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。     

月壤水冰组构模拟及力学特性测试分析

针对月球遥感探测无法获知月壤水冰物理力学特性的定量信息,分析了月壤水冰采样探测与原位利用的技术难点,提出一种基于"相似性、等效性、均一性与覆盖性"的月壤水冰组构模拟方法,并在月面极区拟实温度环境下开展抗剪强度与泊松比测试,获得温度与含水率对月壤水冰力学特性的影响规律,得到了在特定条件下月壤水冰抗剪强度与泊松比的包络范围...     

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.     

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。     

基于非线性混合模型研究太空风化对月壤光谱的影响

月表太空风化会改变月壤光谱特征, 影响月壤元素遥感反演精度. 研究太空风化对月壤光谱的影响有助于开发月壤成熟度光谱解耦算法, 提高月壤成分遥感反演精度. 直接对比月壤风化前后光谱的变化能最真实反映太空风化对光谱的影响, 但无法获取未风化的月壤样品, 利用实验室模拟方法开展研究也存在缺陷. 本文提出了一种简便的方法来研究太空风化对月壤光谱的影响, 并以月海样品为例进行探讨. 利用Hapke模型对月海样品组成矿物光谱按照实测含量进行非线性混合, 并通过对比混合后的光谱与实测的月壤光谱, 研究太空风化过程对月壤光谱的影响. 研究结果表明, 月壤在遭受太空风化后反射率降低, 波长越短降低越显著; 月壤背景吸收斜率增大, 月壤变得更红, 月壤矿物特征吸收峰深度降低, 光谱对比度变弱, 长波吸收峰(2.0μm附近)深度降低程度超过短波吸收峰(1.0μm附近)深度. 未来在利用遥感技术反演月壤元素含量时, 必须考虑这些因素.      

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...     

刚性车轮月面牵引通过性的模型试验

以重塑模拟月壤为介质,利用深空探测车车轮牵引特性实验台,研究了月面巡视探测器的刚性轮齿车轮与模拟月壤的交互作用,分析了车轮转速、轮上载荷等试验因素对车轮牵引通过性的影响.研究结果表明,当车轮转速较低时,挂钩牵引力随滑转率的增加而不断提高;当车轮转速较高时,存在着临界滑转率点.轮上载荷的增加有利于提高车轮的挂钩牵引力,但对挂钩牵引力系数的影响较小.     

粒子激发X射线谱仪的热设计和热仿真计算

粒子激发X射线谱仪(APXS)安装在月面巡视器外部,利用巡视器的机动性和机械臂的灵活性,可以对月面有研究价值的月岩及月壤进行有针对性的探测.由于裸露在巡视器外部,月球复杂外热流会对APXS产生较大影响.鉴于此,需对APXS进行合理的热设计,以保证APXS的探测器和电子学器件工作在允许的温度范围内.提出了APXS的热设计方案,据此对APXS进行热仿真计算,计算结果得到了相应热平衡试验的较好验证.      

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．     

CAS-1 lunar soil simulant

Lunar soil simulant is a geochemical reproduction of lunar regolith, and is needed for lunar science and engineering researches. This paper describes a new lunar soil simulant, CAS-1, prepared by the Chinese Academy of Sciences, to support lunar orbiter, soft-landing mission and sample return missions of China’s Lunar Exploration Program, which is scheduled for 2004–2020. Such simulants should match the samples returned from the Moon, all collected from the lunar regolith rather than outcrops. The average mineral and chemical composition of lunar soil sample returned from the Apollo 14 mission, which landed on the Fra Mauro Formation, is chosen as the model for the CAS-1 simulant. Source material for this simulant was a low-Ti basaltic scoria dated at 1600 years from the late Quaternary volcanic area in the Changbai Mountains of northeast China. The main minerals of this rock are pyroxene, olivine, and minor plagioclase, and about 20–40% modal glass. The scoria was analyzed by XRF and found to be chemically similar to Apollo 14 lunar sample 14163. It was crushed in an impact mill with a resulting median particle size 85.9 μm, similar to Apollo soils. Bulk density, shear resistance, complex permittivity, and reflectance spectra were also similar to Apollo 14 soil. We conclude that CAS-1 is an ideal lunar soil simulant for science and engineering research of future lunar exploration program.     

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。     

大型航天器的真空热试验技术

介绍KM6设备做大型航天器真空热试验技术，包括：热平衡试验技术、热真空试验技术。并分别介绍了大型航天器的试验的必要性、试验工况、试验技术状态、外热流控制系统、测试系统。     

Upwards migration phenomenon on molten lunar regolith: New challenges and prospects for ISRU

As part of our research on the feasibility of producing commodities from lunar regolith by thermal-driven processes with minimal terrestrial precursors we need to characterize, reproduce, and understand thermophysical properties of the molten regolith still unforeseen under the lunar vacuum conditions at a scalable sample size. Two unanticipated phenomena, apparently caused by lunar melt’s surface tension under vacuum, have been revealed in our research work, vacuum void formation and upwards migration. In this paper we present our findings and thinkable explanation on the upwards migration phenomenon experimentally observed and consistently replicated as JSC-1A lunar regolith simulant melted at high vacuum. Upwards migration of molten lunar regolith will make future lunar ISRU’s melting processes both challenging as molten bulk material would migrate upwards along the container’s walls, and also promising on new opportunities for alternative ISRU’s sustainable processes as regolith’s upwards migration takes place in uniformed thin-film pattern. Among the potential ISRU’s processes that might use controlled thermal thin-film-based migration without the necessity of terrestrial precursors are production of feedstock for 3D printing, fractional separation of regolith’s component’s (O₂, metals, and alloys) via pyrolysis, film coating, purification of valuables solid crystals including silicon, and fabrication of key elements for microfluidic, and MEMS devices. Thermal upwards migration phenomenon on JSC-1A’s melt is formulated and explained by the authors as due to thermal Marangoni effect (also known as thermo-capillarity) in which temperature gradients within the melt’s bulk and along the crucible’s wall yield the surface tension large enough to supersede the gravitational force and yield the experimentally observed upwards thin-film migration. As far as the authors know, upwards thermal migration of molten JSC-1A (or other lunar simulant regolith) under vacuum has not been reported in the literature. A thermal mathematical model accounting for thermal Marangoni effect on molten JSC-1A agrees with what experimentally was observed, the formation of the meniscus on the melt-wall surface interface along with an incipient upwards migration in thin-film pattern along the crucible wall that, according to the model, experiences large temperature gradient, an important factor to trigger the thermal Marangoni effect along with the fact that surface tension of the molten lunar regolith material is temperature dependent.     

论航天器的热试验

论述了各种类型热试验 （热平衡试验、热真空试验、热循环试验） 在航天器研制中的重要性及它们的做法要点。针对当前试验中出现的问题, 强调了组件级, 尤其是电子电工产品热试验 （热真空试验及热循环试验） 和整星级发射星热真空试验对提高航天器可靠性所起的重要作用, 并提出了相应的建议。