张力调节方法：提升柔性行星轮的抗冲击性能和缓冲效果

《Journal of Terramechanics》：Tension regulation method: Enhancing impact resistance and cushioning performance of flexible planetary wheels

　　

摘要

本文提出了一种通过调节辐条张力来提高柔性行星轮在月球着陆过程中的抗冲击性和缓冲性能的方法。利用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法，建立了一个包含月球探测车本体、车轮和月球土壤的串联式缓冲模型。分析了在不同预张力条件下柔性车轮的变形模式和能量耗散情况。基于这些分析，在满足最大应力约束的情况下，确定了着陆前的最佳辐条张力配置。结果表明，该方法可将车轮在撞击过程中的最大应力幅度降低45.36%。接下来，通过改变着陆速度和车轮剪切带厚度，研究了缓冲性能的变化。研究发现，该方法在高速撞击和低刚度车轮条件下特别有效，可以将探测车的最大过载量降低10.01%。因此，开发了一种用于调节车轮结构参数和张力的设计流程，以在最小化车轮质量的同时优化缓冲性能。最后，提出了一种实施张力调节方法的机制，并通过制造柔性车轮原型和落锤试验验证了其有效性。

引言

随着太空探索能力的不断进步，载人月球任务已被提上了日程（Zeng et al., 2023; Zhou et al., 2024a; Creech et al., 2022）。结合了移动性和科学探索能力的月球探测车已成为行星探索任务的关键选择（Jia et al., 2025; Alzaabi et al., 2024; Jahanshahi and Zhu, 2025）。传统的行星探测车主要依赖着陆器进行缓冲，它们自身的抗冲击性和缓冲能力有限（Shetty et al., 2025; Liu et al., 2020）。直接使用月球探测车进行着陆可以降低月球任务的质量和空间布局成本。目前，集成着陆和移动性已成为重要的发展方向（Zhou et al., 2024b; Zhou et al., 2020）。作为与地面的直接物理接口，探测车车轮的设计面临着更高的要求。

根据是否发生显著的径向变形，车轮可分为刚性车轮和柔性车轮（Zhang et al., 2025; Takehana et al., 2025; Asnani et al., 2009）。刚性车轮（Trdin et al., 2025）主要用于低速、低质量的无人探测车（例如Perseverance、Yutu），而柔性车轮（Liang et al., 2015; Bhattarai et al., 2022; Liu and Ju, 2025）通常适用于高速、高质量的载人探测车（例如LRV）。增加径向变形可以显著扩大车轮与土壤的接触面积，从而有效提高在软地面上的牵引力（Wong, 2009）。其中，张力完整性柔性车轮因其独特的优势而受到广泛关注（Crowther et al., 2022; Fazelpour and Summers, 2014）。这些车轮利用能够承受拉力而不能承受压力的材料（例如钢丝绳、Beta织物）以及剪切带设计，在垂直载荷下起到“顶部加载”的作用。这种特殊的承载模式使车轮能够实现高载荷能力和更好的移动性平滑度。克莱姆森大学（Stowe et al., 2008）在Artemis计划的支持下，对张力完整性车轮进行了迭代设计，重点分析了其潜在的失效模式。Wilson et al.（Wilson et al., 2022）开发了一种超低迟滞橡胶剪切带，用于张力完整性非充气轮胎，以减少滚动阻力，同时满足结构强度要求。Peterson et al.（Peterson et al., 2021）基于张力完整性原理提出了两种离散的张力完整性车轮拓扑结构，并验证了它们在非结构化地形上对行星探测车移动性的提升效果。

除了上述关于经典配置的研究外，近年来由于张力完整性结构的轻量化特性、效率、可调刚度和响应性灵活性，它引起了人们的关注。还进行了关于智能化和定制化开发此类车轮的研究，以增强其对地形的适应性。受到液滴表面张力的启发，Lee et al.（Lee et al., 2024）研究了可变刚度车轮，通过控制智能链块的张力来实现实时刚度调节。Spiegel et al.（Spiegel et al., 2023）证明，使用活性变形的张力完整性结构作为车轮可以显著提高机器人的避障能力和地形适应性，而不会增加质量。Wei et al.（Wei et al., 2025）在车轮的剪切带中引入了张力完整性超材料，实现了压缩刚度和剪切刚度的独立控制，从而实现性能定制。此外，在我们之前的研究中，提出了一种基于张力完整性单元调节的可变刚度月球车轮（Zhao et al., 2025），展示了广泛的刚度调节范围和强大的地形适应性。

尽管对探测车车轮的智能研究已经进行了广泛的研究（Yoon et al., 2024; Zeng et al., 2019），但研究主要集中在提高移动过程中的地形适应性上。为了集成着陆和移动性，车轮需要直接承受着陆冲击。虽然其“顶部加载”机制优化了运动平滑度（Fazelpour and Summers, 2014; Deng et al., 2024），但它也降低了接触区域的局部刚度，这可能在重载着陆时导致结构屈曲失效。值得注意的是，以往研究中的车轮失效模式大多是这种情况（Stowe et al., 2008）。因此，尽管已经实现了车轮的整体智能控制，但针对提高着陆场景下的抗冲击性和缓冲性能的精细调节和局部张力控制仍然是一个需要进一步探索的关键问题。

为了解决上述问题，本文研究了基于张力调节方法提高张力完整性柔性行星探测车车轮的抗冲击性和缓冲性能。通过分析着陆过程中的关键参数，包括车轮的峰值冯·米塞斯应力、车轮的最大径向压缩量和探测车本体的峰值加速度，研究了该方法的有效性。本文的结构如下：第2节基于耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法建立了柔性车轮和移动系统的数值模型，并解释了通过张力调节来增强局部刚度的机制。第3节进行着陆冲击模拟，分析了张力调节方法在减少峰值结构应力和提高满足强度要求能力方面的效果。第4节探讨了该方法对缓冲性能的影响，以及着陆速度和车轮刚度的变化如何影响缓冲性能。第5节基于前面的分析，提出了柔性车轮的结构参数和预张力水平的设计流程。最后，讨论了张力调节方法的机械实现途径，并通过落锤试验验证了该方法在提高抗冲击性方面的有效性。

章节片段

模型建立

本节介绍张力完整性柔性车轮并建立其有限元模型。然后，基于CEL方法，构建了一个包含月球探测车本体、车轮和月球土壤的串联式缓冲模型。最后，介绍了通过调节辐条张力来提高抗冲击性和缓冲性能的方法。

抗冲击性的增强

在月球着陆场景中，严重的冲击载荷可能超过直接接触地面的车轮的强度极限。为了解决这个问题，使用了第2.3节中介绍的张力调节方法来增加车轮的局部刚度，从而提高其抗冲击性。本节重点分析该方法对车轮变形模式、能量转换和最大应力降低的影响。

缓冲性能的增强

在月球着陆过程中提高缓冲性能是深空探索中的关键挑战。本节通过分析动态变形、探测器过载和地面接触力，研究了张力调节方法对张力完整性车轮的影响。进一步评估了不同调节模式对整体缓冲性能的影响。

车轮结构参数和预张力水平的设计流程

对于对质量敏感的月球探索任务，进行轻量化结构优化非常重要。基于第3节和第4节的分析结果，本节提出了一种设计流程，旨在在确保车轮满足强度要求的同时，实现最佳的着陆缓冲性能。

张力调节方法的机制实现和验证

有效的张力调节需要精确的辐条张力控制，这取决于车轮边缘机制的精确驱动。在之前的工作中，我们开发了一种由四个旋转导轨组成的辐条几何调节机制。这些机制驱动连接的辐条，使它们能够在屈曲和张力两种几何配置之间切换，如图17(a)所示。此外，还使用3D打印技术制造了该旋转机制的半尺寸原型。

结论

本研究通过结合CEL数值模拟和实验验证的方法，研究了通过张力调节来提高柔性行星车轮的抗冲击性和缓冲性能。主要结论如下：

• 1.
  基于张力完整性车轮的可调张力特性，提出了一种张力调节方法，以提高车轮在月球着陆场景中的抗冲击性和缓冲性能。

未来工作

由于月球环境的低重力以及难以准确获得能够复制月球表土物理特性的土壤（例如凝聚力、摩擦角），到目前为止，仅通过落锤试验验证了张力调节方法在抗冲击性方面的改进效果。同时，由于组装精度的限制，现有试验无法定量描述不同预拉伸量对……的影响。

CRediT作者贡献声明

Xiaotian Zhang: 验证、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。Shengpu Zhao: 原始草稿编写、调查、正式分析、数据管理、概念化。Lei Bao: 编写与编辑、验证、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了北京自然科学基金（L251015）和中央高校基本研究基金的支持。

Xiaotian Zhang|Shengpu Zhao|Lei Bao