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計部， 北京 100094； 2.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室， 長春 130022）

1 引言

隨著中國嫦娥探月工程和天問火星探測任務的順利實施，載人月球探測和火星采樣返回將成為中國未來深空探測的重點。 輪式星球車作為深空探測的主要平臺和重要載體，其移動系統(tǒng)相關理論和技術的攻關非常關鍵。

月球表面覆蓋有一層松軟的月壤風化層，且晝夜溫差高達300 ℃，太陽風粒子輻射最高達380 mSv，氣壓幾乎為零；火星表面除覆蓋著一層松散的火星風化層，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動力和轉向穩(wěn)定性，適應松軟的地形。 開發(fā)高性能的星球車車輪是移動系統(tǒng)設計的關鍵，也是影響探測任務的難點。 目前星球車均采用輪式移動系統(tǒng)，以金屬剛性車輪為主。 但隨著深空探測的發(fā)展，剛性輪逐漸不再適應高性能星球車的發(fā)展趨勢。 金屬彈性車輪在高速、重載和大范圍運行工況下，具有舒適性好、通過性高、節(jié)能等優(yōu)點，并且具有全地形適應性。 然而，彈性輪的開發(fā)除了受到星球環(huán)境、發(fā)射質量和空間等限制外，彈性輪自身的強度和結構也是車輪開發(fā)的難點。

本文面向未來月球車或火星車大范圍移動需求，探討解決星球車彈性車輪的理論、設計、優(yōu)化、仿真及試驗研究現(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（Spirit）、機遇號（Opportunity）、好奇號（Curiosity）和毅力號（Per?severance），另外1 輛是我國于2021 年5 月22 日成功到達火星表面開展巡視探測的祝融號火星車。

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

2.1 月球車車輪

LRV 作為載人月球車，4 輪4 驅，滿載質量為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，覆蓋面積達到50%，見圖1（b）。 LRV 車輪的柔性胎面能夠吸能減震，胎壁側偏剛度適中，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雜，強度低，壽命短，可靠性差，尤其是受到?jīng)_擊時胎面易破損。

圖1（c）所示的MET 無動力推車，滿載時約為75 kg，速度最高可達4 km／h。 它的車輪由橡膠制成，由充滿氮氣的內(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 是第一臺成功登陸月球的無人探測車，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能量，因此僅適用于低速運動。 中國的玉兔號和玉兔二號月球車（圖2（c）），采用的是帶履刺的篩網(wǎng)輪，見圖2（d）。 該車輪質量輕，進入車輪內(nèi)的月壤顆粒易于從輪面漏出，避免月壤堆積，履刺結構能夠提高牽引性能。 然而，篩網(wǎng)輪面強度低，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，質量為11.5 kg，6 個車輪，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，表面布滿釘齒結構，以增大車輪的驅動力。 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，結構簡單，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

機遇號（勇氣號）火星車，質量為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構，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，并且可防止沙礫進入車輪內(nèi)部。 鼓形輪面有利于轉向，表面經(jīng)過熱處理以增加強度和耐磨性，輪面表面帶有溝槽式的輪刺，以增大車輪牽引力，勇氣號的車輪與機遇號相同。

好奇號質量為899 kg，6 個車輪，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），導致后續(xù)探測難以長距離行駛。

毅力號火星車于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。 毅力號移動系統(tǒng)設計時，充分繼承了好奇號，但由于好奇號車輪被火星尖銳石塊損壞，導致其移動性能受限。 毅力號火星車設計時重新設計了車輪。 毅力號車輪相較于好奇號寬度變窄，直徑變大，輪面厚度變厚（為好奇號2 倍厚度）。 車輪由整塊航天級鋁合金洗削加工而成，輪輻材料為高強度鈦合金。 另外，毅力號車輪具有48 條直線型輪刺（好奇號為24 條V 形輪刺），可以減小應力集中，提高其耐久性，如圖3（d）所示。

中國首次火星探測的祝融號火星車在搖臂懸架的基礎上，升級采用了主動懸架技術，6 輪驅動、6 輪轉向，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。 車輪直徑為300 mm，寬度為200 mm，20 個輪刺，最大速度為200 m／h，如圖4（b）所示。

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

3 星球車車輪最新研究

3.1 傳統(tǒng)結構

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計中采用。 因此，現(xiàn)在星球車彈性車輪研究主要采用金屬材料，通過結構和形態(tài)設計使其具有彈性，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，質量為8.3 kg，最大載荷為736 N，如圖5（a）。 通過測試，該輪具有良好的通過性、耐久性和平順性，NASA 原計劃在Mars2020 上采用該輪胎，以解決好奇號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（TWEEL 設計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計，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，該車輪在質量、承載力方面具有較大優(yōu)勢，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麥迪遜分校聚合體工程學中心共同開發(fā)的仿蜂巢輪胎由六邊形結構組成，見圖5（d）。 該車輪強度高，載荷分布均勻，平順性好。

ESA 為ExoMars 火星車設計了一款彈性車輪，車輪直徑為250 mm，寬度為100 mm，如圖6（a）所示。 該車輪為全金屬結構，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阻力和能耗增加。此外，ESA 設計了另一種彈性車輪，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設計了一種兼具旋轉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）為英國學者設計的一種離散輪面金屬彈性車輪。 車輪形狀可以改變以適應不同的地形，從而提高驅動性能，降低能耗。 英國薩里大學設計了一種彈性車輪，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 個金屬彈性車輪，如圖8（a）所示。 該車輪由鈦合金材質制成，單輪額定載荷為40 kg。 間隔的輪輻之間存在較大間隙，在車輛運行過程中沙礫易進入車輪內(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計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

日本學者Kojiro 設計了一種彈性車輪，見圖9（a），該車輪的輪面為一個大圓環(huán)結構，輪轂和輪面通過5 個小圓環(huán)輪輻連接。 日本東京工業(yè)大學研制一種可以展開的探測車車輪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帶動而實現(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，可展開車輪結構較復雜，可靠性差，并且展開過程需要提供動力。

圖9 日本設計的新型星球車車輪Fig.9 The wheels for the planetary rovers in Japan

加拿大麥吉爾大學（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 個薄壁圓筒，并在光滑輪面上，安裝有10個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，通過在金屬板設置網(wǎng)孔進行減重。 圖10（c）為加拿大空間局設計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，并進行了單輪土槽測試。 美國密西根州立大學利用仿生復合材料制造了一種負泊松比車輪，如圖10（d） 所示，并進行了理論分析和試驗。

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)大學設計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)省運載空間。 北京空間飛行器總體設計部和吉林大學聯(lián)合設計開發(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］

吉林大學研發(fā)了一款可伸縮葉片復式步行輪，能夠提高車輪在月壤上的通過性。 北京航空航天大學設計了一種可變直徑的半步行輪，車輪直徑的改變通過調整彈簧片來實現(xiàn)。 以上研究仍處于實驗室探索階段，在理論和技術上仍需進一步研究。

3.2 異形結構

為解決巡視探測車輛的越野機動性能，國內(nèi)外學者利用各種新技術和結構對星球車移動系統(tǒng)（車輪）進行了探索。 通過模仿犰狳，日本大阪大學設計了一種輪／腿變換式機器人，在良好路面行走時，采用輪式結構；在崎嶇地面行走時，機構變化為腿式，見圖12（a）。 為提高機器人在沙漠的通過性，佐治亞理工學院Goldman 等設計了6 輪機器人Sandbots，該機器人借鑒了沙漠中蜥蜴運動方式，見圖12（b）。 凱斯西儲大學的Dunker 等設計了一種具有凹面腳的輪腿式機器人，這種設計將機器人的重量分配于更大的表面積上，減少了機器人的沉陷，見圖12（c），薩里大學的Comin 等也進行了類似研究。

2005 年開始，NASA 根據(jù)六足動物運動特點，研制了全地形六腿行星探測車（ATHLETE），見圖12（d）。 該探測車采用輪腿結合方式，每個腿的末端都有一個車輪，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 對于柔／彈性車輪的研究始于Apollo 計劃，設計了多種薄壁彈性輪，見圖12（e）和仿生步行足等結構，但由于性能不滿足載人月球車要求，都沒有應用。 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)展其設計理論和試驗技術。

圖12 仿生輪與行走機構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 技術公司的仿生蜂巢車輪之外，還有一些免充氣彈性車輪的結構，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結構，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計的交錯輻射式結構，見圖13（b）；韓泰輪胎公司由聚氨酯材料制成的不規(guī)則蜂巢結構，如圖13（c）所示；美國Goodyear 設計制造的魚叉形結構的非充氣式車輪，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)合馬正東團隊研究出一種非充氣輪胎，如圖14（a）所示。 該輪胎將負泊松比單元組成受壓和受拉機構，輪面覆蓋有橡膠材料，中間為剛性輪轂。 北京化工大學和山東玲瓏輪胎共同開發(fā)制造了一款非充氣新結構彈性車輪，如圖14（b）所示，利用試驗臺架進行了三向剛度、滾動阻力等測試，結果表明該輪胎具有操控性好、阻力小等優(yōu)點。

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

4 發(fā)展趨勢與展望

4.1 發(fā)展趨勢

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

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。 由于剛性輪技術成熟，結構簡單，可靠性高，承載能力強，在無人星球車上得到了廣泛應用。 但是由于減振性能弱、平順性差等，限制了其大范圍移動星球車上的應用，而彈／柔性車輪可以很好地克服剛性輪的缺點。 但彈／柔性車輪的開發(fā)仍然存在諸多問題，如何開發(fā)出結構簡單、可靠性高、通過性好的彈性車輪為未來研究的熱點。

為解決上述問題，需要研究適應地外行星復雜表面環(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 個方面：①材料上研發(fā)適合深空環(huán)境的復合材料或高分子材料，開發(fā)高強度金屬減振吸能材料，如記憶合金；②結構上在車輪中增加彈性緩沖元件或采用薄壁結構；③構形上研發(fā)異形或可拓展結構車輪。

這些方法各具優(yōu)缺點，但在解決質量－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構，從而使其承載能力和強度降低，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)各種彈性輪結構復雜，質量較大，而國外研究多處于原理性試驗階段且技術保密。 因此，提出一種創(chuàng)新的具有自主知識產(chǎn)權的巡視器彈性輪設計理論和方法十分必要。

4.2 評價體系

高性能星球車車輪設計是一項系統(tǒng)工程，直接關系到星球車移動的各項性能，在設計過程中需要綜合考慮星球車對星表適應性、探測機動性、質量尺寸約束等。 如無人巡視探測器一般尺寸和結構偏小，探測速度較低，移動系統(tǒng)設計過程中更為關心車輛的通過性，從而在車輪設計過程中輪刺與接地壓力是2 個重要指標，反而對車輪彈性要求較少。 而載人星球車由于有航天員參與駕駛，結構和尺寸偏大，速度較快，因此，設計過程中更關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，車輪設計需要考慮以下指標：質量、通過性、剛強度、平順性、環(huán)境適應性、使用壽命、安全性。 在針對載人車車輪設計過程中，其權重建議如表1 所示。

表1 載人車車輪評價體系Table 1 Evaluation system for the wheels of manned planetary rovers

4.3 建議與展望

隨著著陸巡視探測和載人探測需求的增加，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、大范圍機動和全地形適性，這些都對探測車輛的移動系統(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和開發(fā)中具有領先位置，必須要在核心部件的研發(fā)上進行創(chuàng)新。

解決彈性輪開發(fā)難題的根本是材料，但研發(fā)適應深空環(huán)境的橡膠或彈性復合材料，周期長，經(jīng)費高。 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，通過結構設計和優(yōu)化實現(xiàn)車輪性能的提升。 結構優(yōu)化主要有以下2 種方法：

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

2）異形結構。 如圖15（b）所示仿生步行金屬彈性輪。 該輪為仿生步行足設計，采用分段式彈性足和彈性輪輻結構，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，這種設計應能滿足要求。但車輪的輪輻結構需要進一步優(yōu)化，使其簡單可靠。

圖15 彈性輪結構設計Fig.15 Design of elastic wheel structure

5 小結

本文綜述了月球車和火星車車輪的研究進展。 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，中國高性能星球車車輪的研究應著眼于彈性輪新材料的開發(fā)以及彈性結構的優(yōu)化。