【摘要】：月球探測正在成為各國深空探測計劃的重要組成部分,月球車作為月面探測的工具平臺,在巡視勘測任務(wù)中起著重要作用。月球表面的特殊環(huán)境和探測車輛的自身特點如:月表為松軟地面;月表重力加速度約為地球的1/6;探測車輛重量輕、尺寸小等原因?qū)е绿綔y車輛容易沉陷、打滑甚至不能前進。因此,深入研究月面環(huán)境下的探測車輛牽引通過性能,對于探測車輛的性能評估及面向月球的高通過性行走機構(gòu)研制具有重要意義。篩網(wǎng)輪具有網(wǎng)狀胎面結(jié)構(gòu),可以避免塵土的堆積存留,具有結(jié)構(gòu)輕便和轉(zhuǎn)向阻力小等優(yōu)點,被應(yīng)用于月球和火星探測任務(wù)中。月面探測車輛的牽引性能是其通過性能的重要組成部分,但國內(nèi)外關(guān)于篩網(wǎng)輪在松軟地面通過性方面的研究還比較少。另外,限于設(shè)備條件,大多數(shù)的月球車單輪土槽試驗研究是以地球重力加速度下的輪上載荷為試驗條件,針對月面低重力的輕載荷條件下輪壤關(guān)系研究較少。因此,深入研究輕載荷條件下篩網(wǎng)輪與月壤的相互作用,對于提高和保障月球車在月面的通過性能、保證深空探測任務(wù)的順利實施具有重要意義。針對月面低重力環(huán)境,基于地面力學理論方法,以模擬星壤性能測試整備和整車土槽試驗整備方法研究為基礎(chǔ),開展的主要研究包括:研制輕型輪壤土槽試驗系統(tǒng),以JLU-2b型模擬月壤為試驗介質(zhì),開展輕載荷條件下單輪承壓特性和牽引通過性研究,建立修正的承壓和沉陷模型;基于相似理論研制縮比模型樣車,基于地面機器系統(tǒng)理論方法開展模型車牽引性能力學模型研究,建立輪壤相互作用的沉陷和掛鉤牽引力預(yù)測模型;基于輪轍圖像信息提取車輪滑轉(zhuǎn)率和表觀沉陷技術(shù)指標,分析不同滑轉(zhuǎn)率條件下模擬月壤狀態(tài)、輪上載荷對車輪實際沉陷和表觀沉陷影響規(guī)律,建立低重力環(huán)境下實際沉陷預(yù)估模型;開展模擬月壤力學狀態(tài)非參數(shù)化識別方法研究;基于模擬月壤力學特性估計成果,進行車輪沉陷的評估與驗證分析,具體研究內(nèi)容如下。模擬星壤的整備方法及其沖擊特性研究。進行了模擬星壤性能測試整備和輪壤土槽試驗整備方法研究。整備中以非參數(shù)化的密實度對模擬星壤進行分級,包括松散、自然、密實三種狀態(tài);得到了模擬星壤整備結(jié)果的容重和貫入阻力評估方法。容重評估方法中,容重測量相對誤差不超過3.4%。貫入阻力評估方法中,模擬月壤松散狀態(tài)、自然狀態(tài)和密實狀態(tài)模擬月壤貫入阻力最大值分別約為300kpa、600kpa和1500kpa,相對誤差不超過10%,試驗中模擬月壤包含了真實月壤圓錐指數(shù)上下限,整備后的模擬月壤可以用于相關(guān)土槽試驗研究。基于模擬星壤整備工藝,以戈壁砂壤、石英砂、jlu-1b和jlu-2b型模擬月壤、jlumars-1型模擬火星壤、tj-1型模擬月壤為試驗對象,進行六種試驗介質(zhì)自然和密實狀態(tài)下沖擊特性試驗。對比分析不同試驗介質(zhì)及其狀態(tài)下足墊沖擊深度、加速度和沖擊力,建立了沖擊深度關(guān)于沖擊高度和足墊直徑的模型。輕載荷條件下篩網(wǎng)輪通過性能研究。分析了準靜態(tài)條件下篩網(wǎng)輪承壓特性曲線,發(fā)現(xiàn)篩網(wǎng)輪沉陷較普通圓柱輪的大,最大靜沉陷平均提高了15.2%,試驗土壤的顆粒大小、形態(tài)及分布對篩網(wǎng)輪承壓曲線影響明顯;建立了修正的承壓模型,進一步推導了篩網(wǎng)輪的修正靜沉陷模型。對承壓模型進行驗證,總體相對誤差不超過13.6%。分析了篩網(wǎng)輪沉陷特性,松散狀態(tài)下篩網(wǎng)輪沉陷較自然狀態(tài)平均提高了15.4%。篩網(wǎng)輪沉陷隨載荷增加而增加,沉陷平均增加率為15.2%;建立了沉陷與輪上載荷和行駛速度的二元線性方程。分析了篩網(wǎng)輪牽引特性,模擬月壤狀態(tài)對篩網(wǎng)輪驅(qū)動扭矩的影響較圓柱的明顯,隨著模擬月壤由松散狀態(tài)變?yōu)樽匀粻顟B(tài)時,篩網(wǎng)輪驅(qū)動扭矩和掛鉤牽引力分別平均提高了14.4%和16.7%;圓柱輪驅(qū)動扭矩和掛鉤牽引力較篩網(wǎng)的大,分別平均提高了45.2%和32.3%;篩網(wǎng)輪牽引效率最大值0.29,對應(yīng)的滑轉(zhuǎn)率分別為21.2%,圓柱輪在滑轉(zhuǎn)率為17.9%時,牽引效率達到最大值0.21;當滑轉(zhuǎn)率達到60%時,篩網(wǎng)輪牽引效率低于0.13,為保證月球車具有較好的通過性能,車輪滑轉(zhuǎn)率控制在20%左右較為安全�；谙嗨评碚摰哪Ｐ蛙囃ㄟ^性研究。分析了不同試驗介質(zhì)下模型車沉陷行為和牽引特性。模型車在模擬月壤上行駛時,車輪沉陷和最大掛鉤牽引力均較在石英砂上的大;基于地面力學理論,采用輪壤接觸應(yīng)力分布的線性化方法,建立了輪壤相互作用掛鉤牽引力預(yù)測模型,試驗值與模型預(yù)測值相對誤差均值為8.6%;分析了行駛速度和坡度對模型車通過性影響規(guī)律,模型車各車輪滑轉(zhuǎn)率隨著坡度增加而增加,滑轉(zhuǎn)率隨坡度呈現(xiàn)二次關(guān)系,速度對滑轉(zhuǎn)率影響明顯較坡度的小,各車輪滑轉(zhuǎn)率隨速度的平均波動誤差分別為9.0%(前輪)、8.9%(中間輪)和8.7%(后輪);模型車前輪和中間輪沉陷均隨滑轉(zhuǎn)率的增加而增加,且二者變化趨勢基本保持一致,后輪沉陷則明顯較前輪和中間輪的小,沉陷最大值為13.6mm(車輪半徑的18.1%);當坡度為20°時,前輪和中間輪的滑轉(zhuǎn)率達到65%,此時車輪擾動坡面模擬月壤出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象,模型車的通過性變得較差,模型車可能進入危險工況;當坡度為25°時,前輪和中間輪沉陷分別為33.1mm(車輪半徑的44.1%)和33.9mm(車輪半徑的45.2%),滑轉(zhuǎn)率接近90%,模型車在試驗中的極限爬坡角度為25°,考慮到能量消耗以及安全的通過性能,模型車巡視坡度在20°以內(nèi)較為安全。基于輪轍非接觸測量的模型車沉陷行為研究。進行了不同滑轉(zhuǎn)條件下模型車牽引通過性土槽沉陷試驗,重點研究模型車后輪輪轍,基于輪轍形貌非接觸測量,提取車輪滑轉(zhuǎn)率和表觀沉陷;分析了模擬月壤狀態(tài)、載荷和滑轉(zhuǎn)率對模型車前輪和后輪實際沉陷及表觀沉陷的影響規(guī)律。結(jié)果表明,載荷因素對實際沉陷和表觀沉陷的影響較模擬月壤狀態(tài)的影響大;建立了模型車前輪實際沉陷關(guān)于載荷和滑轉(zhuǎn)率的指數(shù)預(yù)估模型,及實際沉陷關(guān)于載荷和滑轉(zhuǎn)率的二元二次預(yù)估模型,模型預(yù)測的沉陷均方根誤差不超過2.4mm,平均相對誤差在10%以內(nèi);建立了模型車前輪實際沉陷關(guān)于表觀沉陷和滑轉(zhuǎn)率的二元二次預(yù)估模型,及后輪實際沉陷關(guān)于表觀沉陷的線性預(yù)估模型,預(yù)測值與試驗值的均方根誤差不超過2.1mm,平均相對誤差在15%以內(nèi);分析了載荷、表觀沉陷和滑轉(zhuǎn)率估計誤差對沉陷預(yù)估模型預(yù)測精度的影響。結(jié)果表明,載荷估計誤差對模型預(yù)測精度影響較小,相對誤差不超過9.9%;滑轉(zhuǎn)率估計誤差對模型預(yù)測精度影響在12.1%以內(nèi)。模擬月壤力學特性和沉陷行為評估方法研究。分析了巡視器的移動分系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)中對車輪實際沉陷影響最為明顯的因素,包括表觀沉陷、載荷和滑轉(zhuǎn)率,提取出了20個二元及三元標識量,及其識別準則,利用標識量對模擬月壤力學狀態(tài)非參數(shù)化識別,得到了基于遙測量的模擬月壤力學狀態(tài)評估方法;分析了各標識量對模擬月壤力學狀態(tài)識別正確率和保守率,得到模擬月壤力學狀態(tài)識別的較優(yōu)標識量和較優(yōu)識別準則;驗證評估結(jié)果表明,利用滑轉(zhuǎn)率作為估計模擬月壤力學狀態(tài)的標識量成功率不高,準確率只有50%,保守成功率僅67%;以輪上載荷及表觀沉陷量作為標識量的識別效果最好,準確成功率為83%,保守成功率100%;分析了沉陷評估方法步驟,開展了模擬月壤沉陷行為評估方法研究,不同模型估計值與實際測量值偏差范圍在-6.3mm~3.0mm,模型預(yù)測沉陷值與實際沉陷相對誤差不超過18.5%,均方根誤差不超過3.2mm,本研究所采用的沉陷模型和預(yù)估方法能夠較好地對在軌當前區(qū)域的車輪沉陷量進行評估。本文建立了月壤/車輪沉陷模型,構(gòu)建了月壤力學特性和沉陷行為評估方法,并成功應(yīng)用于月壤參數(shù)辨識、深空探測車輛通過性預(yù)估,為面向低重力環(huán)境的深空探測車輛地面試驗、性能評估以及對在軌巡視器的地面任務(wù)支持提供技術(shù)指導,具有重要意義。
【圖文】：

（d）雪地無人車輛 （e）沙漠越野車輛 （f）星球探測車輛圖 1.1 非常規(guī)地面車輛（1）純經(jīng)驗法：以美國陸軍工程部隊水道試驗站（Waterway Test Station，WES）的圓錐指數(shù)法為典型代表，這種方法一方面用觀察和測量來鑒別土壤，另一方面在不同類型土壤上開展車輛性能試驗，結(jié)合兩組試驗結(jié)果，推導出土壤特性與車輛性能之間的關(guān)系。純經(jīng)驗法的優(yōu)點是簡單、快速、易行，目前在美、英、日等國仍被廣泛采用，但是此方法很難把“圓錐指數(shù)”與土壤的力學特性建立起聯(lián)系，要找出定量關(guān)系需要開展大量試驗，且所得結(jié)果很難外推應(yīng)用于試驗范圍以外的情況。這是因為該方法僅把車輛性能與圓錐指數(shù)相聯(lián)系，過分簡化了車輛行走機構(gòu)與地面相互作用問題。因此，圓錐指數(shù)法仍存在較大局限性，只適用于試驗車輛和類似車輛，不能用于精確預(yù)測新設(shè)計車輛的通過性能。（2）半經(jīng)驗法：半經(jīng)驗法以貝克（Bekker）研究工作為典型代表，，這種方法以典型土力學（如庫倫、太沙基、蘭金、普蘭特的學說）為基礎(chǔ)，通過大量的實驗室模擬試驗，提出一系列半經(jīng)驗的地面-車輛系統(tǒng)的工程模擬模型和計算公式。這種方法建立了地面-車輛相互作用問題的定量描述，基于土壤承壓特性公

第一章 緒論庫倫準則的剪切強度 τmax的表達式為maxtann c 分別為土壤內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，σn為受力面法向應(yīng)力，實驗室通常由直接剪切試驗、葉片剪切試驗及三軸以平面應(yīng)變或扭轉(zhuǎn)方式破壞的土壤，適合采用直接剪合測定軟粘土和壤土的剪切強度。由于可實現(xiàn)土壤各破壞可出現(xiàn)在任意平面，三軸試驗被更為廣泛地采用輛牽引力和滑轉(zhuǎn)率，通過履帶板剪切試驗確定剪切應(yīng)系。常見的兩種剪切應(yīng)力-位移特性曲線，如圖 1.2 所如緊實砂土和凍結(jié)的雪地)，剪切特性曲線呈現(xiàn)最大剪表示為
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：V476.3

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 鐘世英;凌道盛;吳曉君;陳云敏;;月壤巖土工程問題研究進展[J];浙江大學學報(工學版);2012年05期

2 梁磊;魏承;趙陽;;淺表層月壤鏟挖采樣的振動減阻技術(shù)仿真研究[J];航天器環(huán)境工程;2013年03期

3 黃雨;蔣馥鴻;;月壤工程地質(zhì)特性綜述[J];同濟大學學報(自然科學版);2013年09期

4 鄒猛;李建橋;賈陽;任露泉;李因武;;月壤靜力學特性的離散元模擬[J];吉林大學學報(工學版);2008年02期

5 鄒猛;劉國敏;李建橋;張金換;李因武;;微重力環(huán)境輪下月壤運動狀態(tài)細觀分析[J];交通運輸工程學報;2009年06期

6 楊艷靜;向樹紅;;模擬月壤力學性質(zhì)的試驗和仿真研究[J];航天器環(huán)境工程;2009年S1期

7 鄒猛;李建橋;劉國敏;張金換;李因武;;模擬月壤地面力學性質(zhì)試驗研究[J];巖土力學;2011年04期

8 鄭敏;蔣明鏡;申志福;;簡化接觸模型的月壤離散元數(shù)值分析[J];巖土力學;2011年S1期

9 李萌;高峰;孫鵬;崔瑩;;月壤力學參數(shù)反求及試驗驗證[J];北京航空航天大學學報;2011年09期

10 李麗華;唐輝明;劉數(shù)華;;月壤及模擬月壤微觀結(jié)構(gòu)的研究[J];巖土力學;2012年01期

相關(guān)會議論文 前10條

1 龐_g;鄧湘金;鄭燕紅;;面對月壤采集的自動鉆取機構(gòu)設(shè)計[A];中國宇航學會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會第八屆學術(shù)年會論文集（下篇）[C];2011年

2 譚強;李鵬;李云濤;郭志建;肖洪;吳淼;侯緒研;;吊夯式模擬月壤二次制備裝置的研制[A];中國宇航學會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會第九屆學術(shù)年會論文集（下冊）[C];2012年

3 陳斌;李建橋;李因武;彭劍波;;剛性輪在模擬月壤上牽引力的研究[A];走中國特色農(nóng)業(yè)機械化道路——中國農(nóng)業(yè)機械學會2008年學術(shù)年會論文集（上冊）[C];2008年

4 趙曾;孟煒杰;王國欣;李君;;鉆取式月壤采樣器力載試驗研究[A];中國宇航學會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會第九屆學術(shù)年會論文集（下冊）[C];2012年

5 楊帥;董禮港;殷參;孫京;王國欣;張鼐;;導軌擺臂式表層月壤采樣機構(gòu)的研究[A];中國宇航學會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會第九屆學術(shù)年會論文集（中冊）[C];2012年

6 史曉萌;譚強;楊學寧;陳化智;田野;郭宏偉;;基于螺旋輸送原理的多功能表層月壤采集裝置的設(shè)計研究[A];中國宇航學會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會第九屆學術(shù)年會論文集（下冊）[C];2012年

7 張喜鎮(zhèn);;用于月壤介電常數(shù)分布研究的射電天文觀測技術(shù)[A];第七屆全國空間化學與隕石學學術(shù)研討會論文集[C];2003年

8 譚松成;段隆臣;高輝;;重力環(huán)境對月壤三軸模擬試驗結(jié)果的影響分析[A];顆粒材料計算力學研究進展[C];2012年

9 宮頊;王清川;曾婷;李賀;李鵬;李晟誠;侯緒研;;月壤鉆取采樣參數(shù)測試平臺的研制[A];中國宇航學會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會第九屆學術(shù)年會論文集（下冊）[C];2012年

10 高興文;殷參;賴小明;喬飛;劉曉慶;王彩鳳;姜生元;;月壤鉆探取心機構(gòu)的多方案比較與分析[A];中國宇航學會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會第九屆學術(shù)年會論文集（下冊）[C];2012年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 郝哲;月壤厚度怎么測[N];人民日報;2007年

2 記者 袁于飛 通訊員 毛寧;我國模擬月壤研究達到世界領(lǐng)先水平[N];光明日報;2012年

3 記者　周芙蓉;中國將率先探測全月球月壤厚度[N];新華每日電訊;2006年

4 通訊員 毛寧 記者 陳瑜;我國成功研制第一代低重力模擬月壤[N];科技日報;2012年

5 展風;月球上的能源開發(fā)前景[N];中國經(jīng)濟導報;2007年

6 記者 韋玉芳;中國地大采集模擬月壤樣品[N];地質(zhì)勘查導報;2009年

7 張建松;月球氦3資源約有103萬噸[N];北京日報;2009年

8 記者 魏忠杰;月球廣泛存在重金屬[N];新華每日電訊;2004年

9 黃歆 何云江;探月計劃，估估月壤有多厚？[N];地質(zhì)勘查導報;2006年

10 鄒永廖;劉建忠;月球能源的聚寶盆[N];中國礦業(yè)報;2002年

相關(guān)博士學位論文 前10條

1 陳斌;基于模擬月壤的輪壤關(guān)系研究[D];吉林大學;2010年

2 田野;雙螺旋阻隔式月壤取芯鉆具設(shè)計及其性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

3 劉天喜;基于離散元法的月壤鉆取動力學研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

4 王麗麗;月球鉆取式采樣機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及可靠性分析[D];北京理工大學;2015年

5 崔金生;采樣鉆具與月壤作用熱力特性及溫度場預(yù)測研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

6 史曉萌;模擬月壤鉆進取芯力學建模及鉆進策略研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

7 黃晗;深空探測車輛篩網(wǎng)輪牽引通過性研究[D];吉林大學;2017年

8 孟治國;月壤參數(shù)的輻射傳輸模擬與查找反演技術(shù)研究[D];吉林大學;2008年

9 鄭永春;模擬月壤研制與月壤的微波輻射特性研究[D];中國科學院研究生院（地球化學研究所）;2005年

10 梁磊;淺層月壤鏟挖動力學建模及應(yīng)用研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2014年

相關(guān)碩士學位論文 前10條

1 范文峰;小重力環(huán)境下模擬月壤承壓特性試驗及月球車/月壤關(guān)系研究[D];吉林大學;2012年

2 馬亮;深層采樣全過程月壤樣品層理保持特性分析[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

3 王剛;月壤樣品軟袋多道異構(gòu)封口技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

4 樸松杰;蠕動掘進器月壤接力式運移負載特性分析及試驗研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

5 柏德恩;基于單刃切削模型的鉆具與月壤相互作用特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2014年

6 張偉偉;蠕動掘進式潛入器潛入特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2014年

7 鄭剛;真空環(huán)境下月壤顆粒受力影響因素及空間分布規(guī)律的研究[D];天津大學;2014年

8 崔小文;基于實測數(shù)據(jù)的月壤輻射和散射特性影響因素研究[D];華中科技大學;2015年

9 向小林;模擬月壤的物理特性參數(shù)測量關(guān)鍵技術(shù)研究[D];沈陽理工大學;2016年

10 戰(zhàn)慶欣;月面鉆進采樣過程鉆具熱特性實驗研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2014年

本文編號：2551592