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.      

模拟月面环境钻进过程热特性研究

根据实际月面采样任务需求,月壤钻取采样器须在真空条件下,实现无辅助冷却介质的连续钻进取心工作,这极易导致钻头温度快速升高,影响采样任务的可靠进行。因此,为深入研究钻进过程的热特性,通过分析钻头切削具与孔底月壤的切削和摩擦机理,建立钻头在钻进过程中的温升模型,归纳影响钻头温升的主要因素。根据月面真空条件下的月壤环境,制备真空度低于10 Pa、钻进深度不少于2 m的模拟月壤,并开展钻进过程热特性试验。试验结果表明钻头前端切削具的温升与钻压力存在很强的正相关性,与钻头扭矩相关性较弱。基于试验结果对温升模型中的相关性系数进行修正,拟合出钻头温升曲线,并与试验实测结果进行对比,实现了钻进过程热特性的定性分析。     

无轴螺旋式模拟月壤主动填充装置研制

针对月面综合钻进试验台模拟月壤利用率和试验效率低的问题,提出一种主动送土试验台的设计方案,满足月面钻采作业机具的取芯特性专项验证需求。该方案利用无轴螺旋作为模拟月壤传送的核心部件,采用集成料斗实现难流动物料连续送料的功能,通过无轴螺旋转动主动将模拟月壤垂直送入取芯机构,代替综合钻进试验台钻取月壤的作用,可以实现多种级配模拟月壤的定量和定压输送。为了验证设计参数的正确性,利用EDEM离散元分析模拟月壤输送特性,并开展了试验验证。结果表明：以无轴螺旋作为主动送土机构的核心单元,可实现主动送土试验台自主、高效率地进行模拟月壤输送模拟多种取芯工况,为工程部门钻采作业机具研制定型提供性能参数验证的依据。     

一种基于可钻性在线辨识的月面钻进控制方法研究

钻取采样作为一种获取深层月壤的有效方式被应用于地外天体采样任务。不同于地面钻探,无人月面钻取采样面临诸多技术难点,例如遥操作信号延迟、探测器传感资源有限、缺乏采样点地质信息以及月壤力学特性复杂等。为保证采样任务高效可靠地执行,采样装置需充分利用有限的探测器硬件资源,依据钻进工况实时调整钻进工艺参数,对未知的钻进环境具有适应能力。提出一种基于可钻性在线辨识的月面钻进控制方法。利用可钻性指标综合评价当前对象的钻进难易程度,采用模式识别方法辨识钻进对象的可钻性等级并实时匹配最优的钻进工艺参数,从而实现钻进过程的智能控制。为验证所提出控制方法的有效性,开展了模拟月壤月岩交替布置的钻进试验研究。试验结果表明:该方法能够有效控制钻进负载。     

中型空间环境模拟器真空系统的设计与模拟

探讨了用于舱外航天服性能实验的中型空间环境模拟器真空系统的设计和模拟。通过对低温泵的真空度及其抽速与液氦低温板温度的关系进行模拟,验证了真空系统设计的合理性。对中型环境模拟系统预冷采用开放式液氮以简化系统结构;对系统的主要部件液氦低温板和辐射挡板进行了构造分析和热负荷计算;分析了液氦低温板的凝结层对低温泵性能的影响。通过对液氦低温板温度场进行模拟及分析,对液氦低温冷凝面进行了优化设计与性能验证。通过对航天员氧消耗量的分析合理估算了航天员自身代谢产热,据此确定了中型空间环境模拟系统热负荷及液氦供应量。     

月面载荷被动热控技术

由于月面温度环境变化幅度较大,月面载荷需要通过被动热控装置有效控制其与外部环境的换热量,使其本体温度维持在工作或储存温度范围内。文章分析了月面载荷与外部空间环境换热方式;论述了低当量发射率多层隔热组件设计与结构组成;讨论了月面载荷最外表面辐射屏ε和α_s特殊设计及对其表面辐射平衡温度影响;指出利用月壤恒温层及其特性,展开式外多层隔热组件可以在载荷所在月面处形成一个温度相对稳定的月面小环境,其平均温度与当地月壤恒温层温度相当。     

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...     

比对法真空计量标准装置的研制

比对法真空计量标准装置是一种结构简单、操作方便、检定效率高、实用性强的二等真空标准装置。主要技术要求完全符合国际标准化组织(ISO)和国内有关真空标准的规定,尤其适用于真空计量二级站和一些基层单位大量常规校准,校准范围为10~5～10~(-4)Pa,总不确定度小于10％。在10~(-4)Pa范围内,压力的稳定度好于1％,在1～10~5Pa范围内,压力的稳定度好于0.5％。该标准装置的极限压力达10~(-6)pa。     

紧凑型ECR等离子体原子氧束流源的研制

原子氧对低地球轨道航天器部件材料的侵蚀及其地面环境模拟日益受到国际航天界的重视.高速飞行的航天器与迎面的空间环境原子氧之间相互作用能量约为5eV,在此能量范围内,原子氧束流与材料表面相互作用的许多物理和化学问题尚待从实验上认真研究,因此必需建立地面环境模拟装置.本文根据电子回旋共振(ECR)原理,利用微波的同轴传输与耦合,采用永磁体构成轴向不对称磁镜场产生会切磁场,降低了常规设计的磁场强度,缩小了装置的尺寸,同时采用无电极放电,避免了重金属杂质导入等离子体,研制出紧凑型纯净原子氧中性束流源.该装置易与真空容器联接.联机运行结果表明该装置能够在10-1-10-3Pa的气压范围内稳定运行,通量密度达到3×1015atom/cm2@s,满足了原子氧环境地面模拟试验对装置小型化的要求.     

月尘环境效应及地面模拟技术

介绍了月球尘的特点及其对探月活动的影响。在分析月球尘环境及其对月面探测器污染、磨损、阻塞、静电效应的基础上,对月球尘环境模拟技术、月球尘扬尘及其运动学和动力学规律、月球尘效应防护及试验评价方法等研究方向和重点提出了一些初步看法。针对研究内容的需求,梳理出一台完整的月球尘地面模拟试验设备应具备真空、温度、太阳风、太阳紫外、月球尘、月面电场、月面磁场等环境因素。在此基础上,设计了一种月球尘地面模拟试验装置方案,并对月球尘环境效应试验方法进行了初步讨论。为月球探测后期任务条件保障建设及相关研究工作提供参考。     

铲挖式表层月壤采样器设计与试验

针对月球表层土壤的采样任务,设计了一种搭载于机械臂末端的采样器。基于离散元手段,利用Scott真实月壤微型三轴压缩试验数据,完成仿真散体颗粒特性参数匹配,开展了采样器铲取、挖取采样过程的仿真分析,获得作业过程采样器的动力学特性。此外,开发了采样器性能测试系统,针对不同模拟月壤对象进行了采样试验,测试获得了采样器采样能力随深度及月壤硬度的变化情况,得到采样器操作参数的可行区域。采样器能够实现铲取、挖取和封装容器转移多重任务,研究工作为中国未来的月面采样任务提供方案借鉴和技术支撑。     

Investigating the soil removal characteristics of flexible tube coring method for lunar exploration

Compared with other technical solutions, sampling the planetary soil and returning it back to Earth may be the most direct method to seek the evidence of extraterrestrial life. To keep sample’s stratification for further analyzing, a novel sampling method called flexible tube coring has been adopted for China future lunar explorations. Given the uncertain physical properties of lunar regolith, proper drilling parameters should be adjusted immediately in piercing process. Otherwise, only a small amount of core could be sampled and overload drilling faults could occur correspondingly. Due to the fact that the removed soil is inevitably connected with the cored soil, soil removal characteristics may have a great influence on both drilling loads and coring results. To comprehend the soil removal characteristics, a non-contact measurement was proposed and verified to acquire the coring and removal results accurately. Herein, further more experiments in one homogenous lunar regolith simulant were conducted, revealing that there exists a sudden core failure during the sampling process and the final coring results are determined by the penetration per revolution index. Due to the core failure, both drilling loads and soil’s removal states are also affected thereby.     

大型真空容器有压复压系统

对于一些特殊用途的设施,如用于训练航天员的地面模拟舱,对复压过程有严格要求.为了分析某些对复压速率有要求的设施的复压过程,设计了有压复压系统;建立了大型真空容器有压复压系统的分段集中参数模型和传热模型,并且对这些模型进行了仿真分析.仿真表明:有压复压可获得比大气复压大得多的复压速率;传热会降低复压速率;分段集中参数长管道模型能提高仿真精度,同时不会过大增加计算量.对某体积为200m3的容器复压试验表明,考虑容器换热的仿真计算与实际调试情况误差在5%左右,表明了理论分析计算的正确性.      

溅射靶对离子推力器的热辐射影响研究

为了研究真空环境设备内溅射靶温度升高后对30cm离子推力器的热辐射影响,采用有限元分析的方法,首先对真空舱内的离子推力器羽流分布进行了模拟,在获得羽流对溅射靶造成的温度变化后,进一步分析了溅射靶温度升高对离子推力器温度以及栅极热形变位移所造成的影响。仿真结果显示,推力器羽流可采用定向分子流模型进行描述,羽流在真空舱内的扩散过程中几乎没有能量损失;30cm离子推力器工作时真空舱内大部分区域的气体压强在2×10^-3~6×10^-3 Pa;在溅射靶影响下,推力器加速栅和屏栅中心温度分别为352℃和440℃,边缘温度分别为342℃和411℃,屏栅和加速栅的间距缩小量由无溅射靶影响时的0.560mm增加到0.585mm;试验结果显示,加速栅和屏栅边缘温度分别为364℃和385℃,与仿真结果的比对误差均为6%,溅射靶后部羽流气体的温度测试值高于计算值约50℃,误差主要由于模拟中忽略了羽流粒子的能量沉积效应。