率影响明显较坡度的小,各车轮滑转率随速度的平均波动误差分别为9.0%(前轮)、8.9%(中间轮)和8.7%(后轮);模型车前轮和中间轮沉陷均随滑转率的增加而增加,且二者变化趋势基本保持一致,后轮沉陷则明显较前轮和中间轮的小,沉陷最大值为13.6mm(车轮半径的18.1%);当坡度为20°时,前轮和中间轮的滑转率达到65%,此时车轮扰动坡面模拟月壤出现滑坡现象,模型车的通过性变得较差,模型车可能进入危险工况;当坡度为25°时,前轮和中间轮沉陷分别为33.1mm(车轮半径的44.1%)和33.9mm(车轮半径的45.2%),滑转率接近90%,模型车在试验中的极限爬坡角度为25°,考虑到能量消耗以及安全的通过性能,模型车巡视坡度在20°以内较为安全。基于轮辙非接触测量的模型车沉陷行为研究。进行了不同滑转条件下模型车牵引通过性土槽沉陷试验,重点研究模型车后轮轮辙,基于轮辙形貌非接触测量,提取车轮滑转率和表观沉陷;分析了模拟月壤状态、载荷和滑转率对模型车前轮和后轮实际沉陷及表观沉陷的影响规律。结果表明,载荷因素对实际沉陷和表观沉陷的影响较模拟月壤状态的影响大;建立了模型车前轮实际沉陷关于载荷和滑转率的指数预估模型,及实际沉陷关于载荷和滑转率的二元二次预估模型,模型预测的沉陷均方根误差不超过2.4mm,平均相对误差在10%以内;建立了模型车前轮实际沉陷关于表观沉陷和滑转率的二元二次预估模型,及后轮实际沉陷关于表观沉陷的线性预估模型,预测值与试验值的均方根误差不超过2.1mm,平均相对误差在15%以内;分析了载荷、表观沉陷和滑转率估计误差对沉陷预估模型预测精度的影响。结果表明,载荷估计误差对模型预测精度影响较小,相对误差不超过9.9%;滑转率估计误差对模型预测精度影响在12.1%以内。模拟月壤力学特性和沉陷行为评估方法研究。分析了巡视器的移动分系统技术参数中对车轮实际沉陷影响最为明显的因素,包括表观沉陷、载荷和滑转率,提取出了20个二元及三元标识量,及其识别准则,利用标识量对模拟月壤力学状态非参数化识别,得到了基于遥测量的模拟月壤力学状态评估方法;分析了各标识量对模拟月壤力学状态识别正确率和保守率,得到模拟月壤力学状态识别的较优标识量和较优识别准则;验证评估结果表明,利用滑转率作为估计模拟月壤力学状态的标识量成功率不高,准确率只有50%,保守成功率仅67%;以轮上载荷及表观沉陷量作为标识量的识别效果最好,准确成功率为83%,保守成功率100%;分析了沉陷评估方法步骤,开展了模拟月壤沉陷行为评估方法研究,不同模型估计值与实际测量值偏差范围在-6.3mm~3.0mm,模型预测沉陷值与实际沉陷相对误差不超过18.5%,均方根误差不超过3.2mm,本研究所采用的沉陷模型和预估方法能够较好地对在轨当前区域的车轮沉陷量进行评估。本文建立了月壤/车轮沉陷模型,构建了月壤力学特性和沉陷行为评估方法,并成功应用于月壤参数辨识、深空探测车辆通过性预估,为面向低重力环境的深空探测车辆地面试验、性能评估以及对在轨巡视器的地面任务支持提供技术指导,具有重要意义。
【图文】：

圆锥指数,车辆性能,半经验法,土壤

（d）雪地无人车辆（e）沙漠越野车辆（f）星球探测车辆图 1.1 非常规地面车辆（1）纯经验法：以美国陆军工程部队水道试验站（Waterway Test Station，WES）的圆锥指数法为典型代表，这种方法一方面用观察和测量来鉴别土壤，另一方面在不同类型土壤上开展车辆性能试验，结合两组试验结果，推导出土壤特性与车辆性能之间的关系。纯经验法的优点是简单、快速、易行，目前在美、英、日等国仍被广泛采用，但是此方法很难把“圆锥指数”与土壤的力学特性建立起联系，要找出定量关系需要开展大量试验，且所得结果很难外推应用于试验范围以外的情况。这是因为该方法仅把车辆性能与圆锥指数相联系，过分简化了车辆行走机构与地面相互作用问题。因此，圆锥指数法仍存在较大局限性，只适用于试验车辆和类似车辆，不能用于精确预测新设计车辆的通过性能。（2）半经验法：半经验法以贝克（Bekker）研究工作为典型代表，，这种方法以典型土力学（如库伦、太沙基、兰金、普兰特的学说）为基础，通过大量的实验室模拟试验，提出一系列半经验的地面-车辆系统的工程模拟模型和计算公式。这种方法建立了地面-车辆相互作用问题的定量描述，基于土壤承压特性公

曲线,位移特性,剪切应力,曲线

第一章绪论库伦准则的剪切强度 τmax的表达式为maxtann c 分别为土壤内聚力和内摩擦角，σn为受力面法向应力，实验室通常由直接剪切试验、叶片剪切试验及三轴以平面应变或扭转方式破坏的土壤，适合采用直接剪合测定软粘土和壤土的剪切强度。由于可实现土壤各破坏可出现在任意平面，三轴试验被更为广泛地采用辆牵引力和滑转率，通过履带板剪切试验确定剪切应系。常见的两种剪切应力-位移特性曲线，如图 1.2 所如紧实砂土和冻结的雪地)，剪切特性曲线呈现最大剪表示为
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：V476.3

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