中国近日正式宣布嫦娥六号/七号/八号探测任务，国际月球和火星研究站计划将在2030年代内开展。可以预见，我国未来的月球和火星表面探测活动将持续时间更长、探测范围更大、穿越探索的地形更加复杂，这将对行星车的工作性能和适应性提出严峻的挑战到行星表面环境。

移动石混合行星地形流动车轮牵引能力研究方法

关键问题之一将是研究行星土壤的力学特性与行星漫游者车轮的牵引性能之间的关系。地形力学研究的混合地形主要由静态石块和松散土组成。

而在分析混合地形对车轮牵引性能的影响时往往忽略了石块的运动行为。由于现有解释行星车轮子在可动石块和松土混合地形中运动的地形力学问题的理论不完善且计算相对复杂，因此提出了混合地形下行星车轮子接触力的新解法。可移动的石头和松散的土壤的关系是值得研究的。

北京交通大学的杜江山和黄铁球在近期发表在《Space:Science&Technology》上的研究论文中，针对这些问题，提出了一种残余土模型，用于求解未被石块覆盖的剩余土体与剩余土体之间的相互作用力。轮和塑性均质土壤力学模型来计算提供给可移动石头的土壤力。

首先，作者回顾了两种典型的轮地相互作用模型。在Wong-Reece模型和Janosi模型中，显示了刚性轮与软土之间的接触。Wong-Reece模型描述了通过实验确定的给定μ值的接近角θ1和下沉z之间的关系。

Janosi剪切应力模型在μ=1下计算出τ(θ)。它们两者通过积分共同产生支撑力W和拉杆拉力DP。在刚性轮子与石头的接触模型中，采用基于赫兹接触理论的非线性弹簧阻尼器模型来计算固体与固体之间的法向力。

当轮子碾过石头时，还会产生由库仑摩擦模型计算得出的附着力P和阻力力矩Mw。

然后，作者详细阐述了两个提出的模型。所提出的模型满足以下假设：1)模型发生在具有可移动石头和松散土壤的混合地形上;2)石子之间不存在接触，无论石子是否移动;3)忽略侧向力，模型仅在二维平面上使用。

在残余土壤模型中，基本思想是修改W和DP的积分面积来求解当移动的轮子同时接触石头和土壤时轮子与残余土壤之间的相互作用力。在此条件下，车轮穿过石头的过程被视为石头依次经过接近角θ1、最大应力角θm、离开角θ2的过程。

最终，它离开轮子与土壤相互作用的区域。在塑性均质土力学模型中，Bekker的压力-下沉模型反映了土体的承载特性，可近似视为典型的非线性弹簧模型，可以进一步推广到二维空间来研究压力与下沉之间的关系两个方向。

最后，作者进行了仿真和实验来验证所提出的模型。车轮宽度为14厘米。轮子的直径是30厘米。车轮前进速度为0.03m/s。滑移率为0.3。轮子沿正X轴做匀速直线运动。实验中，行走电机4通过皮带输送机向车轮输出力矩，推动车轮前进，而位于下方的另一个驱动电机4则依靠联轴器使车轮绕其轴线旋转。

行进速度和旋转速度由连接至驱动轴的编码器3测量。本研究以火星土壤为研究对象;因此，土壤选择干沙，地势平坦。通过仿真与试验对比刚轮接触不同岩石时的牵引性能误差，验证了塑性均质土力学模型和残余土模型的有效性。

结果表明：1)对于活动石块，下沉量、牵引杆拉力、阻力矩的模拟结果与试验结果吻合较好，验证了上述模型的有效性;2)与固定石块相比，石块的运动状态对车轮的牵引性能有重要影响。因此，在某些情况下，忽略石块运动对车轮牵引能力的影响，可能会导致较大的误差。