本文來自陌陌公眾號：中國工程院學報（ID：CAE-），選自《中國工程院學報》2020年第8期。作者：楊璐、蔡博文、張榮輝，李克寧，張子賢，雷杰浩，陳百超，王榮本，原標題：《月球車的輪子應該如何設計才能適應月球表面？》 》，題圖來自：視覺中國
在過去或未來的月球探測計劃中，地球車仍然是月球表面探測的關鍵。 月球表面夜間溫度可高達150°C，夜間低至-180°C。 巨大的溫差使得月球上成熟的輪子技術很難應用到地球表面。 由于地球飛行器空間有限，且月球表面地形復雜，輪系設計和優化的難度大大降低。 那么，地球車輪需要具備哪些特性呢？ 地球車的輪子應該如何設計才能適應月球表面？
中國工程院學報發表《月球車莖伸縮行走輪熱分析及性能優化》文章。 針對我國自主設計的地球車機械結構，提出并構造了一種新型莖伸縮行走輪。 建立了一個原理原型來優化其性能。 為了應對月球表面復雜的路況，文章強調，以最小化幀率為目標，在保證障礙物通過性的前提下，地球車輪子運動過程中的受力情況通過分析對輪子的性能進行優化，并基于數字仿真和綜合實驗方法，在實際實驗中驗證了新型輪子系統能夠達到按需拉伸閥桿、節省煤耗的療效。 事實上，這些新型行人通信系統設計方案可以為解決地球車輛在月球表面行駛時面臨的通行性和耗煤問題提供有益的參考。
一、簡介
地球探測相關計劃仍受到世界各國廣泛關注。 登陸地球是偵察計劃中最重要的任務之一。 過去有中國的嫦娥三號、日本的阿波羅13號。如今，世界各國將舉行新一輪探月計劃（中國2025年載人登月計劃；日本重啟阿波羅計劃）。 無論過去還是未來的探月計劃，地球飛行器都是月面探測的關鍵，需要在路況和環境非常復雜的月球表面運行。 其中，月球表面夜間溫度可達150℃，夜間可低至-180℃。 如此巨大的溫差使得月球上成熟的輪子技術很難應用到地球表面。
因此，土車車輪應具有以下特點：
(1)使土方車輛具有較高的牽引力和承載能力；
(2)土輪可以通過復雜地形和障礙物。
月球表面的巖石、隕石坑和斜坡不規則地分布。 而且，月壤的顆粒大小和甜度差異很大。 各國因此設計了多種車輪結構。 其中，已成功登陸地球的有3個：前南斯拉夫使用的彈性輪，英國阿波羅探月車（LRV）（圖1）和玉兔號均使用了類似結構的彈性屏輪（圖2）。 同時，在輪子結構上還有其他研究成果，如南京工程學院研制的圓柱輪、廣州民航航天研究院設計的抓斗智能變徑輪（圖3）。 它們對月球表面都有很強的適應能力。
圖1 阿波羅輕軌
圖2 玉兔
圖3 智能變徑輪
現有輪子設計中，彈性篩輪在負載較重時容易變形，圓錐、錐輪在受到沖擊時容易斷裂，智能對焊輪結構復雜、可靠性低、易損壞。 而且，此類輪子雖然越障能力較強，但其幀率控制較差，難以滿足未來探月的復雜要求。 為此，設計一種性能均衡的新穎車輪是非常有必要的。
為了滿足復雜的月面探測需求，本文提出了一種新型的輪系統。 該系統基于山東大學智能車輛課題組設計的莖桿式伸縮行走輪（圖4）。 它對地球軟土具有較高的適應性，本文選擇該模型作為原型。 新輪系統的主要優點是能夠根據甲板條件（例如甜度和坡度）和障礙物（例如軌距）手動調整莖展開寬度。
圖4 莖桿伸縮行走輪結構
對于帶莖的伸縮行走輪，輪莖越長意味著車輪通過性越好。 同時，隨著車輪阻力的減小，車輪能耗也會降低。 因此，理想的拉伸條件是秸稈能夠根據地形的需要進行拉伸，從而節省能源消耗。
本文基于以下目標設計了一種新型輪系，使土方車能夠根據需要控制煤耗并通過復雜路況：
(1)提出了一種新型的正負四邊形懸架土方車的桿伸縮行走輪；
(2)優化立桿伸縮行走輪設計參數；
(3) 在模擬月球沉積物環境中評估實驗模型；
(4)設計并測試了新型地球飛行器靶機。
本文余下部分安排如下：第二部分對新型輪系進行熱分析； 第三部分優化了莖伸縮行走輪的參數； 第四部分模擬地球沉積物環境對目標無人機進行評估； 第五節總結了本文并提出了一些未來可能的工作。
2、葉片伸縮行走輪熱分析
在對莖桿伸縮步行輪進行優化之前，本文首先根據地球表面的實際情況對新型輪系統進行熱分析，然后根據獲得的結果設定輪結構規格。 這里，新型輪系將基于山東大學智能車輛課題組提出的CJ-1（正負四邊形懸架土車）模型進行設計。
圖5中，L1=453.3mm，L2=191.65mm，L3=212.1mm，L4=218.72mm，L5=145.05mm，L6=431.86mm，L7=142.24mm，L8=342.6mm，L9=141.4mm，L10 =354.2mm，L11=400.1mm，L12=135mm，γ1=38.31°，γ2=41.76°，γ3=53.62°，γ4=68.29°，γ5=17.36°，γ6=44.9°，γ7=42.3°，a1 = 938.3毫米，a2=359.5毫米，a3=307.8毫米，a4=179.1毫米。
圖5 實驗模型各成員規格
根據CJ-1模型的結構規格，車輪直徑R設定為150mm，車輪質量設定為3.5kg，模型整體質量設定為120kg。 在地球重力場下，W1=W2=W3=5.7N車輪摩擦力受力分析，G=80.85N。
斜坡是月球表面常見的障礙物。 對于土方車輛必須通過的各種路況而言，下坡是最直觀、最有效反映車輪受力狀態的工況。 當土方車輛爬坡時，車輪上的受力可以達到最大參數，因此可以有效測試爬坡過程中車輪的牽引力。 在本文中，車輪的力分布以斜率 θs 表示（圖 6）。
圖6 系統在坡度θs下的受力分析
路面的支撐力Fv和車輪對地壓力P是相互排斥的力。 地面摩擦力Fp和傾斜阻力FRs也是相互排斥的力。 因此，如表1所示，可以得知土方車輛的坡度阻力和路面壓力。
表1 不同坡度θs條件下坡度阻力FRs與壓力P的關系
3 葉片伸縮行走輪優化參數的確定
新輪系設計的難點在于月球表面復雜的地面條件。 在地球表面，必須考慮不同粒度和厚度的不規則巖石、火山和地球沉積物。 由于普通輪胎的牽引能力不足以將地球車從甜土泥中拉出來，傳統車輪對月球表面環境的適應能力極差。 為了彌補普通輪胎的不足，本文提出了一種手動伸縮式把立結構。 首先分析了輪子與底泥之間的受力。
(1)輪子與底泥之間的受力分析
車輪受力可分為泥沙推力（ST）和泥沙阻力（SR）。 如果 ST 小于 SR，車輪將向前通信。 否則，車輪會空轉或靜止不動。 這里，SR包括四種阻力：泥沙壓實阻力（SCR）、土推土阻力（SBR）、土坡阻力（SSR）和泥沙阻力（SVR）。 下面對底泥推力和四種泥沙阻力進行詳細說明。
1、抗壓實性能
在輪子轉動的過程中，輪子垂直向上擠壓月壤。 此時，沉積物形成壓實阻力，防止自身變形。 壓實阻力FRc可表示為：
式中，z0為錐面下沉深度，z0=
kc為底泥的粘性撓度； kφ為底泥的摩擦撓度； n為底泥變形指數； b1是圓錐體的長度； D為圓錐體的半徑； P為車輪對底泥的壓力。
2、推土阻力
不僅垂直方向的阻力，而且車輪前進過程中的推力也會引起泥沙的變形。 這就是推土阻力 (SBR)。 車輪前方的底部泥漿呈波浪形變形車輪摩擦力受力分析，故推土阻力FRb可由式(2)表示：
在公式，
γs為堆積密度； c 為內聚力； φ為內摩擦角；
表2太沙吉負載系數
3、抗坡能力
當土方車輛爬坡時，坡面方向的重力會形成坡度阻力，可表示為：
式中，Wi為第i輪的重量； θs 是傾斜角。
4. 莖阻
在碾壓過程中，秸稈在垂直方向壓縮底泥，底泥會阻止垂直擠壓力，產生秸稈壓實阻力，即所謂的秸稈阻力。 莖桿阻力FRv可表示為：
式中，N為莖的數量； b是莖的長度； b2是莖的長度； S為滑板的轉動速率； hb 是莖的插入深度。 根據對地球沉積物的采樣分析，沉積物變形指數n一般等于1，因此車輪S的滑移率為n-1=0。 因此，莖桿阻力不受滑移率的影響。
5 沉積物推力
耦合器上的最大泥漿推力Fw可表示為：
式中，A為錐面與沉積物的接觸面積：
莖上的最大沉積物推力Fs可表示為：
式中，q為耦合器在月壤上的壓縮撓度，q=P/A； Nφ為泥沙流量值，Nφ=tan2(45°+φ/2)。 由式（1）至式（6）推導，車輪最大牽引力Fd可用式（7）表示：
(2)優化參數的確定
閥桿彈簧優化是本文的主要設計，閥桿彈簧優化可以有效提高系統的整體性能。 優化方法是以桿簧撓度k和彈簧初始扭力T0作為優化變量，使車輪能夠應對各種路況，同時降低煤耗。
其他優化參數包括：輪子在月壤上行駛時莖稈插入沉積物深度的最小值hb、輪子滾動阻力形成的扭矩Tf、支撐力Fv以及輪子的摩擦力Fp。車輪。 其中一些參數用作優化約束，而另一些則用作優化的輸入函數。 在估算上述參數時，主要基于以下路況的分析：泥沙通過性設置為高、中、低； 傾斜角度從 0° 變化到 30°。
通過估算月壤參數、車輪參數和車輪傾斜阻力FRs（表1），可以得到月壤不同通道和不同坡度下莖桿的最小插入深度hb。 然后將原來獲得的車輪壓力P（表1）和hb以及車輪阻力代入方程（1）、（2）和（4）來估算車輪滾動阻力。 將車輪阻力除以車輪直徑 R，即可得到由于車輪滾動阻力而產生的扭矩 Tf。 表3列出了與后輪相關的優化參數。
4.新型車輪的優化設計與試驗
如圖7所示，莖5（i=5）是輪子的頂部莖，也是直接與底部泥漿相互作用的莖。 為此，在下面的分析中將主要分析閥桿5的伸長率。 莖桿5的伸長量可表示為Lo5(θs=0)=Loi(i=5,θs=0)，其中Lo5的估計方法如A中所述。同時，莖桿彈簧優化的目標函數如下。
(1)高泥沙通過要求：Lo5(θs)≥hb(θs)，θs=0°、5°、...、30°。
(2)運行時電阻煤耗要求：最小值為Σ[Lo5(θs)?hb(θs)]。
圖7 閥桿彈簧位置示意圖
(1)閥桿彈簧設計優化
將上面得到的優化參數（包括Tf、Fp、Fv和hb）代入上面的目標函數，得到式（8）：
式中，i代表道路狀況，共有21種類型，由不同坡度（θs=0°、5°、10°、15°、20°、25°和30°）和泥沙組成特征（高、中、低）組成。 經過：
可以估計后輪桿的彈簧撓度k和初始力矩T0。
據此估計，k=0.112N·m·rad?1，T0=–0.038N·m。 這里，可以為后輪設計彈簧，以保證復雜地球環境下的通過性。 同時，還可以減少閥桿過度伸長造成的不必要的能量消耗。 中、后輪的設計和優化方式相同，本文不再贅述。
表3 后輪優化參數
(2)優化療效分析
在函數Lo5中，滾動阻力扭矩Tf和車輪摩擦力Fp總是作為一個整體呈現為Tf+R×Fp的關系。 因此，Tf+R×Fp可以看作一個變量，稱為滾動摩擦力Tv。 因此，初始函數Lo5中的三個變量可以用兩個變量Tv和Fv來表示。 為了分析優化后輪的力學性能，將k=0.112和T0=–0.038引入到函數Lo5(k, T0, Tf, Fp, Tv)中，hb、Tv和Fv之間的關系可表示為獲得。
圖8顯示了不同斜率（θs = 0°、5°、10°、15°、20°、25°和30°）下Lo5、Tv和Fv之間的關系。 可以看出，當Tv和Fv較小時，莖不會擴散。 當Tv和Fv達到一定值時，莖開始伸長，但隨著Tv和Fv的減小，莖進一步伸長。 在圖8中，不同的顏色代表不同的斜率，但它們并不匹配。 出現這種情況主要是由于車輪與坡面接觸點的變化造成的。
圖8 不同斜率下Lo5、Tv、Fv的關系圖
如圖。 圖9示出了延伸寬度Lo5和插入深度hb之間的關系。 插入深度 hb 有 21 個值。 可以看出，每一位值都沒有超出其對應的面，即hb≤Lo5。 這說明立桿伸縮行走輪可以順利通過21種路況。 據悉，這21個值中的最大值與相同顏色的相應表面接觸，表明車輪已經將煤炭消耗降到最低。
圖9 Lo5與hb的關系
采用同樣的優化方法，中輪彈簧撓度k=0.135N·m rad?1，初始力矩T0=–0.023N·m，前輪彈簧撓度k=0.218N·m rad?1，T0 =–0.128N·m。
(3) 莖桿伸縮式步輪靶機實驗
為了檢驗莖桿伸縮步行輪的實際性能和可靠性，課題組制作了同規格的莖桿伸縮步行輪靶機，安裝在地球飛行器樣機CJ-1上（圖10）。 模擬實驗在中國空間技術研究院月面模擬試驗場進行（圖11）。
圖10CJ-1實驗模型
圖11 真實月球表面環境模擬
測試過程中，地球車在月壤中正常行駛時，通常會減小莖桿的伸出寬度以保持適當的推力，如圖12（a）所示。 隨后用300N的水平力驅動輪子模擬月球表面阻力。 莖繼續伸長，而車輪牽引力減小。 此時，減小的牽引力可以抵消水平拉力，使目標無人機保持原來的速度，如圖12(b)所示。 當水平張力增大時，稈寬逐漸恢復，煤耗也隨之增大，如圖12（c）所示。
實驗結果表明，優化后的立管伸縮行走輪能夠根據地形減振情況控制立管的伸長量。 據悉，土方車通過復雜道路時，其煤炭消耗量可以得到控制。
圖12 閥桿實際伸長率
五、總結
本文提出了一種新型的立桿伸縮行走輪。 這些新型步行通信系統設計方案可以為解決地球車輛在月球表面行駛時面臨的通行性和耗煤問題提供有益的參考。 本研究的主要推論是通過數值模擬和模擬系統測試實現的。
首先，構建一個實驗原型來剖析現有的機械設計。 以CJ-1地球車為原型，針對地球復雜地形，提出了一種適應新型正反四邊形懸架的莖桿伸縮行走輪。 隨后，本文對車輪的靜態和動態熱力學進行了分析。 據悉，本文對立桿伸縮行走輪進行了參數分析，并進行了優化和仿真。 最后，通過在實驗室構建地球模擬環境來證明所提出的新型輪系統的有效性。
在未來的工作中，我們致力于完善更加真實、全面的模擬地球表面環境的試驗場。 比如添加更多類型的月壤，讓實驗能夠盡可能充分地模擬車輪在地球表面的實際行駛情況。 另一種可能的擴展是降低未來載人月球著陸器輪子的承載能力。 嫦娥工程是“國家重點工程”的重要組成部分。 該研究將為新型地球飛行器的設計提供參考。 我們也希望與世界各地的研究人員進行學術交流。