2004年,我国正式启动“嫦娥工程”,这标志着我国正式开展对月球的探测活动,作为了解月球最直接的一种方法是将月球探测车送上月球,通过其在月面的实际行走和采集月表的土壤样品等勘探作业,获取其地形、地貌、矿产资源信息,因此以刚性轮为接地部件的月球探测车必须能够适应复杂的月球地形环境、具有良好越障通过性,以保证月球车探测车能够完成各种任务。
月球探测车通过各种地面和地形的能力包括支承通过性和越障通过性。支承通过性指在松软土壤上可靠行驶的性能,该性能取决于月球土壤性能;越障通过性指克服几何障碍(如垂直台阶、弹坑、壕沟)的性能,该性能与月球探测车的车轮结构密切相关。本文根据地面车辆力学的相关理论对刚性车轮与沙土相互作用的力学特性和试验方法进行了深入的分析和研究。
本文阐述了月壤的物理及力学特性,并在力学特性中引入了月壤的承压、剪切力学模型,同时进行了试验用土的剪切试验,测量了试验用土的内聚力、内摩擦角、含水量和孔隙比等参数。
参照地面车辆系统的研究方法,对月球车车轮进行了动力学分析,并建立了刚性轮在月面行驶时的挂钩牵引力模型,并得出了刚性轮的径宽比是影响其挂钩牵引力的重要因素。
对试验所需月球车车轮性能测试系统,机械结构及驱动电机及主要传感器进行设计及选择。利用该设备进行了试验分析,选用正交试验优化设计方法,考察径宽比、垂直载荷和水平速度对挂钩牵引力的影响。试验结果表明,影响挂钩牵引力的影响因素依次是:径宽比,水平速度,垂直载荷;刚性轮的挂钩牵引力随径宽比增加而增加;分析试验结果得到了刚性轮挂钩牵引力随各因素的变化规律。
利用有限元分析软件ANSYS,对刚性轮与沙土相互作用过程进行了三维有限元模拟分析。从接触应力和位移矢量等角度,进一步揭示了大径宽比的刚性轮具有较小的行驶阻力,从而为月球车通过性能的提高提供了设计依据和模拟试验方法。
