高性能星球車車輪研究進(jìn)展

王 康， 袁寶峰， 朱建中， 金敬福， 倪文成， 鄒 猛?

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部， 北京 100094； 2.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長春 130022）

1 引言

隨著中國嫦娥探月工程和天問火星探測(cè)任務(wù)的順利實(shí)施，載人月球探測(cè)和火星采樣返回將成為中國未來深空探測(cè)的重點(diǎn)。 輪式星球車作為深空探測(cè)的主要平臺(tái)和重要載體，其移動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)理論和技術(shù)的攻關(guān)非常關(guān)鍵。

月球表面覆蓋有一層松軟的月壤風(fēng)化層，且晝夜溫差高達(dá)300 ℃，太陽風(fēng)粒子輻射最高達(dá)380 mSv，氣壓幾乎為零；火星表面除覆蓋著一層松散的火星風(fēng)化層，還分布著各種不同地形，包括高原、山谷、沙丘和隕石坑，還有大約14%～20%的面積被各種大小的巖石所覆蓋，晝夜溫差140 ℃，氣壓不到地球大氣壓的1%。 星球惡劣的行駛環(huán)境對(duì)星球車的通過性能提出了更高的要求。

星球車車輪不僅要起到承載作用，還要為車輛提供足夠的驅(qū)動(dòng)力和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，適應(yīng)松軟的地形。 開發(fā)高性能的星球車車輪是移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是影響探測(cè)任務(wù)的難點(diǎn)。 目前星球車均采用輪式移動(dòng)系統(tǒng)，以金屬剛性車輪為主。 但隨著深空探測(cè)的發(fā)展，剛性輪逐漸不再適應(yīng)高性能星球車的發(fā)展趨勢(shì)。 金屬彈性車輪在高速、重載和大范圍運(yùn)行工況下，具有舒適性好、通過性高、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，并且具有全地形適應(yīng)性。 然而，彈性輪的開發(fā)除了受到星球環(huán)境、發(fā)射質(zhì)量和空間等限制外，彈性輪自身的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)也是車輪開發(fā)的難點(diǎn)。

本文面向未來月球車或火星車大范圍移動(dòng)需求，探討解決星球車彈性車輪的理論、設(shè)計(jì)、優(yōu)化、仿真及試驗(yàn)研究現(xiàn)狀，并提出中國高性能星球車車輪研究的建議。

2 研究現(xiàn)狀

迄今，人類已經(jīng)成功發(fā)射至月球和火星上的星球車共計(jì)13 輛，其中發(fā)射到月球的有7 輛：3輛美國的LRV（Lunar Roving Vehicle），2 輛蘇聯(lián)的Lunoknod 和2 輛中國的玉兔號(hào)月球車（Yutu）。發(fā)射到火星的有6 輛：其中5 輛由美國發(fā)射，分別是索杰納（Sojourner）、勇氣號(hào)（Spirit）、機(jī)遇號(hào)（Opportunity）、好奇號(hào)（Curiosity）和毅力號(hào)（Per?severance），另外1 輛是我國于2021 年5 月22 日成功到達(dá)火星表面開展巡視探測(cè)的祝融號(hào)火星車。

除了這13 輛星球車之外，美國還制造了一種兩輪無動(dòng)力推車MET（Modularized Equipment Transporter），用來運(yùn)輸Apollo 14 號(hào)上的設(shè)備和航天員收集的月壤樣本。 以上月球或火星車的移動(dòng)系統(tǒng)，均為輪式移動(dòng)系統(tǒng)。

2.1 月球車車輪

LRV 作為載人月球車，4 輪4 驅(qū)，滿載質(zhì)量為700 kg（車重為210 kg），最大速度為16 km／h，行駛里程28 km，見圖1（a）。 車輪為柔性編織輪（Flexible Wire Mesh Wheels），輪徑為0.82 m，輪寬為0.23 m，胎面由鍍鋅高碳鋼絲編織而成，通過鈦合金框架與鋁合金的輪轂相連，且車輪表面有人字形的鈦合金齒片，覆蓋面積達(dá)到50%，見圖1（b）。 LRV 車輪的柔性胎面能夠吸能減震，胎壁側(cè)偏剛度適中，通過性和舒適性優(yōu)異。 但是，車輪也具有一定的缺陷，比如編織輪面工藝復(fù)雜，強(qiáng)度低，壽命短，可靠性差，尤其是受到?jīng)_擊時(shí)胎面易破損。

圖1（c）所示的MET 無動(dòng)力推車，滿載時(shí)約為75 kg，速度最高可達(dá)4 km／h。 它的車輪由橡膠制成，由充滿氮?dú)獾膬?nèi)胎支撐，胎壓為10.3 kPa。 車輪直徑為0.406 m，寬為0.102 m，見圖1（d）。 充氣輪胎彈性好，運(yùn)行平穩(wěn)，但是在惡劣的月球環(huán)境下，橡膠易老化、開裂，甚至爆胎，所以后續(xù)沒有應(yīng)用到其它星球車上。

圖1 美國月球車及其車輪［8］Fig.1 Lunar rover and its wheels of USA［8］

Lunokhod－1 是第一臺(tái)成功登陸月球的無人探測(cè)車，8 輪，輪徑為0.51 m，輪寬為0.2 m，重為800 kg，最大速度為2 km／h，行駛了10.5 km，見圖2（a）。 Lunokhod－1 車輪為帶有履刺的篩網(wǎng)輪，輪轂和輪面采用輻條連接，見圖2（b）。 網(wǎng)狀輪面配合柔性輻條具有一定的減振功能，但是無法吸收較大振動(dòng)能量，因此僅適用于低速運(yùn)動(dòng)。 中國的玉兔號(hào)和玉兔二號(hào)月球車（圖2（c）），采用的是帶履刺的篩網(wǎng)輪，見圖2（d）。 該車輪質(zhì)量輕，進(jìn)入車輪內(nèi)的月壤顆粒易于從輪面漏出，避免月壤堆積，履刺結(jié)構(gòu)能夠提高牽引性能。 然而，篩網(wǎng)輪面強(qiáng)度低，彈性差，且易于變形。

圖2 無人月球車及篩網(wǎng)輪Fig.2 Unmanned lunar rovers and mesh wheels

2.2 火星車車輪

索杰納火星車是目前為止最小的星球車，質(zhì)量為11.5 kg，6 個(gè)車輪，首創(chuàng)了搖臂式懸架，輪徑為0.13 m，最大速度為0.4 m／s，僅行駛了100 m。索杰納采用剛性車輪，表面布滿釘齒結(jié)構(gòu)，以增大車輪的驅(qū)動(dòng)力。 車輪表面涂布有黑色的涂層，以增加耐磨性，見圖3（a）所示。 該車輪重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，輪面的釘齒可以增大車輪牽引力，車輪具有較好的越障和爬坡能力。 然而，由于釘齒的存在，車輪的平順性較差。

圖3 美國火星車及車輪Fig.3 Mars rover and its wheels of USA

機(jī)遇號(hào)（勇氣號(hào)）火星車，質(zhì)量為180 kg，6輪，輪徑為0.26 m，最高車速為1.8 km／h，共行駛了45.16 km。 該車輪采用輪履整體式結(jié)構(gòu)，如圖3（b）。 車輪主體采用鋁合金材料，螺旋式輪輻中間填充了具有彈性的泡沫，具有一定的減振功能，并且可防止沙礫進(jìn)入車輪內(nèi)部。 鼓形輪面有利于轉(zhuǎn)向，表面經(jīng)過熱處理以增加強(qiáng)度和耐磨性，輪面表面帶有溝槽式的輪刺，以增大車輪牽引力，勇氣號(hào)的車輪與機(jī)遇號(hào)相同。

好奇號(hào)質(zhì)量為899 kg，6 個(gè)車輪，輪徑為0.50 m，輪寬為0.40 m，輪面厚為0.75 mm，輪刺為V 形，高為7.5 mm。 好奇號(hào)車輪的輪面采用柔軟的陽極電鍍鋁，該材料有較好的減振性能；由鈦合金材料制成的彎曲輪輻，具有較好的吸能作用，提高了車輪的平順性和舒適性。 然而，由于輪面強(qiáng)度低、耐磨性能差，使得車輪在使用中出現(xiàn)了多處磨損和破洞，見圖3（c），導(dǎo)致后續(xù)探測(cè)難以長距離行駛。

毅力號(hào)火星車于2020 年7 月30 日發(fā)射，2021 年2 月19 日在火星杰澤羅隕坑（Jezero）著陸。 毅力號(hào)移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，充分繼承了好奇號(hào)，但由于好奇號(hào)車輪被火星尖銳石塊損壞，導(dǎo)致其移動(dòng)性能受限。 毅力號(hào)火星車設(shè)計(jì)時(shí)重新設(shè)計(jì)了車輪。 毅力號(hào)車輪相較于好奇號(hào)寬度變窄，直徑變大，輪面厚度變厚（為好奇號(hào)2 倍厚度）。 車輪由整塊航天級(jí)鋁合金洗削加工而成，輪輻材料為高強(qiáng)度鈦合金。 另外，毅力號(hào)車輪具有48 條直線型輪刺（好奇號(hào)為24 條V 形輪刺），可以減小應(yīng)力集中，提高其耐久性，如圖3（d）所示。

中國首次火星探測(cè)的祝融號(hào)火星車在搖臂懸架的基礎(chǔ)上，升級(jí)采用了主動(dòng)懸架技術(shù)，6 輪驅(qū)動(dòng)、6 輪轉(zhuǎn)向，懸架如圖4（a）所示。 車輪選用鋁基碳化硅材料，具有高比強(qiáng)度和比彈性模量、良好的耐磨損、耐疲勞與抗蠕變性、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 車輪直徑為300 mm，寬度為200 mm，20 個(gè)輪刺，最大速度為200 m／h，如圖4（b）所示。

圖4 祝融號(hào)火星車車輪Fig.4 Zhurong Mars rover and its wheels

3 星球車車輪最新研究

3.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

除了已成功發(fā)射的星球車車輪之外，國內(nèi)外開發(fā)了大量新型的星球車柔／彈性車輪，包括20世紀(jì)美國和蘇聯(lián)在探月過程中的嘗試。 主要是由于彈性輪的彈性變形，其平順性和穩(wěn)定性優(yōu)于剛性輪，更適合速度快、載荷重的星球車，如載人月球車。 但由于星球表面大溫差、高輻射、低重力和強(qiáng)輻射等苛刻條件，使得橡膠等地面廣泛使用的高分子材料難以在車輪設(shè)計(jì)中采用。 因此，現(xiàn)在星球車彈性車輪研究主要采用金屬材料，通過結(jié)構(gòu)和形態(tài)設(shè)計(jì)使其具有彈性，如LRV 的金屬彈性車輪。

NASA 和固特異（Goodyear）公司合作開發(fā)的一種新型彈簧輪胎，胎體由800 根彈簧編織而成，直徑為0.525 m，質(zhì)量為8.3 kg，最大載荷為736 N，如圖5（a）。 通過測(cè)試，該輪具有良好的通過性、耐久性和平順性，NASA 原計(jì)劃在Mars2020 上采用該輪胎，以解決好奇號(hào)車輪存在的耐久性差問題。

圖5 美國新一代星球車彈性輪Fig. 5 Next generation elastic wheels for the planetary rovers in USA

米其林（Michelin）公司基于TWEEL 技術(shù)（TWEEL 設(shè)計(jì)理念的核心是用簡單的外形完全替代傳統(tǒng)的充氣輪胎的壓縮空氣設(shè)計(jì)，見圖5（b）），開發(fā)出新一代月球車車輪，其效率是LRV的3.3 倍，如圖5（c）所示。 Clemson 大學(xué)和Milliken 公司共同開發(fā)了該車輪的胎面織物。 相比于其他車輪，該車輪在質(zhì)量、承載力方面具有較大優(yōu)勢(shì)，并且能維持恒定的接地壓力，確保月球車具有較高的通過性，NASA 將其用在新一代月球車全地形月球車ATHLETE。

Resilient 公司和威斯康星州大學(xué)麥迪遜分校聚合體工程學(xué)中心共同開發(fā)的仿蜂巢輪胎由六邊形結(jié)構(gòu)組成，見圖5（d）。 該車輪強(qiáng)度高，載荷分布均勻，平順性好。

ESA 為ExoMars 火星車設(shè)計(jì)了一款彈性車輪，車輪直徑為250 mm，寬度為100 mm，如圖6（a）所示。 該車輪為全金屬結(jié)構(gòu)，三排彈性輻條安裝在剛性輪轂上，并裝有緩沖裝置，以防止彈性輻條過度變形引起的滾動(dòng)阻力和能耗增加。此外，ESA 設(shè)計(jì)了另一種彈性車輪，該車輪輻條的形狀類似正弦曲線，如圖6（b）所示。

德國宇航中心DLR 開發(fā)了一種金屬彈性車輪，見圖6（c）所示。 該車輪直徑為400 mm，寬度為200 m，由彈性輪面、彈性輪輻、輪轂組成。 輪面上安裝輪刺以增大牽引力，內(nèi)外交錯(cuò)排列的彈性輪輻增大了車輪的彈性，車輪內(nèi)部有緩沖塊防止輪面過度變形。 瑞典呂勒奧理工大學(xué)設(shè)計(jì)了一種兼具旋轉(zhuǎn)剛度和徑向柔性的彈性車輪，如圖6（d）所示。

圖6 歐盟新一代星球車車輪Fig.6 Next generation planetary rover wheels in EU

圖7（a）為英國學(xué)者設(shè)計(jì)的一種離散輪面金屬彈性車輪。 車輪形狀可以改變以適應(yīng)不同的地形，從而提高驅(qū)動(dòng)性能，降低能耗。 英國薩里大學(xué)設(shè)計(jì)了一種彈性車輪，車輪的輪輻由螺旋形金屬片支撐，間隔的輪輻之間由輪面圓環(huán)連接，整個(gè)車輪具有良好的吸能和減振性能，如圖7（b）所示。

圖7 英國開發(fā)的彈性車輪Fig.7 The wheels for the planetary rovers in UK

俄羅斯研制的LRMC（Lunar Rover Mockup Chassis）裝備有4 個(gè)金屬彈性車輪，如圖8（a）所示。 該車輪由鈦合金材質(zhì)制成，單輪額定載荷為40 kg。 間隔的輪輻之間存在較大間隙，在車輛運(yùn)行過程中沙礫易進(jìn)入車輪內(nèi)部。 因此，該車輪不適用于砂礫的環(huán)境。 俄羅斯車輛研究所設(shè)計(jì)的另一種螺旋彈簧概念車輪，如圖8（b）所示。該車輪的輪輻由具有彈性的螺旋彈簧片組成，可以顯著提高車輪的吸能性能和平順性。

圖8 俄羅斯開發(fā)的彈性車輪Fig.8 The wheels for the planetary rovers in Russia

日本學(xué)者Kojiro 設(shè)計(jì)了一種彈性車輪，見圖9（a），該車輪的輪面為一個(gè)大圓環(huán)結(jié)構(gòu)，輪轂和輪面通過5 個(gè)小圓環(huán)輪輻連接。 日本東京工業(yè)大學(xué)研制一種可以展開的探測(cè)車車輪Tri?StarIV，如圖9（b）所示，車輪主要依靠螺旋的彈性輪輻輪吸能減振。 輪輻和輪面需要電機(jī)帶動(dòng)而實(shí)現(xiàn)展開，然后通過鎖止銷鎖定。 由于車輪的輪面是離散的，車輪的平順性較差。 從圖中可以看出，可展開車輪結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可靠性差，并且展開過程需要提供動(dòng)力。

圖9 日本設(shè)計(jì)的新型星球車車輪Fig.9 The wheels for the planetary rovers in Japan

加拿大麥吉爾大學(xué)（McGill University）研制了金屬薄壁管彈性車輪。 在輪面與輪轂之間，加裝了5 個(gè)薄壁圓筒，并在光滑輪面上，安裝有10個(gè)V 型輪刺，但由于采用的金屬板壁厚較大，車輪的變形小于輪徑的10%，如圖10（a）。 另外，麥吉爾大學(xué)還研制了另外一種柔性車輪，見圖10（b），該車輪的輪面由16 塊金屬板鉸接而成，輪輻為U 型金屬板，用于連接輪面和輪轂，通過在金屬板設(shè)置網(wǎng)孔進(jìn)行減重。 圖10（c）為加拿大空間局設(shè)計(jì)的一種一體式金屬彈性車輪。 印度ISRO 衛(wèi)星中心研制了一款正反螺旋彈簧車輪，并進(jìn)行了單輪土槽測(cè)試。 美國密西根州立大學(xué)利用仿生復(fù)合材料制造了一種負(fù)泊松比車輪，如圖10（d） 所示，并進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)。

圖10 新一代柔性巡視器車輪Fig.10 Next generation flexible wheels for planetary rovers

國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種由薄金屬片組成的彈性車輪，該車輪可以通過變形收縮以節(jié)省運(yùn)載空間。 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部和吉林大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)了面向載人登月的大尺寸金屬彈性車輪，如圖11 所示。 車輪直徑為1200 mm，寬度為500 mm，最大承載為7500 N，材料由高強(qiáng)度彈簧鋼經(jīng)熱處理加工而成。

圖11 大尺寸載人車車輪［38］Fig.11 Large?size wheels for manned lunar rover in China［38］

吉林大學(xué)研發(fā)了一款可伸縮葉片復(fù)式步行輪，能夠提高車輪在月壤上的通過性。 北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)了一種可變直徑的半步行輪，車輪直徑的改變通過調(diào)整彈簧片來實(shí)現(xiàn)。 以上研究仍處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，在理論和技術(shù)上仍需進(jìn)一步研究。

3.2 異形結(jié)構(gòu)

為解決巡視探測(cè)車輛的越野機(jī)動(dòng)性能，國內(nèi)外學(xué)者利用各種新技術(shù)和結(jié)構(gòu)對(duì)星球車移動(dòng)系統(tǒng)（車輪）進(jìn)行了探索。 通過模仿犰狳，日本大阪大學(xué)設(shè)計(jì)了一種輪／腿變換式機(jī)器人，在良好路面行走時(shí)，采用輪式結(jié)構(gòu)；在崎嶇地面行走時(shí)，機(jī)構(gòu)變化為腿式，見圖12（a）。 為提高機(jī)器人在沙漠的通過性，佐治亞理工學(xué)院Goldman 等設(shè)計(jì)了6 輪機(jī)器人Sandbots，該機(jī)器人借鑒了沙漠中蜥蜴運(yùn)動(dòng)方式，見圖12（b）。 凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的Dunker 等設(shè)計(jì)了一種具有凹面腳的輪腿式機(jī)器人，這種設(shè)計(jì)將機(jī)器人的重量分配于更大的表面積上，減少了機(jī)器人的沉陷，見圖12（c），薩里大學(xué)的Comin 等也進(jìn)行了類似研究。

2005 年開始，NASA 根據(jù)六足動(dòng)物運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，研制了全地形六腿行星探測(cè)車（ATHLETE），見圖12（d）。 該探測(cè)車采用輪腿結(jié)合方式，每個(gè)腿的末端都有一個(gè)車輪，車輪鎖止后可以用作腳，用于穿越松軟地形， 也可以用于攀爬陡峭的地形。 另外，NASA 對(duì)于柔／彈性車輪的研究始于Apollo 計(jì)劃，設(shè)計(jì)了多種薄壁彈性輪，見圖12（e）和仿生步行足等結(jié)構(gòu)，但由于性能不滿足載人月球車要求，都沒有應(yīng)用。 到目前為止，NASA 仍在研制小型無人巡視器和大型載人巡視器的彈性輪，并發(fā)展其設(shè)計(jì)理論和試驗(yàn)技術(shù)。

圖12 仿生輪與行走機(jī)構(gòu)Fig.12 Bionic wheels and running gear

3.3 其他車輪

目前，地面車輛主要使用橡膠充氣彈性車輪，但近些年為了提高充氣車輪的安全性，國內(nèi)外多家單位開始研制免充氣車輪。 除了米其林（Mich?elin）的Tweel 和Resilient 技術(shù)公司的仿生蜂巢車輪之外，還有一些免充氣彈性車輪的結(jié)構(gòu)，可借鑒用于星球車車輪研制。 如澳大利亞Big Tyre 公司研發(fā)的前后扇形輻板交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，如圖13（a）所示；日本普利司通公司采用高性能熱可塑性樹脂設(shè)計(jì)的交錯(cuò)輻射式結(jié)構(gòu)，見圖13（b）；韓泰輪胎公司由聚氨酯材料制成的不規(guī)則蜂巢結(jié)構(gòu)，如圖13（c）所示；美國Goodyear 設(shè)計(jì)制造的魚叉形結(jié)構(gòu)的非充氣式車輪，目前已經(jīng)投產(chǎn)使用，如圖13（d）所示。

圖13 新型免充氣輪胎Fig.13 New inflation?free wheels （tyre）

中國對(duì)非充氣車輪的研究也有所開展，如2014 年，北汽股份聯(lián)合馬正東團(tuán)隊(duì)研究出一種非充氣輪胎，如圖14（a）所示。 該輪胎將負(fù)泊松比單元組成受壓和受拉機(jī)構(gòu)，輪面覆蓋有橡膠材料，中間為剛性輪轂。 北京化工大學(xué)和山東玲瓏輪胎共同開發(fā)制造了一款非充氣新結(jié)構(gòu)彈性車輪，如圖14（b）所示，利用試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行了三向剛度、滾動(dòng)阻力等測(cè)試，結(jié)果表明該輪胎具有操控性好、阻力小等優(yōu)點(diǎn)。

圖14 國內(nèi)免充氣輪胎［53］Fig.14 New inflation?free wheels （tyre） in China［53］

4 發(fā)展趨勢(shì)與展望

4.1 發(fā)展趨勢(shì)

目前，移動(dòng)系統(tǒng)主要有輪式、履帶式和腿式3種，輪式移動(dòng)系統(tǒng)以其高效、平穩(wěn)、簡單的特點(diǎn)目前應(yīng)用最為廣泛，而腿式移動(dòng)系統(tǒng)的越障通過性能最為優(yōu)異，履帶式移動(dòng)系統(tǒng)的性能則介于兩者之間。 輪式探測(cè)器是目前和很長一段時(shí)間內(nèi)探測(cè)器的大方向，但在未來的發(fā)展中，巡視器和工程車輛的移動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)是輪式、履帶式和腿式并存和互補(bǔ)的格局。

現(xiàn)有星球車的車輪可分為剛性輪、柔性輪和彈性輪，材料以鋁合金等金屬材料為主。 由于剛性輪技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，承載能力強(qiáng)，在無人星球車上得到了廣泛應(yīng)用。 但是由于減振性能弱、平順性差等，限制了其大范圍移動(dòng)星球車上的應(yīng)用，而彈／柔性車輪可以很好地克服剛性輪的缺點(diǎn)。 但彈／柔性車輪的開發(fā)仍然存在諸多問題，如何開發(fā)出結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、通過性好的彈性車輪為未來研究的熱點(diǎn)。

為解決上述問題，需要研究適應(yīng)地外行星復(fù)雜表面環(huán)境的巡視器彈／柔性車輪，使整車滿足通過性、平順性和穩(wěn)定性要求。 現(xiàn)有研究主要集中在以下3 個(gè)方面：①材料上研發(fā)適合深空環(huán)境的復(fù)合材料或高分子材料，開發(fā)高強(qiáng)度金屬減振吸能材料，如記憶合金；②結(jié)構(gòu)上在車輪中增加彈性緩沖元件或采用薄壁結(jié)構(gòu)；③構(gòu)形上研發(fā)異形或可拓展結(jié)構(gòu)車輪。

這些方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，但在解決質(zhì)量－環(huán)境－材料－性能上還存在一定難度，特別是由于要具有彈性，車輪外壁一般采用薄壁結(jié)構(gòu)，從而使其承載能力和強(qiáng)度降低，并且耐磨性差，這也是現(xiàn)有巡視器彈性車輪存在的主要問題。 國內(nèi)各種彈性輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量較大，而國外研究多處于原理性試驗(yàn)階段且技術(shù)保密。 因此，提出一種創(chuàng)新的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的巡視器彈性輪設(shè)計(jì)理論和方法十分必要。

4.2 評(píng)價(jià)體系

高性能星球車車輪設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，直接關(guān)系到星球車移動(dòng)的各項(xiàng)性能，在設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮星球車對(duì)星表適應(yīng)性、探測(cè)機(jī)動(dòng)性、質(zhì)量尺寸約束等。 如無人巡視探測(cè)器一般尺寸和結(jié)構(gòu)偏小，探測(cè)速度較低，移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中更為關(guān)心車輛的通過性，從而在車輪設(shè)計(jì)過程中輪刺與接地壓力是2 個(gè)重要指標(biāo)，反而對(duì)車輪彈性要求較少。 而載人星球車由于有航天員參與駕駛，結(jié)構(gòu)和尺寸偏大，速度較快，因此，設(shè)計(jì)過程中更關(guān)心其平順性和安全性，這也就要求車輪具有較好的彈性。

但總體上，車輪設(shè)計(jì)需要考慮以下指標(biāo)：質(zhì)量、通過性、剛強(qiáng)度、平順性、環(huán)境適應(yīng)性、使用壽命、安全性。 在針對(duì)載人車車輪設(shè)計(jì)過程中，其權(quán)重建議如表1 所示。

表1 載人車車輪評(píng)價(jià)體系Table 1 Evaluation system for the wheels of manned planetary rovers

4.3 建議與展望

隨著著陸巡視探測(cè)和載人探測(cè)需求的增加，星球車車輪的發(fā)展必將是由剛性輪向彈性輪轉(zhuǎn)變。 另外，未來星球車的發(fā)展方向是高速、載人、重載、大范圍機(jī)動(dòng)和全地形適性，這些都對(duì)探測(cè)車輛的移動(dòng)系統(tǒng)特別是車輪提出了更高的要求。 中國要想在未來的深空探測(cè)和開發(fā)中具有領(lǐng)先位置，必須要在核心部件的研發(fā)上進(jìn)行創(chuàng)新。

解決彈性輪開發(fā)難題的根本是材料，但研發(fā)適應(yīng)深空環(huán)境的橡膠或彈性復(fù)合材料，周期長，經(jīng)費(fèi)高。 因此，國外在新型高性能車輪研究過程中，一方面采用新材料，另一方面主要采用金屬材料，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)車輪性能的提升。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要有以下2 種方法：

1）薄壁結(jié)構(gòu)。 利用金屬彈性實(shí)現(xiàn)連續(xù)的彈性變形，如圖15（a）所示彈性輪輻車輪，其輪輻和輪面設(shè)計(jì)為一體結(jié)構(gòu)，當(dāng)車輪受到壓力產(chǎn)生形變時(shí)，輪輻與輪面同時(shí)產(chǎn)生彈性形變，減少輪輻與輪面連接部位的應(yīng)力集中，且內(nèi)部有剛性支撐架，可以防止車輪過量形變。 該車輪結(jié)構(gòu)簡單、彈性變形可靠、性能穩(wěn)定，但需要考慮強(qiáng)度和壽命。

2）異形結(jié)構(gòu)。 如圖15（b）所示仿生步行金屬彈性輪。 該輪為仿生步行足設(shè)計(jì)，采用分段式彈性足和彈性輪輻結(jié)構(gòu)，具有較高的松軟路面通過性，但平順性需要優(yōu)化。 如果考慮月面低重力，松軟月壤以及月球車速度，這種設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足要求。但車輪的輪輻結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化，使其簡單可靠。

圖15 彈性輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.15 Design of elastic wheel structure

5 小結(jié)

本文綜述了月球車和火星車車輪的研究進(jìn)展。 彈性輪憑借優(yōu)異的減振性能，成為未來星球車車輪的發(fā)展趨勢(shì)，中國高性能星球車車輪的研究應(yīng)著眼于彈性輪新材料的開發(fā)以及彈性結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。