侵彻式月壤探测地面模拟试验研究

月面通常由细颗粒粉末状月壤覆盖,利用侵彻器可实现次表层月壤的探测.在侵彻器与月壤相互作用的过程中,为研究侵彻器结构及科学载荷缓冲结构的抗冲击性能、不同剖面组构的抗侵彻性与辨识性,以及侵彻后对月壤的扰动强弱,开展了100～260 m/s全尺寸侵彻器对3类月壤模拟样本的侵彻试验.试验结果表明,约3×104 g过载下侵彻器结...     

月球极区水冰采样探测技术综述

面向月球水冰科学探测需求,根据月球极区环境及水冰特性,总结了实施月球极区水冰采样探测任务面临的挑战及所需的关键技术.根据水冰采样点选址预判需求,概述了力学触探、热电物性触探、雷达探测、光谱探测、中子谱探测5种方法;面向表层暴露水冰采样需求,阐述了铲挖式、浅钻式、磨削式3类表取采样技术;根据次表层埋藏水冰采样需求,概括了...     

极区月壤和水冰形成演化机制及物理特性研究

月球极区独特的光照条件和表面环境特征是水富集和保存的理想场所,探测永久阴影区内的水冰对科学研究和开发利用月球资源具有重要的意义.综合调研了国际上在月球极区开展的理论研究和遥感探测成果,阐述了极区地质、表面光照条件和热环境特征.介绍了极区月壤和水的形成演化机制及水冰可能的赋存状态.系统梳理了国际上关于极区水冰的探测历程和...     

模块化月球表层采样力学模型

因不受作业空间的限制，月球表层采样机具设计形式多样，为建模分析带来较大难度。为避免不同结构机具分析时重复建模，建立了一种模块化的月球表层采样力学模型。该模型将复杂的采样机具拆分成若干个基本面单元，基于朗肯土压力理论、最大抗剪强度理论和地基极限承载力理论对面单元在采样过程中的受力进行分析，组合各个面单元所受到的力获得复杂机具的力学模型。基于不同机具形式与贯入角度的模拟月壤贯入试验，对理论模型进行了试验验证，通过引入月壤密度沿深度的影响修正公式，将理论模型的误差率降低至8.2%。结果证明该力学模型和模块化理论可行，为后期月球表层采样机具的设计研发提供了参考。     

月面钻取式自动采样机构的设计与分析

月面自动采样机构是月球探测的重要工具之一,对实现月壤采样起着关键作用,是中国月球探测任务中急需解决的关键问题.文章提出了一种用于深层月壤样品采集的、具有同轴双管单动钻具和柔性取样袋的钻取式自动采样机构设计方案,详细阐述了采样机构的功能、组成与原理.通过对采样过程的力学特性进行分析,得到钻杆螺旋叶片升角为14°、轴向进给速度为5.7 mm/s和回转角速度为13.1 rad/s时钻进效果最优;且为获取1m深度月壤,钻杆直径不能小于7 mm.利用土力学仿真分析软件ABAQUS建立了月壤和钻具的力学模型,对钻具钻入月壤过程进行了动力学仿真,结果为钻进阻力约300 N、钻进阻力矩7.5 N·m.     

月球车车轮与模拟月壤相互作用试验

设计搭建了深空探测车车轮牵引特性试验台,制备了轮土试验用模拟月壤,在土槽中进行了模拟月壤的整备,重塑了就位月壤的力学特性.对不同轮齿类型的刚性车轮进行了牵引特性试验,分析了轮下模拟月壤的剪切破坏和车轮行驶阻力的表现形式.结果表明:增大轮上载荷能够提高挂钩牵引力,车轮的牵引效率随着滑转率的增加呈现先增加后降低的趋势;随着轮齿高度的增加,挂钩牵引力会随之增大,车轮的最大牵引效率有所降低;随着轮齿数目的增加,挂钩牵引力会随之增大,车轮的牵引效率变化不大;车轮转速在数值较低的范围内变化时,对牵引性能的影响较小.     

月壤颗粒间的范德华力作用研究进展

当前中国嫦娥工程“绕、落、回”三期任务已经圆满完成,为保持中国月球探测技术的领先地位,对月壤的力学特性进行研究具有重要意义。月表所处环境高真空、低重力和强辐射等特点使月壤表现出不同于地面砂土的性质,导致这一现象最主要的原因之一是月壤颗粒间的范德华力作用。本文对当前有关范德华力的研究进行总结,分别从分子/原子间的范德华力计算、范德华力的迟滞性、理想条件下宏观物体间的范德华力计算和真实条件下范德华力的计算四个方面对目前已有的研究进行分析,给出当前宏观颗粒间范德华力研究的不足,为今后月壤颗粒间范德华力的进一步研究提供参考。     

深空探测车可变直径车轮牵引通过性分析

提出了一种可变直径轮深空探测车,其具有结构紧凑、越障能力强、重心低、运行平稳等优点.考虑了月球重力环境和月壤的力学特性,应用基于贝克模型的地面力学理论,分析了深空探测车可变直径车轮与月壤间的相互作用,对轮片展开和车轮下陷做了合理的简化,对不同滑转条件下探测车轮的挂钩牵引力、驱动力矩和驱动效率进行了计算,结果表明车轮的展开减小了推土阻力,车轮的挂钩牵引力和驱动效率都比车轮收缩状态有了明显的提高,并获得了使驱动效率达到最大值的滑转率的范围.      

粉末材料的变温介电常数测量

介绍了粉末材料介电常数变温测试系统,测试温度可达200℃。测试系统以传输/反射法为理论基础。测试系统有两个关键的部分,一是利用去嵌入技术去除转接头和垫片的影响;二是温度控制系统,该系统包括被测件的设计,隔热和温度分布情况等。利用该系统,对不同温度下模拟月壤的介电常数进行了测量,在不同温度下,模拟月壤LLB-07和月壤JSC-1A的介电常数非常接近,模拟月壤的介电常数及损耗正切随着温度的升高而增加。利用本文的测试系统能够实现粉末材料的变温介电常数测试。     

模拟月壤真空试验装置设计及实现方法

我国探月三期需在月面真空环境下钻采2 m深的月壤样品,为测试采样器在真空热环境下的性能,需首先在地面模拟一个接近月表的真空热环境.本文设计了一套模拟月壤真空试验装置,研究了模拟月壤真空实现方法.通过使用机械泵对模拟月壤进行抽真空,分析了抽速、样品量、含水量、密实度和温度等因素对模拟月壤真空度的影响情况.此外,分别分析了从容器顶部、底部抽气对模拟月壤抽真空效果的影响,提出了保证样品密实度的可行抽气方法.该试验研究对构建月面真空环境模拟器具备一定的参考价值.      

Diviner红外温度与嫦娥卫星微波探测仪月表亮温的比较分析

提出使用高分辨率的Diviner辐射计红外温度作为月壤热传导的边界输入条件,使得月壤物理温度廓线的模拟更接近月表真实情况. 利用Diviner物理温度廓线模拟的微波亮温与嫦娥二号卫星微波探测仪（CELMS2）的实测亮温匹配,来分析CELMS2数据的有效性和稳定性,为月壤微波特性的反演奠定基础. 以哥白尼坑区域为例,对比分析了Diviner辐射计红外通道温度与CELMS1实测微波亮温的变化趋势. 选择月球虹湾地区内一位置点（45.1°-45.5°N,33.1°-33.5°W）,分析了CELMS2在该位置点内5个月球时刻的亮温数据. 通过对实测亮温与模拟亮温在经纬度和太阳高度角的匹配分析得到,在高频微波通道内两者的相关性达到96%以上,表明嫦娥二号微波探测仪亮温数据具有较高的稳定性,可以为月壤特性反演研究提供可靠数据来源.      

月壤力学参数反求及试验验证

为了预测月球车的牵引特性并进行牵引控制,提出了一种基于线性最小二乘法的月壤力学参数估计算法,对内聚力和内摩擦角这两个关键的月壤力学参数进行反求.针对反映车轮土壤交互作用过程中轮刺效应的力学模型进行简化,建立了内聚力和内摩擦角的求解模型.将车轮与模拟月壤交互作用试验中的测量数据输入利用该算法编制的Matlab程序中,反求出模拟月壤的内聚力和内摩擦角,反求值与模拟月壤的实测值较为接近.试验验证结果表明该算法准确有效,且具有较好的稳定性和较快的运算速度,可用于月球车进行月壤力学参数的就位估计.      

模拟月壤研制的初步设想

模拟月壤是月球样品的地球化学复制品，作者总结世界上已有的5种模拟月壤JSC-1，MLS．1，MLS-2，MKS-1和FJS-1的研制过程、方法与基本理化性质，认为系列化模拟月壤研制对中国首次月球探测有重要意义，在此基础上，作者提出系列化模拟月壤研制的基本思路．     

三层月壤模型的多通道微波辐射模拟与月壤厚度的反演

由月球表面数字高程试验性地构造了整个月球表面月壤厚度的分布.根据Clementine探月卫星的紫外-可见光光学数据,计算了整个月球表面月壤中FeO+TiO2含量分布,给出了整个月球表面月壤介电常数分布.由月球表层温度的观测结果以及月壤的导热特性,给出了月尘层与月壤层温度随纬度分布的经验公式.在这些条件的基础上,建立了月尘、月壤、月岩三层微波热辐射模型.由起伏逸散定理,模拟计算了该月球模型多通道辐射亮度温度.然后,以此辐射亮度温度模拟加随机噪声为理论观测值,按三层模型提出了月壤层厚度反演方法.由于高频通道穿透深度小,由高频通道的辐射亮度温度按照两层月尘-月壤微波热辐射模型反演月尘层与月壤层的物理温度,再由穿透深度较大的低频通道辐射亮度温度反演月壤层厚度.对于反演的相对误差也进行了讨论.      

锥形物体对月壤冲击过程的试验及离散元分析

月球探测器着陆过程中着陆器足垫首先与月壤接触,因此,足垫的动力响应直接关系到探测设备的安全着陆及后续工作的实施。采用试验和离散元数值模拟的方法,以锥形物体代替实际足垫,对冲击模拟月壤过程中锥形物体的锥角和冲击速度及质量的影响进行详细研究。离散元模拟获得的结果与试验结果一致。研究结果表明,冲击速度和质量决定了锥形物体与模拟月壤颗粒之间的动量转移,对冲击过程有很大的影响;当采用不同锥角的锥形物体冲击时,由于锥形物体与颗粒介质接触面积的影响,随着锥角的增大其冲击深度和冲击时间均减小,而锥形物体受到的冲击力峰值逐渐增大。此外,对冲击过程中颗粒的速度矢量进行讨论,从细观角度对颗粒介质在冲击载荷作用下的动力特性及颗粒间的相互作用进行探讨。以上结果对航天着陆器的着陆过程的研究提供了理论依据,并且对利用特种设备在月球表面进行贯入探测具有一定的参考价值。     

月球氦-3资源的原位开采热释放行为研究

月球氦-3资源的原位利用不仅可以解决深空探测的能源供给问题,而且能够极大地减少深空探测的成本.选取钛铁矿作为月壤的代表矿物,建立了氦-3原子以空位和间隙两种缺陷赋存于钛铁矿中的分子动力学模型,阐述了不同温度下氦-3原子在钛铁矿中的扩散和释放行为.模拟计算结果表明:当氦-3在钛铁矿中扩散时,这些原子倾向于聚集成气泡.根据氦-3释放量随温度的增长率,整个加热释放的过程可以划分为两个阶段.月球氦-3资源原位开采的最优加热温度应在1000K以上,该温度下以不同形式赋存的氦-3均可以大量释放.      

考虑热物性变化的月壤温度数值模拟

探月设备的热分析设计依赖于真实有效的月面热环境信息。借助于ANSYS热分析模块,建立了月壤导热系数随密度和温度变化、热容随温度变化的变热物性月壤温度求解模型,分别计算了月面纬度为26°和赤道地区的月表温度,探讨了赤道地区浅层月壤的温度分布。其中,月表温度计算结果与实测数据良好的一致性表明计算模型和所用计算参数适用可靠;而通过修正月壤导热系数来提高计算结果与实测数据的吻合程度则部分展示了月壤温度计算理论;在探讨赤道地区浅层月壤的温度分布时,文章给出了不同时刻对应的月壤温度剖面和热流剖面,并适度分析了月壤内部热流和导热系数对月壤温度剖面的影响,这些为利用月壤的温度剖面规律进行探月设备的热控设计提供了理论支持。     

月面钻进真空环境模拟装置的设计与验证

探月工程（三期）项目提出了在月面进行至少2 m深度的钻取采样任务,前期需要在地面进行模拟月面钻进过程热特性的研究,为此本文发明了一套月面真空环境模拟装置。根据模拟月壤钻进试验的要求,设计了一种可从底部抽气的三段式可多次拆装的真空罐结构。考虑到模拟月壤的颗粒大小和快速抽真空的要求,设计了一种筛网状具有多层过滤结构的月壤筒。根据在真空度不变的条件下可进行连续多次钻进试验的要求,设计了可从外部操作的具有缺齿结构的月壤筒转动机构。由真空度要求和可耐粉尘的特性要求,选取了三级扩散泵组。实验表明,在不放置模拟月壤的情况下,本环境模拟装置中的真空度可达10-1 Pa,在放置模拟月壤的情况下,真空度可达7 Pa,能够满足模拟月面钻进过程热特性试验的要求。此外,通过测量抽真空过程中真空度随时间的变化情况还得出了模拟月壤出气量曲线,对模拟月壤真空系统的实验应用具有重要价值。      

模拟月壤可行驶性的离散元数值分析

基于模拟月壤扫描电镜显微照片,建立土颗粒的几何模型,提出不规则形状颗粒群系统的生成策略,构建模拟月壤颗粒间接触的简化本构模型,并利用量纲分析法和双轴压缩试验离散元模拟,建立土宏观力学特性与细观模型参数的关系,结合模拟月壤的三轴压缩试验数据确定离散元模型参数.在月球重力环境下,对轮-土交互作用进行离散元模拟,推导土壤推力的细观表达式,定性分析不同滑转率时土颗粒的动态行为,定量分析模拟月壤的可行驶性.研究结果表明,土壤推力随滑转率的提高而增大;当车轮以高滑转率行驶时,土壤推力相对行驶时间存在瞬态和稳态2个阶段,并且瞬态值高于稳态值.