星球车是用于执行行星探索任务最重要探测器之一,而车轮与星壤直接接触,起到承载、驱动、转向、牵引和适应地面等作用,是星球车移动系统最关键的部件之一。弹性轮以其优异性能成为我国未来星球车车轮研制的主要方向,但受到材料、环境、刚强度和质量约束,金属弹性轮是星球车车轮的主要形式。因此,建立金属弹性轮与星壤作用关系模型并进行分析,对提高星球车机动性能、稳定性能和平顺性至关重要。文章设计加工了薄壁圆环弹性轮,通过土槽试验对比分析了光面弹性轮、带轮刺弹性轮和刚性轮的沉陷、挂钩牵引力、扭矩和牵引效率。试验结果表明,光面弹性轮和带轮刺弹性轮沉陷量较刚性轮减小了39.95%和41.47%;光面弹性轮和带轮刺弹性轮挂钩牵引力较刚性轮增大了47.53%和102.11%;光面弹性轮和带轮刺弹性轮扭矩较刚性轮增大了4.20%和27.66%;光面弹性轮和带轮刺弹性轮牵引效率较刚性轮增大了28.06%和49.13%。试验结果表明弹性轮较刚性轮具有良好的牵引通过性能。分析了弹性轮变形特征,建立了弹性轮变形几何模型。在此基础上,建立了弹性轮与星壤相互作用的静态模型,沉陷模型的平均相对误差为6.30%。重点研究弹性轮与星壤相互作用关系,推导出了弹性轮与星壤相互作用模型,分别为弹性轮挂钩牵引力模型;弹性轮载荷模型;弹性轮扭矩模型;弹性轮动态沉陷模型。采用土槽试验数据对建立的模型进行了验证。试验结果表明:在载荷40 N、80 N和120 N条件下,载荷模型的均方根误差分别为17.61%、9.51%和28.27%。在载荷40 N、80 N和120 N条件下,挂钩牵引力模型的均方根误差分别为23.32%、13.99%和17.55%。在载荷40 N、80 N和120 N条件下,扭矩模型的均方根误差分别为10.87%、6.50%和4.76%。弹性轮与星壤相互作用模型具有较高的精度。最后,利用Matlab软件编写计算弹性轮与星壤相互作用关系的仿真分析软件。在此基础上,仿真分析了星壤力学参数内聚模量、摩擦模量、变形指数、内聚力、内摩擦角、剪切变形模量以及弹性轮参数轮宽、轮径、载荷、弹性变形系数的变化对牵引通过性能的影响。以上研究可为星球车弹性轮设计、轮壤相互作用、牵引通过性的评价奠定基础。