21世纪以来,深空探测迅速发展,我国也预计将在2020年执行首次火星探测任务。未来的深空探测将面对更加复杂的地形和更富挑战性的探测任务。轮-步式火星车结合了轮式运动的高能效特性和步态运动的高地形适应性,成为我国火星探测车的优选方案。复杂的探测环境以及新的火星车结构会带来车轮高滑转的工况,严重的高滑转会使车轮失去牵引能力,进而造成陷车现象的发生,然而关于星球车轮高滑转运动的研究相对较少。星球车高滑转轮地力学问题是未来深空探测的瓶颈问题。试验是研究轮地力学的有效手段。对车轮在星壤中运动的受力状态进行分析,采用沉陷量、挂钩牵引力、驱动力矩、牵引力系数、阻力系数等作为试验评价指标。运用单轮测试台和试验车轮进行单轮试验,对速度效应、载荷效应、轮刺效应以及滑转率的影响进行了试验研究,试验发现车轮在高滑转工况下会发生动态沉陷,挂钩牵引力等评价指标的变化规律与低滑转下变化规律有所不同。使用三轮星球车进行整车试验。试验研究为后续的原理分析和模型建立提供了试验基础。从宏观试验现象出发,对车轮动态沉陷过程进行分析,是提高轮地作用动态力学模型预测精度的关键。分析得出了高滑转工况下车轮挂钩牵引力会随沉陷量的增大而呈现先增大后减小的变化规律,从宏观力学的角度解释了滑转自陷现象的产生原因。结合土力学阻力理论,对星壤的静态承压特性进行了建模,并对车轮动态沉陷过程中星壤颗粒的流动形式进行了分析。最后通过轮地力学模型对车轮运动过程中的应力分布进行了理论计算,并分析了星壤流动对车轮应力分布的影响。推导轮-地相互作用动态力学模型解决星球车滑转沉陷问题的基础。根据车轮沉陷量的变化规律,建立了动态沉陷时变拟合模型,并结合星壤承压特性分析,形成了沉陷量预测模型的基本框架。对轮地作用模型中的沉陷指数进行辨识,分析其变化规律,得到了沉陷指数时变拟合模型。对低滑转下的滑转前进力学模型进行预测性能分析,找到了现有模型的不足和改进方向,通过修正车轮应力分布,最终建立了高滑转下轮-地相互作用动态力学模型。本文从试验宏观现象、土力学理论与地面力学理论三方面出发进行了车轮动态沉陷原理分析,建立了高预测精度的高滑转下轮-地相互作用动态力学预测模型。为进一步的深空探测以及轮-步式火星车的发展应用提供了力学基础。