真空环境下月壤颗粒受力影响因素及对空间分布的影响

针对登月着陆器下降过程中扬起的月壤颗粒与羽流场的相互作用问题,分析了月壤颗粒在羽流场中受力的主要影响因素,讨论了月壤颗粒受到的曳力、升力和重力计算公式及适用范围.通过量级分析对这三种力进行计算,分析了影响月壤颗粒运动及空间分布的主要作用力.通过对惯性修正因数f_I、表面滑移修正因数f_C和周围颗粒影响修正因数f_F相关颗粒雷诺数、克努森数及孔隙率在羽流场中的分布进行计算,讨论了三种修正因数对月壤颗粒速度以及空间分布的影响.计算结果表明,f_I和f_F修正使得月壤颗粒纵向速度及扬起月壤颗粒的最高高度略有减小,而f_C修正对这两方面的影响并不明显.     

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.     

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.      

锥形物体对月壤冲击过程的试验及离散元分析

月球探测器着陆过程中着陆器足垫首先与月壤接触,因此,足垫的动力响应直接关系到探测设备的安全着陆及后续工作的实施。采用试验和离散元数值模拟的方法,以锥形物体代替实际足垫,对冲击模拟月壤过程中锥形物体的锥角和冲击速度及质量的影响进行详细研究。离散元模拟获得的结果与试验结果一致。研究结果表明,冲击速度和质量决定了锥形物体与模拟月壤颗粒之间的动量转移,对冲击过程有很大的影响;当采用不同锥角的锥形物体冲击时,由于锥形物体与颗粒介质接触面积的影响,随着锥角的增大其冲击深度和冲击时间均减小,而锥形物体受到的冲击力峰值逐渐增大。此外,对冲击过程中颗粒的速度矢量进行讨论,从细观角度对颗粒介质在冲击载荷作用下的动力特性及颗粒间的相互作用进行探讨。以上结果对航天着陆器的着陆过程的研究提供了理论依据,并且对利用特种设备在月球表面进行贯入探测具有一定的参考价值。     

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SLM的模拟月壤原位成形技术

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。利用模拟月壤考察了SLM成形技术用于月球原位资源增材制造的可行性。采用高能束激光为热源,对粉床内模拟月壤颗粒进行逐层照射,使颗粒熔融固结。以激光体积能量密度为综合评价指标,开展SLM工艺参数研究,实现模拟月壤的低能耗、高效率、高几何精度成形。研究结果表明:模拟月壤在激光工作波长吸收率高,热稳定性好,利用较低激光能量可实现模拟月壤SLM成形,成形件几何精度高;激光体积能量密度决定了成形件质量,增加激光体积能量密度可以提高成形件力学性能,但过高的激光体积能量密度使成形件发生严重变形;模拟月壤颗粒形态复杂、粒度分布广、流动性差,通过优化颗粒粒径分布范围,可以有效提高粉体的流动性,从而形成致密且均匀的粉床,避免成形件缺陷的产生。      

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.      

深空探测车可变直径车轮牵引通过性分析

提出了一种可变直径轮深空探测车,其具有结构紧凑、越障能力强、重心低、运行平稳等优点.考虑了月球重力环境和月壤的力学特性,应用基于贝克模型的地面力学理论,分析了深空探测车可变直径车轮与月壤间的相互作用,对轮片展开和车轮下陷做了合理的简化,对不同滑转条件下探测车轮的挂钩牵引力、驱动力矩和驱动效率进行了计算,结果表明车轮的展开减小了推土阻力,车轮的挂钩牵引力和驱动效率都比车轮收缩状态有了明显的提高,并获得了使驱动效率达到最大值的滑转率的范围.      

双体振贯采样磁力驱动式月壤采样器设计

为降低月壤采样器的功耗,并减小工作反力,提出一种双体振贯式采样方法,详细设计了两种不同磁力驱动方式的采样器,采用电磁仿真软件得到了采样器的驱动力,利用离散单元法数值模拟软件研究了颗粒单向运移特性,开展了采样器对模拟松散月壤和月壤硬岩的掘进采样试验,验证了采样器的驱动力大小.试验结果表明:采样器针对模拟松散月壤具有较高的...     

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。      

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。     

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.      

三层月壤模型的多通道微波辐射模拟与月壤厚度的反演

由月球表面数字高程试验性地构造了整个月球表面月壤厚度的分布.根据Clementine探月卫星的紫外-可见光光学数据,计算了整个月球表面月壤中FeO+TiO2含量分布,给出了整个月球表面月壤介电常数分布.由月球表层温度的观测结果以及月壤的导热特性,给出了月尘层与月壤层温度随纬度分布的经验公式.在这些条件的基础上,建立了月尘、月壤、月岩三层微波热辐射模型.由起伏逸散定理,模拟计算了该月球模型多通道辐射亮度温度.然后,以此辐射亮度温度模拟加随机噪声为理论观测值,按三层模型提出了月壤层厚度反演方法.由于高频通道穿透深度小,由高频通道的辐射亮度温度按照两层月尘-月壤微波热辐射模型反演月尘层与月壤层的物理温度,再由穿透深度较大的低频通道辐射亮度温度反演月壤层厚度.对于反演的相对误差也进行了讨论.      

着陆器足垫冲击月壤动态行为离散元仿真分析

研究着陆器与月壤的相互作用对着陆稳定性、安全性和着陆机构设计具有重要的意义。建立了具有角度的着陆器足垫冲击月壤的动态作用力学模型,并通过离散单元法分析了足垫在0°、8°、15°和22°冲击角度和1 m/s、2 m/s和4 m/s冲击速度下月壤的动态变化情况,得出了在冲击速度4 m/s、冲击角度为0°时,冲击力最大为5 080.6 N;在竖向位移相同的情况下,冲击角度越大冲击力越小。另外,足垫冲击月壤角度越大对月壤的压实作用越小,其中22°时,前后孔隙率变化为26.5%。冲击角度一定时,速度越大对月壤的压实较滞后,而压实程度较大,冲击速度为4 m/s时,前后孔隙率变化为78.1%。研究结果对着陆机构设计和着陆控制具有参考意义。     

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。     

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。     

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...