热控涂层参数对卫星辐射特性的影响

为分析卫星红外和可见光双光谱辐射特性,分别建立了采用节点网络法求解卫星表面热控涂层温度和卫星辐射特性的计算模型,依据粗糙表面光散射理论计算了涂层表面对太阳、地球和地球反照辐射的吸收和反射。通过数值模拟,计算分析了卫星对地面的温度变化规律。最后,选择不同的热控涂层参数,获得了对卫星在红外和可见光波段的辐射特征的影响。     

羽流场与月壤颗粒相互作用的一种新计算方法

针对登月着陆器发动机下降过程中羽流场与月壤颗粒相互作用问题提出了一种新的计算方法。通过Morh\|Coulomb破坏准则确定月壤颗粒可以被羽流扬起的临界剪应力,采用动量原理计算被扬起的月壤颗粒的质量大小及形成的月坑深度;基于牛顿第二定律,采用羽流场与月壤颗粒的流固耦合相互迭代的计算方法,获得被扬起月壤颗粒随时间的质量分布等。本文通过美国Apollo 11登月过程实测数据对该新方法进行了验证,为人类探月工程提供一定数据参考。     

地球与大气反射光对空间光学传感器探测能力的影响仿真研究

现有辐射计算模型不考虑地表的各向异性特征,导致计算结果存在较大误差。针对这一问题,提出一种新的地球与大气反射光对传感器照度贡献的计算模型,考虑了地表反射、大气散射和辐射传输三方面的影响因素;在此基础上提出一种启发式蒙特卡罗重点光线采样方法,该方法根据给定的传感器参数和空间几何参数高效解算地球与大气反射光对空间光学传感器探测能力的影响程度。     

卫星的光散射建模研究

目标光散射特性理论建模研究是空间目标光学特性研究的重要组成部分。对于卫星等复杂空间目标,进行光散射建模计算的关键点和难点是解决复杂目标不同部件之间的遮挡关系和光线在目标内部的再次散射问题。通过对已有方法的比较,依据光线跟踪算法并结合蒙特卡罗法思想给出了更为有效和快速的建模计算方法,并把该方法运用到对某卫星光散射特性理论建模中,给出了该卫星在太阳光照下的光散射亮度图像。     

半透明吸收、散射性介质内辐射传递系数的新型计算方法

为考虑半透明吸收、散射性介质内各向同性散射对辐射能量传递过程的影响，通过对辐射能量传递过程的分解，提出了一种基于辐射能量传递过程分解的射线踪迹法，该计算方法无需引入预设控制精度参数。经与其他计算方法的比较表明，该新型计算方法正确，计算精度高、计算时间短，可以用于研究介质内辐射能量传递过程的研究。     

月球表面热环境数值分析

月球表面热环境的研究对探月活动有重要意义,本文用数值方法分析了月球表面的热环境.首先计算了不同纬度地区地表辐射平衡温度的周期波动,然后建立了月球地表土壤的一维非稳态热传导模型,用此模型计算了不同纬度地区地表温度的波动、月壤温度的波动及恒温层温度和深度,并讨论了月壤热物性对温度波动的影响.结果表明白天的地表温度主要取决于地表的辐射平衡温度,而夜晚的地表温度受到月壤热物性的影响.     

用FVM法计算固体火箭羽流的红外特性

建立了有限体积法(FVM)的理论模型模拟固体火箭羽流的红外特性,研究了燃气组分H2O,CO2,CO,HCL,OH,NO的吸收和发射,以及AL2O3粒子云的吸收、发射和散射,还研究了两相流场中气相和粒子云温度不均匀时对辐射传输方程的修正。计算一单喷管固体火箭的二维轴对称羽流在光谱2~5μm的红外特性,给出羽流辐射的空间分布和光谱分布并与文献计算的结果对比。研究表明:有限体积法能较好地模拟固体火箭羽流的红外特性;粒子辐射占固体火箭羽流红外辐射的主要部分;在光谱2~4μm粒子辐射使羽流辐射增强,而在光谱4~5μm粒子辐射使羽流辐射减弱。     

着陆冲击仿真月壤本构模型及有限元建模

为建立合理的月壤有限元模型用于着陆器着陆冲击动力学仿真分析,在对已知月壤的相关力学特性参数和试验数据进行分析推理的基础上,推断出月壤屈服面在低围压条件下可能会呈现出剪切膨胀特性,而在高围压条件下则可能会呈现出塑性压缩和应变硬化特性,因此定性地选择帽盖德鲁克-普拉格（Cap Drucker-Prager,CDP）模型作为月壤本构模型。模型的参数通过月壤或模拟月壤的试验数据定量地标定。对着陆器地面着陆冲击试验进行有限元建模和仿真分析,仿真结果表明：模型参数的标定方法是合理可行的;CDP模型可以准确模拟月壤在着陆冲击载荷下的动力学响应,可用于着陆冲击动力学仿真月壤有限元建模。对月壤模型参数进行了参数分析,并评估了月壤模型参数对着陆器着陆冲击性能的影响。     

月球表面及月壤内温度分布特征的数值模拟

文章建立了月表辐射与月壤内二维非稳态导热的耦合传热模型,采用控制容积法数值模拟月壤内的温度分布,主要研究了月表、月壤内温度的分布和变化规律及探测器对局部月表温度的影响。计算结果表明一昼夜期间月壤内存在明显的温差:浅层月壤处的昼夜温差较大且受纬度的影响明显;随着深度的增加,月壤昼夜温差降低并趋于稳定,且受纬度的影响较小。探测器的存在遮挡了月表接受的太阳辐射,导致其阴影区域内月表温度发生突变,新的平衡温度接近探测器底面温度,且受探测器驻留时间的影响较小;当探测器移开,月表温度又迅速恢复到原有的变化规律。     

模拟月壤力学性质的试验和仿真研究

文章通过常规3轴试验对某模拟月壤的本构特性进行了研究,根据3轴试验结果获得了模拟月壤的duncan-chang模型参数,在abaqus软件平台上通过umat子程序实现了duncan-chang模型在模拟月壤分析中的应用,并进行了相应的试验验证.之后,文章就内摩擦角、粘聚力参数变化时模拟月壤剪切变形关系的变化及低围压下自重应力对模拟月壤性质的影响进行了仿真分析,结果发现和内摩擦角、粘聚力等参数相比,初始自重应力对模拟月壤的剪切特性影响不大.     

着陆作用下月尘激扬的三维离散元分析

基于模拟月尘的细观颗粒形状,采用刚性圆球单元重叠法建立了4种典型不规则模拟月尘颗粒的三维几何模型.根据月尘所处环境和颗粒间接触特性,建立了月尘离散元接触力学模型.通过三轴压缩实验离散元模拟的结果和模拟月尘的实际三轴压缩实验数据的对比,确定模拟月尘颗粒的三维离散元模型参数.采用建立的模型和获得的参数,进行了圆盘模拟体着陆...     

模拟月尘制备及其物理和力学性质研究

在地球上进行的大量与月尘力学性质和机械性质相关的试验研究中,通常采用模拟月尘代替真实月尘。本研究制备了一种适用于月球探测工程试验的模拟月尘,制备工序依次为原材料选取、颗粒粗加工、颗粒精加工、颗粒级配、颗粒混合及预处理。该模拟月尘的颗粒粒径分布、颗粒相对密度、干密度、孔隙比、内聚力和内摩擦角等物理和力学性能参数经分析与国外典型模拟月尘相关参数相近,证明其可应用于月球探测工程试验。     

Simulation of rocket plume and lunar dust using DSMC method

When lunar modules land on the Moon, dust impingement on the lunar module components and deposition on the thermal and optical surfaces would cause many serious problems. The emphasis of this research is on simulating the interaction of rocket plume and lunar dust using the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method. The method is extended to model the movement and collision stages of rarefied plume gas and dust particles, including three collisional mechanisms: molecule–molecule, molecule–particle and particle–particle collisions. The reflection of gas molecules on the particle surface is computed by an indirect approach based on the coordinate transformation. Neighboring-cell contact detection scheme is applied to check for contacts between all possible particle pairs. The simulation results show that the acceleration of dust particle is mostly determined by the parameters of plume field. In the computational regions with larger gas density and velocity the particles can be accelerated to larger velocity and convected to higher temperature.     

太阳电池月尘遮蔽模型分析及试验研究

扬起的月尘颗粒沉积在月球探测器的太阳电池表面,可导致其性能下降。文章基于层叠遮挡理论,建立了一种月尘遮蔽光线透射的理论模型,利用该模型开展了模拟月尘颗粒形状与粒径对遮蔽效果影响的分析和计算,并与NASA的同类模型进行了对比分析。分析结果显示:2种模型给出的相对透过率随沉积月尘面密度的变化趋势相同,均呈指数型衰减关系;在随月尘形状、粒径、透过率的变化方面,2种模型存在差异。利用月尘沉积与吸附试验装置实施了模拟月尘沉积试验,验证了所建立模型的正确性,其预测准确度优于NASA模型。     

模拟月壤研究及其在月球探测工程中的应用

在月壤化学成分、物理力学性质等方面研究结果的基础上,文章对国内外模拟月壤的研究进展进行了综合分析,重点阐述了服务于我国嫦娥探月工程的科学探测仪器标定、着陆器组合缓冲性能试验、巡视器移动试验、月表采样试验等研制任务的模拟月壤研究成果及应用情况,包括模拟月壤原料选取及制备工艺,模拟月壤试验场的铺设方法等,结合载人登月等任务需求提出了未来研究工作的发展建议。     

Building components for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technology

3D-printing technologies are receiving an always increasing attention in architecture, due to their potential use for direct construction of buildings and other complex structures, also of considerable dimensions, with virtually any shape. Some of these technologies rely on an agglomeration process of inert materials, e.g. sand, through a special binding liquid and this capability is of interest for the space community for its potential application to space exploration. In fact, it opens the possibility for exploiting in-situ resources for the construction of buildings in harsh spatial environments. The paper presents the results of a study aimed at assessing the concept of 3D printing technology for building habitats on the Moon using lunar soil, also called regolith. A particular patented 3D-printing technology – D-shape – has been applied, which is, among the existing rapid prototyping systems, the closest to achieving full scale construction of buildings and the physical and chemical characteristics of lunar regolith and terrestrial regolith simulants have been assessed with respect to the working principles of such technology. A novel lunar regolith simulant has also been developed, which almost exactly reproduces the characteristics of the JSC-1A simulant produced in the US. Moreover, tests in air and in vacuum have been performed to demonstrate the occurrence of the reticulation reaction with the regolith simulant. The vacuum tests also showed that evaporation or freezing of the binding liquid can be prevented through a proper injection method. The general requirements of a Moon outpost have been specified, and a preliminary design of the habitat has been developed. Based on such design, a section of the outpost wall has been selected and manufactured at full scale using the D-shape printer and regolith simulant. Test pieces have also been manufactured and their mechanical properties have been assessed.     

月球采样机械臂系统设计及试验验证

在对月球采样返回任务需求及探测器系统任务剖面进行分析的基础上，设计并研制了一种轻量化、大负载、高精度、宽采样范围月球采样机械臂系统。该系统主要由4自由度机械臂及两种不同采样形式的末端采样器组成，可对不同指定区域浅层月壤进行铲、挖、浅钻等多形式采集。在综合考虑机械臂系统器上布局的基础上，基于运动学模型对采样机械臂的可达采样区域进行仿真分析，提出采样机械臂月面采样策略。基于等尺寸着陆器模拟平台，开展了针对3种不同密实度模拟月壤的采样试验，采样试验结果表明在可达采样空间内，采样机械臂对不同密实度月壤均具有较好的适应性，最大采样深度可达30 mm，最大单次采样量可达270 g，单次采样时间小于2 min。     

光伏玻璃表面微织构柱体抗颗粒冲击性能研究

为分析光伏电池玻璃表面微织构形状和颗粒碰撞方式对表面微织构损伤的影响，建立模拟月尘颗粒碰撞表面微织构仿真模型，结合实验验证，探究表面微织构损伤情况。结果表明:30 μm直径的模拟月尘颗粒以5 m/s的速度撞击表面微织构时，损伤形式主要包括边缘破损、劈裂破损和断裂，损伤面积与表面微织构整体相比较小，损伤深度在0.06～0.29 μm之间，仅为表面微织构柱体高度的1%～4.8%；中心正碰时，四棱台表面微织构的抗冲击性最好，圆台表面微织构次之，六棱台表面微织构最差；颗粒以4种碰撞方式撞击圆台表面微织构时，损伤程度从大到小依次为边缘碰撞、45°边缘碰撞、中心正碰、45°中心碰撞。研究结果可为玻璃表面微织构的工艺改性提供参考。     

模拟月尘对巡视器车轮轮轴材料的磨损试验研究

文章以CE-3巡视器车轮轮轴为研究对象,利用北京卫星环境工程研究所的月尘环境模拟器、摩擦磨损试验机以及自行研制的模拟月尘,对车轮轮轴主要材料进行了磨损试验研究。试验样品为轮轴常用的铝合金、聚四氟乙烯及轴承钢。文章分析了试验前后样品的表面形貌,采用测试系统获得了轮轴材料在不同试验条件下的摩擦系数曲线,采用电子天平测量了材料的质量损失;分析了真空、大气、有无月尘等试验条件以及材料本身在磨损试验中的效应。研究结果可为月面巡视器等月面应用设备的研制提供可借鉴的信息。     

面向载人月球探测的月面环境模拟试验关键技术分析

文章针对未来有人参与的月球探测任务,首先开展了月球表面环境地面模拟试验验证需求分析,归纳总结了国内外技术发展现状。然后,提出并分析了载人月球探测地面模拟试验需重点研究的关键技术:真空热环境下月面移动式多体低重力模拟技术;复杂月面环境高精度热流模拟技术;大容量布尘条件下超高真空获得与保持技术;月面辐射与月尘环境模拟技术;月尘防护效能量化评估技术;月面综合环境试验验证技术等。最后,给出了面向载人月球探测的月面环境模拟试验技术研究总体方案,并对月面环境模拟试验技术的发展目标进行了展望。