任露泉１贾阳２李建桥１王荣本１柳忠尧２
（１吉林大学，长春１３００２５）（２中国空间技术研究院，北京１０００９４）
摘要论证了与月球车行走性能密切相关的地面机器系统研究厦建立月球地面模拟实验方案．通过研究对象、科研机构的综述，阐述了地面车辆系统研宄历史、现状厦其与月球车的关系。根据地面车辆系统的研究方法，进行了包括月球环境模拟和月球地表特征模拟的月球地面模拟实验设计，提出进行月球车自主导航路径规划室内实验、月球丰环境适应性实验等月球车相关实验研究方法，并进行了实验条件建设方案初步设想，以期建设地面实验基地，为登月车行走性厦作业能力的试验研究提供实验备件和基础实验数据。
关键词月球车。行走性能。地面车辆系统，模拟实验。
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随着我国月球探测工程和深空探测的逐步实施，各种登月机械设备的研究已经相继展开，为在月球或者其他星球表面作业、行走的机械提供试验场地和评估方法手段势在必行。本文就与此密切相关的地面机器系统研究及建立月球地面模拟实验室展开论证，以期为登月车行走性及作业能力的试验研究提
供实验条件，为这些装备的改进设计提供基础实验数据。
１地面车辆系统研究及其与月球车的关系
１．１地面车辆系统的研究对象
地面车辆系统的研究对象为在非路面（ｏｆｆ－ｒｏａｄ）＆行走或作业的车辆，如在沼泽、滩涂上行走的装甲车（图１），在雪地上通过的越野车（图２），研究这些车辆在软路面的通过性、机动性、动力性等。
图１装甲车的沼泽越野性试验图２雪地车通过性试验与常规的路面车辆研究不同，软路面车辆研究必须将地面与车辆作为一个系统进行研究【１Ｊ。因此，地面特性及其与车辆的相互作用关系是本学科的研究重点和特，研究内容包括地面、机械、车辆、动力、能源、通讯、控制，涉及机械、材料、
电子、化学多学科的专门理论与技术。近年来，与登月车相关的研究包括松软地面作业机械的仿生减阻［“，软路面车辆动力性ｒ３３及地面车辆动态特性测试设备与方法‘４，”。
１．２地面车辆系统的研究机构
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随着二战后人们对非路面环境下的军事、生产、科研各方面的需求不断增加，在Ｂｅｋｋｅｒ的倡导下国际地面车辆系统学会于上世纪６０年代初成立。最初的参加单位主要是各国军事技术装备研究部门，随着冷战结束和人们对自然界探索不断的拓展，其研究领域已经包括石油勘探、林业运输、农业生产、矿山开采、太空探测等方面的机械装备，参加学会的单位也逐步增加了民用工业生产技术科研单位。国际地面车辆系统学会秘书处一直设在美国，具体位置在著名的美国陆军特种部队水道实验站（ｔｈｅＵ．Ｓ．ＡｒｍｙＣｏｒｐｓｏｆＥｏｌｇｉｎｅｅｒＳ’ＷａｔｅｒｗａｙｓＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＳｔａｔｉｏｎＷＥＳ），图３为其研究的应用于特种地面的车辆。
空间技术开发一直是各国地面车辆系统研究的重点之一，在图５所示的美军工程研发中心的基本任务图中，下面的三项任务分别是：机动性（ｍｏｂｉｌｉｔｙ）、地面特性（ｔｅｒｒａｉｎ）和生存性（ｓｕｒｖｉｖａｂｉｌｉｔｙ），其中“生存性”所附的照片就是月球表面的图像。
图３应用于特种地面的车辆
图４美军水道实验站工程研发中心的基本任务图
我国地面机器系统学会成立于改革开放之后的上世纪８０年代初，尽管加人国际学会时间稍晚，但被国际同行所关注。目前中国地面机器系统学会挂靠在吉林大学，曾经成功地主办过一届地面机器系统国际学术会议（第１２届，１９９５年）和两届亚太地面机器系统国际学术会议（第３届，１９９２年、第７届，２００４年）。中国地面机器系统学会首任主席足吉林大学（原吉林工业大学）的国际著名拖拉机专家陈秉聪院士，第二任主席为中国农业大学（原北京农业工程学院）的余教授，现任主席为吉林大学任露泉教授。国际地面车辆系统学会现任主席，著名学者黄祖永（Ｊ．Ｙ．Ｗｏｎｇ）在上世纪５０年代也曾在吉林大学（原吉林工业大学）从事教学科研工作”ｏＪ，由此可见我国在地面车辆系统研究领域的学术实力和国际影响。目前的中国地面机器系统学会主任委员、副主任委员成员单位分别包括：吉林大学、中国农业大学、中国机械工业联合会、华南农业
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大学、中国一拖集团公司、军事交通学院、山东推土机械有限公司、军事交通运输研究所、昆明理工大学、河南科技大学，参加单位共３０多个。研究领域由民用地面机械拓展至军工装备，由国内合作研究发展到国际合作研究，得到了国际同行的密切关注。
１．３地面车辆系统的月球相关研究
近年来，历届地面车辆系统国际会议上，都有关于登月用特殊行走机构、月球表面取样机械手、月球
作业机通ｆＲ及控制、月球表面数值模拟方法、月球土壤机械特性及模拟【７＿９１等方面的研究论文。
由于太空星球探测涉及特种地面与车辆或者机械的相互作用领域，登月车及其它各种月球地面作业机械一直是地面车辆系统的研究对象之一。作为实例，美围的计划月球漫游者登月车，就是在国际地面车辆系统学会创始人Ｂｅｋｋｅｒ教授的指导下研制成功的”１（图５）。
图５Ｍ．Ｇ．Ｂｅｋｋｅｒ指导研制的美国ＮＡＳＡ计划月球漫游者登月车［８】幽６可根据地『Ｉｌ『情况自动调节轴距的星球探测车‘９】
图６为在第１２届国际地面车辆系统学术会｝义上，由德国太空中心、瑞士空间研究所、荷兰欧洲太空署共同研究的火星探测车，为适应星球地面的复杂情况，其轴距呵以根据星球地面而进行自动调节‘…
。
２地面车辆系统实验研究方法
２．１地面车辆系统的研究方法
车辆与地面相互作用的实验研究对其结构设计、性能分析及整车作业效率和通过能力评价至关重要。目前国内外采用的方法主要有：
ａ．基于数理统计的经验数据法：该方法采用现场实验和数理统计棚结合，需要测试土壤特征参数、记录不同土壤条件下的车辆运动状况，分析预测车辆的通过性能。这种方法在二战末期巳采用并一直延续至今，具有简单、快捷的优点，美国陆军水道实验站的圆锥指数法是其典型代表。经验数据法只适用于被实验特定车型，不能用来精确预测新设计车型的通过性能。
ｂ．基于模型和因次分析的实验方法：模型实验是把与车辆工作过程有关的因素按一定比例缩小，并在实验室中进行实验观察。再将观察结果川一定比例放大，从而预测真实环境中的效果。该方法比样机实验法快速、经济，且易于控制实验参数和实验条件，其缺点是有时不能解决微观局部性能实验分析。
ｃ．理论与实验相结合的半经验方法：该方法是对车辆与地面相互作用进行力学分析，以适当的实验
为基础，建立车辆与地面相互作用的近似公式。２０世纪５０年代初，美国Ｍ．Ｇ．Ｂｅｋｋｅｒ专门对土壤下陷和行驶阻力的塑性问题进行了研究，用半经验方法对与车辆有关的地而物理特性能够定量描述，为车辆性能预测提供了理论依据，在国际上得到了较为广泛的应ＪＨ。该方法也存在缺乏严格理论基础。土壤参数的量纲不确定等问题，还不能从根本上揭示出车辆与地面的内在关系。
ｄ．基于经典理论的研究方法；此方法是用土力学理论、弹塑性理论和土的奉构关系理论等来研究土壤４６０
与车辆的相互作用，用数学方法分析土壤受载后的破坏形式，进而确定土壤的承载能力。目前在汽车与地面相互作用研究中该方法已开始得到应用。由于在理论推导过程中必须进行一系列假定和近似，目前还远不能描述复杂的地面一车辆系统的实际情况。
ｅ．基于计算机技术的数值模拟方法：随着计算机技术和计算技术的发展，许多用理论方法和实验方法难以解决的问题，可以借助于数值模拟法束解决。一些数值模拟法如有限差分法、有限元法、边界元法、离散元素法等相继产生和发展。由于这些算法的通用性及其对材料组合和几何拓扑的适应性，已经在地面机器系统的领域得到有效的应用，成为求解各种土壤地面机器系统工程问题的最有效的计算方法，受到行走机械众多科研人员的重视，并已在汽车地面力学仿真中得到应用。纯计算仿真方法目前仍难以达到理想化，将其与上述实验方法有机结合，可形成快捷可靠的虚拟实验方法，这是目前国际地面力学研究前沿的研究热点。
实际上，地面车辆的研究与实际实验密切相关。上述方法均需要通过试验取得必需的地面与车辆相互作用参数，无论是研制的样机还是模拟的结果，也都离不开实践的检验。因此，模拟实验是地面车辆研究中必需而且必要的环节之一Ｌｌ…，如图７所示。一般情况是，通过小型精密土槽获取特定的地面在预期载荷作用下的各种特征参数（图７ａ），通过大型土槽模拟现场地面情况，验证所设计的特种车辆或者机具的实践作业效果（图７ｂ）。
图７通过小型精密土槽（ａ）或者大型土槽（ｂ）进行地ｉ☆ｆ＊ｔｔ器系统模拟实验【”３
２．２月球车通过性能实验方法
月球车在各种地表上行进时的行驶阻力需要通过各种模拟环境进行测试，在设有具体参数的条件下，
首先应参照现有理论与技术合理进行模拟实验。地面车辆在松软地面上行驶阻力主要源于车轮对土壤作垂直压实功，它表现为车轮下陷和形成轮辙。可以设计实验来测量行驶阻力，依靠这种实验得到土壤下陷与行驶阻力之间的关系式，并用来分析、预测行驶阻力问题。车辆负荷和地面附着性能决定了车辆的牵引力，牵引力一部分用于克服运动阻力，其余部分用于牵引负荷、加速、爬坡。月球车通过性评价指标与车辆构件参数及土壤特性紧密相联，二者共同决定了月球车的行驶性。通常测试车辆通过性的圆锥穿人计都需要用人工操作，但在遥远的月球，为预测地面的行驶性，无法进行人工操作，因此有必要通过月球车特性实验，研究出可行的测试方法，实时获取土壤的强度并预测月球车通过性。该部分应该进行如下实验：ａ．车轮的力学特性：包括弹性车轮在路面上的变形、车轮与土壤的接触表面形状、车轮在松软地面条件下的性能、车轮在坚硬地面条件下的性能、车轮在粘附土壤条件下的性能、车轮组的分布力实验分析。
ｂ．月球车轮牵引力：包括载荷一剪切特性与影响因素、附着力的测试、滑转与牵引力的测试及计算、驱动轮滑转及其对月球车作业性能的影响。
ｃ．月球车越障性能：包括失去几何通过性的几种类型、月球车越障通过的基本条件、不能穿过的障碍和绕路判断、几何形障碍的强制通过判断、月球车克服障碍能力的测试。
美国的月球车在投入使用之前，首先在水道实验站进行了模拟实验。图８ａ是特大型地面模拟实验室，
中间的设备为负荷车，其内部装备了各种测试、控制仪器，右侧的殴备为可移动大型土槽，其内部如图８ｂ所
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示。可以进行上述月球车轮的力学特性、牵引力、越障性能等实验。
图８美军水道实验站特大型地面模拟实验室（ａ）及其可移动大型土槽（ｂ）
３月球地面模拟实验设计
３．１月球环境模拟
参照美国的实验模拟情况，兼顾实际研究需要和目前我国能够达到的技术水平，在现阶段本实验方案设计时我们仅考虑对以下的月球环境条件进行模拟。
ａ．月球地面土壤层：为科学预测月球车在月球地面土壤条件下的通过性，必须对月球地面土壤进行模拟，所模拟的有关土壤参数应与已知月球表面相应参数接近。可采用人工配土或从火山地区购买火山灰土等方法实现。
ｂ．缓坡度圆形坑：月球表面有很多缓坡度圆形坑。为科学预测月球车在该种工况下的通过性和防止发生倾翻现象，必须对月球地面缓坡度圆形坑进行模拟。硬底层造型可采用水泥堆砌，最大坡度应符合月球车总体设计参数要求，表层材料同上。
ｃ．不规则陡峭深坑：为防止月球车通过陡峭深坑时发生车体与地面产生接触干涉或翻倾，应对月球车可通过不同深度、不同尺寸规格的陡峭深坑的能力进行科学的模拟实验。陡峭深坑造型可采用水泥堆砌，表层材料同上。坑的深度和大小应根据月球车总体尺寸不同形成一定系列。
ｄ．块状障碍物：月球表面有很多不同尺寸规格、分布密度不同的块状障碍物。为科学预测月球车在该种工况下的越障通过性，必须进行模拟实验，以防止月球车翻倾或误人高密度障碍物死区。可购买不同尺寸规格的石块模拟不同的障碍物环境。
汽车ｅ．可变光照：为实现月球车自主规划可行路径，月球车必须装备有视觉环境感知系统。这类系统对环境感知的准确行、可靠性与环境的光照条件密切相关。为科学预测月球车环境感知系统在变光照条件下的工作性能，应对月球地面光照情况进行模拟。可采用多点高悬适宜灯具模拟太阳光，且对指定地面区域光照强度无级可调、光照方向可控。
ｆ．高、低温模拟：月球表面昼夜温差十分悬殊，其对月球车各系统特别是电器、电子系统的工作性能有很大影响。为科学预测温度效应对月球车各系统工作性能的影响程度，必须对该环境进行模拟。模拟的最高温度、最低温度可参考已有数据合理确定，模拟方法另行专门论证。
ｇ．户外自然环境模拟：为使月球车能在更接近月球表面环境下进行户外实验，应在国内寻适宜的火山地区开展户外自然环境模拟实验，如黑龙江省五大连池火山区、吉林省天池火山区。在此环境下，同时需要结合一定的人工模拟手段。
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