Optimized design of high-efficiency lunar soil sampling tube structure based on stress–strain law

Understanding the influence of the sampling apparatus on in-situ lunar soil lamination information during the sampling process of the direct push-through lunar weathering layer is of great importance. This paper develops a discrete element model for direct push-through lunar weathering layer sampling using the CUG-1A simulated lunar soil developed by the China University of Geosciences as a simulation object and determines the stress–strain law of the inner wall of a sampling tube. A method for optimizing the inner wall structure of a sampling tube based on the stress–strain law is proposed. The structural disturbance of the marker layer and the lunar soil disturbance rate evaluation function are used to assess the degree of disturbance of the laminar information during the sampling process. The results show that the proposed method can effectively reduce the structural disturbance of the lunar soil in-situ laminar information. In addition, it can also optimize the structural information disturbance of the marker layer. The proposed method can decrease the simulated lunar soil disturbance rate from 0.31 to 0.251 and effectively reduce the penetration force load by 15–20% in the direct push-through sampling process.     

一类月面钻进采样机构的鲁棒控制

在月面复杂环境下采样机构模型会发生摄动,并会受到系统扰动影响,采样控制器的鲁棒性对顺利完成采样任务具有重要意义.针对回转与进尺复合式月面自动钻进采样机构建立名义控制模型,分析月面工作过程中的模型摄动、系统扰动下的控制系统模型,利用线性矩阵不等式方法进行状态反馈鲁棒控制律设计.仿真结果表明:在有界模型摄动、有界随机系统扰动情况下,系统具有鲁棒性,并对扰动具有抑制能力.     

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。     

月面回转钻进采样非脆弱鲁棒控制

回转钻进采样技术是实现月面采样任务的重要手段。回转采样机构在月面复杂环境下会发生模型摄动,并受到外部扰动的影响,采样控制器的鲁棒性对顺利完成采样任务具有重要意义。本文针对回转采样机构,分析了采样过程中的模型摄动、外部扰动影响,建立了采样机构状态空间模型,利用线性矩阵不等式方法设计了状态反馈非脆弱鲁棒控制器,仿真结果表明:在有界模型摄动、有界随机系统扰动情况下,回转钻进采样控制系统内稳定,并对扰动具有抑制能力。     

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。     

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.     

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。     

月壤采样冲击破碎过程的影响参数分析

针对月球表面的月壤采样过程中遇到不同粒度的块状月岩会对钻探取样工作造成不同程度的影响和阻碍的问题，提出了一种通过有限元仿真模型结合类月岩材料力学特性进行有效分析的方法，作为提高效率的依据。首先通过实验和仿真拟合，得到硬度接近于月岩的两种类岩石材料红砖和砂岩的材料模型参数。在此基础上，用实际尺寸的机构有限元模型进行仿真，得到采样冲击机构冲击过程中不同参数的影响。基于该参数分析，对于冲击机构及其冲击过程提出改进建议，可有效提高采样过程中冲击破碎岩石效率。     

嫦娥五号月面上升和下降段实时轨道确定

针对月球探测中月面上升和下降段的实时轨道确定问题,提出基于三向测量的实时自适应当前统计方法。首先,通过自适应当前统计模型描述探测器月面上升下降过程,其次,综合利用三向数据进行测量更新,最后,通过UKF滤波算法完成实时轨道确定。由于自适应当前统计模型具有良好的适应性,该方法能对探测器月面上升和下降段进行有效定位,通过嫦娥五号探测器实际上升和下降过程数据进行测试,结果表明,文章提出的基于三向测量的实时自适应当前统计方法比传统的几何定位方法具有更好的抗差性,对深空目标探测具有一定的工程应用价值。     

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.      

考虑相互碰撞影响的月壤颗粒运动轨迹计算方法研究

针对登月着陆器下降过程扬起月壤颗粒的运动轨迹及空间分布问题, 提出了考虑月壤颗粒发生完全弹性碰撞和非完全弹性碰撞两种情况的月壤颗粒运动轨迹计算方法. 根据质量守恒和能量守恒定律确定月壤颗粒相互碰撞后的速度, 通过羽流场与月壤颗粒的流固耦合相互迭代计算方法, 获得被扬起的月壤颗粒在羽流场和相互碰撞共同作用下随时间的运动轨迹和空间分布. 基于美国Apollo 11登月过程实测数据, 采用数值模拟对该方法进行验证. 结果表明, 考虑月壤颗粒相互碰撞的影响后, 其运动规律出现较明显的扩散趋势. 进一步考虑月壤颗粒相互碰撞引起能量损失的影响后, 月壤颗粒的扩散趋势有所减弱, 并且扬起的高度随着恢复系数的减小而降低.      

基于并行扩展卡尔曼滤波的自主卫星星座导航方法

针对星间距离测量容易受到外界干扰的问题，提出了一种适用于多颗地球卫星和一颗月球卫星的卫星星座自主导航的并行扩展卡尔曼滤波算法.通过解决噪声统计不确定情况下的测量调度问题来选择适当的测量，降低干扰的影响.为了自适应地选择适当的测量，提出一种基于不同来源的测量构造多个子集的并行扩展卡尔曼滤波器，其中每个扩展卡尔曼滤波器用于处理不同测量子集，并基于残差序列计算子滤波器的权重，组合并行滤波器的估计结果.通过与EKF和传统的多模型自适应估计算法进行比较，表明所提出方法在干扰条件下的三轴位置估计误差的稳定性，体现了性能优势.     

模拟月壤铺粉过程DEM数值仿真

空基激光选区熔化（SLM）技术与原位资源利用（ISRU）概念结合，有望解决地外大规模基地建设的工程难题。SLM铺粉过程对成形件性能和质量有重要影响。基于非球形粒子叠加球模型方法，建立模拟月壤颗粒几何模型；基于线性弹簧-阻尼接触作用模型、Hamaker理论及牛顿运动定律，建立颗粒动力学模型；采用三维离散单元方法（DEM）及软球模型，进行不同工况下模拟月壤在铺粉过程中的流变特性研究。结果显示:所提模型和方法能开展指定工况和环境参数的模拟月壤颗粒系统流动性和堆积行为数值仿真研究；月面低重力环境导致粉床表面粗糙度变大、堆积密度和平均配位数变小；通过降低铺粉速度和优化刮刀型面，可以有效改善月基铺粉的粉床质量，获得更密实和均匀的粉床结构。      

月面无人自主采样返回任务动力下降点确定及验证

动力下降点确定是实施月面软着陆的重要环节，是多系统间复杂迭代的过程，涉及轨道设计、制导律设计、着陆目标的采样区确定、着陆及起飞安全分析。其设计结果直接影响了最终着陆点的位置和着陆过程的着陆安全，也间接影响采样安全和采样工程目标的实现结果。针对嫦娥五号在实施月面软着陆前确定动力下降点的任务需求，提出了通过多次轨道控制与最优标称制导轨迹搜索联合控制策略的动力下降点确定方法。首先，根据月面无人自主采样返回任务设计总结了动力下降点确定原理和约束条件；然后，详细论述了月面无人自主采样返回任务软着陆过程动力下降点确定方法；最后，通过嫦娥五号在着陆前主要的几次轨控实施结果分析了其对动力下降点的影响，同时综合了着陆区地形分析及着陆、起飞安全性分析，对动力下降点进行确定并根据最终在轨飞行结果进行验证。验证结果表明，基于“逐次逼近寻优方法”的月面软着陆环节动力下降点的确定方法有效，可以为后续地外天体软着陆等任务提供参考和借鉴。     

An improved altimeter-derived gravity anomaly from shipborne gravity based on the mean sea surface height constraint factors method

Coastal marine gravity modeling faces challenges due to the degradation of the quality and poor coverage of altimeter data in coastal regions. The effective fusion of shipborne gravity data and altimeter-derived marine gravity data can make shipborne gravity data more useful for the accurate estimation of altimeter-derived coastal marine gravity. A mean sea surface height constraint factor (MSSHCF) method based on the ordinary kriging method and the remove-restore technique is proposed to fuse altimeter-derived gravity model with shipborne gravity data. In this method, all data are standardized during the interpolation process to reduce the error and mean sea surface as a vertical variable is added to the semi-variance function in ordinary kriging to obtain the residual shipborne gravity as corrected data source. The coastal marine gravity models V2.1 and V3.1 which fused altimeter-derived gravity data with shipborne gravity data and V1.1 without shipborne gravity data at a spatial resolution of 1′×1′ can be obtained. Validation experiments show that the accuracy of the gravity model V3.1 obtained by the MSSHCF method more closely agrees with the validated gravity model DTU17 and SS V31 than the model V2.1 obtained by the ordinary kriging interpolation method and the V1.1 model. Our results were validated against shipborne gravity data; the accuracy of model V3.1 was 4.95 % higher than the model V1.1 in South China Sea area A and 2.48 % higher in South China Sea area B. Meanwhile, the accuracy of model V3.1 was 2.07 % higher than model V2.1 in South China Sea area A and 2.42 % higher in South China Sea area B. The effects of distance from the coast and sea depth on the marine gravity model were also evaluated. The results show that the gravity model V3.1 has higher accuracy with the change in ocean distance and depth than the V2.1 and V1.1 gravity models. Thus, our study shows that the MSSHCF method effectively refines coastal altimeter-derived gravity using shipborne gravity data.     

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。     

基于相似理论的月球车月面牵引性能预测

引入相似理论对月球车的轮土交互系统进行研究,建立了月壤-车轮交互系统的地面力学相似模型,针对原位月壤内聚力较小的特点,提出了一种无需改变车轮尺寸、以模拟月壤为土壤介质的模型试验方法,对月面重力环境下月球车轮的牵引性能进行预测.利用室内土槽试验和颗粒流仿真相结合的方法对该模型试验方法的有效性进行验证,验证结果与模型试验的理论分析结果较为接近,表明该法具有较好的可行性和有效性,可考虑用于预测月球车的月面牵引性能.     

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。