[实用新型]一种月球车车轮仿生轮刺

说明书

技术领域

本实用新型属于工程仿生学与地面车辆力学相结合的领域，本实用新型涉及一种月球车车轮仿生轮刺，应用于探月工程的交叉学科领域。本实用新型中以沙漠中稳健和高速奔跑鸵鸟的主要触沙部位-足趾甲为仿生原型，根据工程仿生学理论，采用逆向工程技术，完成一种月球车车轮仿生轮刺设计。 

背景技术

我国月球探测的近期规划以不载人月球探测为宗旨，确定了“三步走”的战略目标：第一步为环月探测，第二步为月面软着陆器就位探测和月球车月面巡视勘察；第三步为月面自动采样返回。随着“嫦娥一号”和“嫦娥二号”的顺利完成，环月探测已接近尾声，探月工程第二步的相关研究已经陆续开展。月球车又称为月面巡视探测器，是完成第二步战略目标的重要装备。月球车是一种能够在月球表面移动，完成探测、采样、运载等任务的航天器，它的基本功能是具有月面行走能力。月球表面覆盖着松软的粉尘状月壤，在月面低重力环境下(月球重力大约为地球的1/6)，月球车车轮的挂钩牵引力、附着力、工作阻力、滑转率以及沉陷情况等数据资料十分缺乏甚至未知，这使月球车在月面上的可靠行驶性能具有很多不确定因素，而这种性能就是牵引通过性。目前，研究月壤上车轮的牵引通过性并进行车轮构型优化，已经受到科研工作者高度重视，并成为月面车辆系统研究领域的热点问题之一。然而，由于各种条件、理论和方法的限制，高牵引通过性的月球车车轮构型优化研究工作进展缓慢。因此，基于月面牵引通过性的各项特征参量，以沙地奔跑动物足部为仿生原型，采用工程仿生技术，并结合车辆地面力学理论，优化设计出月面高牵引通过性的月球 车仿生车轮构型至关重要。轮刺式刚性轮具有很强的松软地面牵引通过性，已经成为无人月面巡视探测器和未来载人月球车车轮构型的重要选择。轮刺是月球车车轮的重要组成部分，它是影响月球车牵引通过性的关键因素，提高月球车车轮在月壤上行驶的牵引通过性是要解决的主要问题。 

实用新型内容

本实用新型从轮刺构型着手，来解决月球车车轮在月壤上行驶的牵引通过性难题，并为进一步研究和优化其他深空探测车辆(例如火星车)的车轮构型提供了重要的理论基础和技术依据。 

鸵鸟原产于非洲和阿拉伯沙漠温差较大的地区，主要生活在空旷的沙漠地带和干燥无树的大草原。鸵鸟属于平胸类鸟，胸骨扁平不具龙骨突起，锁骨退化，前肢演化成翅膀，已经退化不能飞翔，但后肢强壮而有力，在沙地环境中具有神奇的稳健、持久和高速奔跑能力。经测试成年驼鸟每一步跨越距离可达3.5～7米，持续奔跑速度约50～60公里/小时，冲刺速度超过70公里/小时以上，并可维持约30分钟而不感觉累，是鸟类中名副其实的赛跑健将，也是陆地上跑的最快的两条腿动物。鸵鸟的优异越沙能力是身体结构、器官、脖颈、翅膀(前肢)以及后肢(腿和足)等多方面共同作用的结果。其中鸵鸟足承载鸵鸟重量，直接与沙地接触并参与运动，在越沙过程中的作用至关重要。鸵鸟足仅两趾(第III、IV趾)，内趾(第III趾)较大，具有较大和坚硬的足趾甲，外趾(第IV趾)则无足趾甲，趾的下面有角质的肉垫，富有弹性并能隔热，这些特殊结构是鸵鸟足具有稳健和高速越沙特性的关键因素。通过研究发现，鸵鸟在沙漠中行走或奔跑过程中，足趾甲类似鞋钉，起到牵引和固沙作用，能够有效地提高牵引性和抗沉陷性，这一优异性能与足趾甲的结构和形貌密切相关。另外，根据已知资料表明，月球表面覆盖的粉尘状月壤和沙漠中的沙非常相似，属于典型的 松软介质。因此，以鸵鸟足趾甲为仿生原型，进行月球车车轮仿生轮刺设计，将会有效提高车轮的牵引性和抗沉陷性，对于改善月球车在松软月壤上行驶的牵引通过性具有极其重要的意义。 

本实用新型提供一种月球车车轮仿生轮刺，其目的是提高轮刺式月球车车轮的牵引性和抗沉陷性，并有效改善月球车车轮在松软月壤上行驶的牵引通过性问题，本实用新型以现有普通轮刺式月球车车轮结构为设计原型，针对其主要轮壤接触部位-轮刺，以鸵鸟足趾甲为仿生原型，根据工程仿生学理论，采用逆向工程技术，获取足趾甲典型的三条边缘特征曲线，并通过将三条曲线封闭构成的平面在车轮轮面上沿车轮宽度拉伸而形成仿生轮刺。 

月球车车轮仿生轮刺之截面的外轮廓线为仿鸵鸟足趾甲典型的三条闭合边缘特征曲线，该三条闭合曲线符合以下公式： 

曲线1：y＝-0.0058x³-0.0356x²-0.2583x-0.0636； 

曲线2：y＝-0.06x²-0.4709x+4.5046； 

曲线3：y＝0.047x²+0.2526x+4.9872。