梯形齿车轮月面牵引性能的离散元分析

采用离散元法分析梯形齿车轮在月面软土地形的通过性,提出不规则形状颗粒群系统的离散元建模技术,建立车轮牵引性能参数的细观表达式.基于模拟月壤的直剪实验数据,通过反复调试获得最佳土单元模型参数.轮-土作用的离散元分析结果表明:车轮在月壤地形的牵引性能与滑转率和轮齿结构有关,增加滑转率可获得更高的挂钩牵引力,但同时车轮所需的驱动转矩提高;增加轮齿高度可获得更大的土壤推力,但行驶阻力也相应增大;轮齿数量对车轮牵引性能影响较小,但影响车轮在行驶中的平顺性.     

深空探测车单轮牵引性能的离散元仿真

利用离散元数值分析方法,对矩形、直角梯形和三角形截面轮齿车轮与土壤颗粒单元的相互作用进行仿真研究.分析细观尺度下,土壤颗粒单元受3种轮齿车轮扰动后的接触反力分布规律.采用坐标转换和代数求和的数学方法,建立细观离散元分析结果与宏观车轮牵引性能参数的对应关系,推导土壤推力、行驶阻力及其挂钩牵引力的表达式,以研究轮齿截面的几何形状对车轮牵引性能的影响.计算结果表明,在相同行驶环境下,直角梯形轮齿车轮具有最佳的牵引性能.      

月球车车轮与模拟月壤相互作用试验

设计搭建了深空探测车车轮牵引特性试验台,制备了轮土试验用模拟月壤,在土槽中进行了模拟月壤的整备,重塑了就位月壤的力学特性.对不同轮齿类型的刚性车轮进行了牵引特性试验,分析了轮下模拟月壤的剪切破坏和车轮行驶阻力的表现形式.结果表明:增大轮上载荷能够提高挂钩牵引力,车轮的牵引效率随着滑转率的增加呈现先增加后降低的趋势;随着轮齿高度的增加,挂钩牵引力会随之增大,车轮的最大牵引效率有所降低;随着轮齿数目的增加,挂钩牵引力会随之增大,车轮的牵引效率变化不大;车轮转速在数值较低的范围内变化时,对牵引性能的影响较小.     

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。     

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。     

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。     

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.      

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.     

驱动轮结构参数对月球车牵引性能影响研究

研究在月球表面环境下月球车的牵引通过性能,对保证其正常探测工作具有重要意义.根据牵引性能的评价指标,在模拟月壤-车轮土槽测试系统上对不同结构参数的驱动轮牵引性能进行对比试验.结果表明,当增大驱动轮宽度和直径时,其挂钩牵引力和效率系数都呈增大趋势;增大驱动轮的轮刺高度,挂钩牵引力增大;当滑转率小于20%时,效率系数随着轮刺高度的增大而增大,而当滑转率大于20%时,效率系数随着轮刺高度的增大而减小;增大驱动轮轮刺密度时,其挂钩牵引力和效率系数随之先增大后减小.      

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...     

Electrostatic particle collection in vacuum

Lunar grains accumulate charges due to solar-based ionizing radiations, and the repelling action of like-charged particles causes the levitation of lunar dust. The lunar dust deposit on sensitive and costly surfaces of investigative equipment is a serious concern in lunar explorations. Inspired by electrostatic precipitators (ESPs), the Electrostatic Lunar Dust Collector (ELDC) was proposed for collecting already charged lunar dust particles to prevent the lunar dust threat. As the conditions for terrestrial counterparts are not valid in the lunar environment, equations developed for terrestrial devices yield incorrect predictions in lunar application. Hence, a mathematical model was developed for the ELDC operating in vacuum to determine its collection efficiency. The ratios of electrical energy over potential energy, kinetic energy over potential energy and the ratio of ELDC dimensions were identified to be the key dimensionless parameters. Sensitivity analyses of the relevant parameters showed that depending on ELDC orientation, smaller particles would be collected more easily at vertical orientation, whereas larger particles were easier to collect in a horizontal ELDC configuration. In the worst case scenario, the electrostatic field needed to be 10 times stronger in the vertical mode in order to adequately collect larger particles. The collection efficiency was very sensitive to surface potential of lunar dust and it reached the maximum when surface potential was between 30 and 120 V.     

发动机羽流作用下的实时月尘运动仿真

月尘运动是月球探测器软着陆过程中不可或缺的重要环节,针对发动机羽流作用下月尘运动真实感不强和月尘颗粒运动模型过于简单的问题,提出了一种逼真的实时月尘运动仿真方法.通过计算流体动力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)和二次谢别德插值(Quadratic Shepard)方法,分析和计算单个月尘颗粒的运动学模型,得到一定初始条件下粒子运动的二维轨迹曲线;通过分析粒子的数量、初始位置、初始速度、生命周期等参数对粒子运动学的影响和变化规律,抽象出月尘系统的粒子集;建立基于月尘粒子集的月尘运动模型.实验结果显示:该运动模型逼真的模拟了发动机羽流作用下月尘腾起、飞溅、弥漫、消散等运动过程,视觉真实感和实时性能良好,对研究真空环境中的月尘运动及月球软着陆等相关领域具有一定的参考意义.目前该方法已应用于北航虚拟现实国家重点实验室月球软着陆仿真系统.     

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.     

悬浮月尘的遮挡模型

探月活动中,月表的尘埃会对太阳翼等光电器件的工作效率造成严重影响.基于附着月尘的遮挡模型,从立体空间的角度分析了悬浮月尘对工作器件的遮挡,提出了悬浮月尘的单粒度遮挡模型,利用月尘的平均粒度可计算在指定立体空间内,定量月尘造成的遮挡量;引入月尘的粒度分布函数,提出了悬浮月尘的多粒度遮挡模型,能够计算已知粒度分布函数的月尘在指定立体空间内造成的遮挡量;通过设计悬浮月尘遮挡的仿真实验,分别利用3种不同粒度大小的月尘进行实验,实验数据与悬浮月尘的单粒度、多粒度遮挡模型的理论计算值都较好吻合,实验结果证实了悬浮月尘遮挡模型的正确性与可靠性.      

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。     

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.      

近月空间带电粒子环境——“嫦娥1号”“嫦娥2号”观测结果

“嫦娥1号”（CE-1）、“嫦娥2号”（CE-2）都安装了1台太阳高能粒子探测器（High-energetic ParticlesDetectors,HPD）和2台太阳风离子探测器（Solar Wind Ion Detectors,SWIDs）,进行了月球轨道200 km和100 km空间环境探测,获得了月球轨道空间高能带电粒子（质子、电子和重离子）能谱随时间的演化特征、等离子体与月球相互作用特征以及太阳风离子速度、密度和温度参量。空间环境探测数据分析结果表明：太阳活动低年、空间环境扰动水平相对较低、月球处于太阳风中时,近月空间带电粒子环境的基本特征与行星际空间相比变化不大。CE-1、CE-2在轨运行期间,发现了多起0.1～2 MeV能量电子急剧增加事件,这些事件发生在月球从太阳风运动到磁尾的所有空间区域,其中20%的事件伴随着卫星周围等离子体离子加速。模拟和统计研究表明：能量电子急剧增加使得绕月卫星和月球表面电位大幅下降导致了离子加速现象的发生;能量电子总流量大于10¹¹ cm^-2时,绕月卫星和月球表面充电电位可达负的上千伏。此外,月表溅射与反射太阳风离子、太阳风“拾起”离子等空间环境事件的发现,揭示了太阳风离子和月球存在复杂的相互作用过程。