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.     

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。     

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。     

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。      

基于颗粒单向流动效应的手持式月壤取心装置设计

获取具有良好层理信息的月壤剖面样品是未来载人登月任务中的重要工作之一。针对传统贯入式取心存在的贯入阻力大、取心率低等问题,将与取心管壁相接触的月壤颗粒排出是有效的解决方案。基于依靠振动及非对称摩擦功能界面实现月壤颗粒单向流动的原理,提出了一种适于宇航员手持操作的取心装置设计方案,对关键零部件进行了详细的结构设计。利用离散单元法数值模拟软件EDEM对其取心性能开展了研究。结果表明:相比于传统静压贯入式取心器,该取心装置可有效提高取心率,并降低取心过程中受到的阻力。     

月壤取芯钻具热特性有限元分析

根据取芯钻具的特点、使用情况以及空间环境要求,在简化模型的基础上,利用有限元分析方法研究了月壤取芯钻具的热特性。首先计算了取芯钻具在飞行阶段高、低温存储环境影响下的变形和应力分布;其次计算了取芯钻具在工作阶段不同钻进条件下的变形及应力分布情况,提取了关键点的温度和位移参数;最后研究了取芯软袋与取芯管之间的间隙变化情况。根据有限元分析得到的数据结果,证明了各部位选择的材料以及配合间隙等满足要求,可为未来工程应用提供理论依据。     

施必牢螺纹在采样钻具防松连接中的应用研究

在月面环境下实施钻取采样作业任务,采样钻具将受到驱动部件的高频冲击作用以及月壤交变载荷的复合作用,钻进过程中还可能需要钻具反转。为了确保在各种复杂条件下钻具的螺纹连接不松脱、不错相,对采样钻具螺纹连接失效模式进行了分析,提出了一种应用施必牢螺纹实现防松的方案,并与标准螺纹进行了对比性实验研究,验证了施必牢螺纹在采样钻具中应用的可行性。     

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.     

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.     

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。     

Research on the evaluation method of lunar soil disturbance based on the fitting of Gaussian surface

It is crucial to maintain the layer sequence information on in situ lunar soil during the lunar soil sampling. In this paper, a discrete element model for direct push sampling of the lunar weathering layer is established, and the relationship between the perturbation rate of the lunar soil layer sequence information and the sampling depth is obtained. A quantitative evaluation method of the perturbation rate of the structural information on the lunar soil layer sequence based on the Gaussian curvature is proposed by reconstructing the center-of-mass point cloud model of the marked layer lunar soil particles in MATLAB. The proposed method can accurately describe the perturbation rate of lunar soil layer sequence information and can analyze the degree of lunar soil disturbance according to the displacement of the sampling tube and mechanical parameters in real-time inversion during the sampling process. When the sampling depth is 40 mm, the minimum and maximum perturbation rates of sampling along the penetration direction of the machine are 5.261 % and 27.649 %, respectively. The perturbation rate shows a trend of first decreasing and then increasing. The method proposed in this study could effectively solve the problem that the disturbance of lunar soil bedding information was difficult to evaluate in the sampling process of lunar regolith.     

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.      

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.     

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。