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。     

载人登月与深空探测工程科技论坛召开

<正>以"载人登月与深空探测"为主题的中国工程院科枝论坛于2010年11月5日在北京召开,包括30余位院士在内的航天及相关领域的领导、专家和学者出席了论坛。本次论坛旨在深入研讨载人登月与深空探测系统的技术需求和发展趋势,以及中国实施载人登月与深空探测的发展思路和设想,共同谋划中国载人登月与深空探测的未来发展。与会专家、学者针对载人登月与深空探测发展态势和科学目标,中国深空探测的成就和未来发展,中国载人     

Q345钢两相流冲蚀实验研究

冲蚀磨损广泛存在于民用、工业、军工等领域中，常导致设备受颗粒撞击形成不同程度的损伤。选用Q345钢开展液固两相流冲蚀实验，基于失重法和表面分析技术研究颗粒粒径、颗粒质量分数、冲蚀角度（15°～90°）、冲蚀时间等因素对冲蚀磨损的影响，并对冲蚀后的样品表面形貌特征进行分区。实验结果表明：随颗粒质量分数增大，冲蚀失重量上升的速率逐渐趋于平缓；3D形貌观测发现，颗粒质量分数高于0.1%后，材料表面全部受到了侵蚀，最大冲蚀深度降低；30°冲蚀角度附近Q345钢的质量损失最大，这与其较强的韧塑性有关。基于金相显微拍照分析，90°射流冲击后样品表面分成3个区域，靠近喷嘴外边缘的2区内坑洞和犁沟数量最多，损伤最为严重，这与射流流场特性和颗粒分布有关。     

小天体的多种尺寸颗粒样品收集容器流域的数值模拟

采集小天体表面的样品并返回是当前小天体探测的核心目标之一，样品容器流域设计是氮气激励采样技术的关键.为了保证样品容器具备高效的收集性能，要求样品容器的流域设计能够对样品颗粒形成陷阱效应，并对样品颗粒进行有效的分级.旋风式样品收集容器方案利用旋风离心力和引导叶片的共同作用对样品颗粒进行收集和分级.为了验证这种方案在微重力环境下的性能和可行性，本文利用Fluent软件进行了流域的数值模拟.模拟结果表明:在确定容器的结构下，样品容器的最优氮气入口速度为0.6 m·s-1，容器在该速度下的样品收集效率达到99.7%.样品容器的流域具备很好的颗粒分级功能，对小于2mm的样品颗粒的捕获率超过了90%，其压力损失也在合理的范围之内.本文研究结果可为小天体采样任务提供借鉴.      

载人登月舱月面着陆缓冲装置设计与研制

基于着陆冲击动力学实现载人登月舱月面着陆缓冲装置的方案设计,并分别开展机构运动分析、振动响应分析和着陆冲击特性分析,对着陆缓冲装置进行了全面的仿真分析计算。在此基础上研制了全尺寸载人登月舱月面着陆缓冲装置原理样机,并结合分析优化结果进行了试验验证。该研究为研制大收拢比、大尺寸、大载重、低过载的载人登月舱月面着陆缓冲装置奠定了技术基础。     

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...     

硅化物涂层电子束重熔表面改性技术

在Nb521铌合金表面采用料浆烧结法制备硅化物涂层,利用高频扫描电子束对硅化物涂层进行重熔处理,通过扫描电子显微镜对处理样品表面形貌进行组织结构分析。研究表明,经过电子束重熔处理,硅化物涂层表面陶瓷晶粒粒度降低,表面粗糙度降低,陶瓷颗粒之间烧结作用增强,重熔区域与未处理区域具有明显的边界,电子束能量分布较均匀,电子束重熔提高了硅化物涂层的抗氧化性能和抗热震性能。     

一种基于压电驱动的火星岩石钻探器的研制

钻取采样是未来火星探测采样任务中获取星表岩石样本的一种有效方式。压电驱动的超声波钻取采样技术以压电陶瓷作为作动元件,对火星表面复杂环境具有一定的适应性。基于高频冲击钻进的工作原理,超声波钻探装置容易刺入火星表面坚硬的岩石。作为一种轻质小巧、低功耗的钻探器,超声波钻探器非常适合火星表面岩石的原位探测采样任务。本文借助仿真和试验手段验证了超声波钻探器的岩石钻进能力和钻探效率。超声波钻探器的研制可为未来火星表面岩石的钻探采样任务提供技术参考。     

建造国际月球基地的计划和日程

20年前,1969年7月,美国“阿波罗”计划的3名宇航员首次登上月球。到1972年,“阿波罗”登月达到6次,12名宇航员在月球活动80小时,宇航员在月球表面6个不同地点间行走了90公里,将约400公斤岩石和土壤样品带回地球。由于开发月球的费用很高(当时估计25×10~9美元),美国改变了载人登月的空间优先发展政策,因而未能提出建立永久性月球基地的计划。美国国家空间委员会1986年曾提交过一份报告,主要内容之一是在下世纪的第一个10年重新飞上月球,而后于21世纪的第3个10年进行载人火星探险。     

光辉岁月:从地球到月球

美国航空航天局从1961年～1972年从事的一系列载人航天飞行任务,任务名称是阿波罗计划,在20世纪60年代主要致力于完成载人登月和安全返回的目标。1969年阿波罗11号宇宙飞船完成了这个目标,尼尔·阿姆斯特朗成为第一个踏上月球表面的人。为了进一步执行在月球的科学探测,阿波罗计划一直延续到20世纪70年代早期。阿波罗计划总共耗资约240亿美元,因此有人认为,资金是美国能领先一步登月的最大因素。     

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。     

地外天体潜入式探测典型案例分析及展望

针对地外天体星壤剖面的潜入式探测任务,对星球表面热场、星壤剖面原位力学特性等科学目标探测的基本原理、实现方案和典型案例进行了资料调研与分析,并阐明了国际上开展地外天体星壤剖面潜入式探测活动的目的和科学意义。在此基础上,提出了我国月面采样科学目标拓展方案以及我国开展潜入式探测的预先研究规划,对蠕动掘进和冲击贯入式探测方案的基本原理和应用前景进行了分析。     

月面广义资源探测及其原位利用技术构想

以载人登月场景下的月面资源精细化利用为目标,概述了月面资源探测与原位利用技术的国内外发展现状。针对未来载人登月探测任务规划以及确定预先研究目标的实际需求,提出了月面环境资源的广义分类和精细化利用思想,并以载人登月场景下的"人器机环境"系统为研究对象,细化了可在轨利用的资源、需带回地球的样本资源和人机废弃物资源等三类资源的拓扑组成。本着继承与创新兼顾、前瞻性与实用性包容的概念研究理念,重点阐述了宇航员人因主导的矿物资源勘查、月面环境条件的资源化利用、多态样本的采集、人机废弃物的循环利用等月面广义资源的探测与原位利用技术途径。     

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。     

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.     

载人小行星探测的总体方案设想

载人探测近地小行星的工程规模和技术难度介于载人探月和载人火星探测之间,是人类开展载人火星探测和飞向更遥远深空的跳板,对于航天技术的发展和科学问题的探索有着极其重要的意义。在调研国外载人小行星探测方案设想的基础上,结合我国航天技术现状和发展趋势,提出了一种载人小行星探测的总体方案设想,并梳理了载人小行星探测的关键技术。研究成果可以作为我国载人小行星探测任务论证和设计的有益参考。     

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.     

月球基地建设方案设想

随着月球探测的深入发展,国内外众多月球探测方案和月球开发计划均将月球基地建设作为一个重要目标。月球基地建设将服务于后续无人月球探测和载人登月探测任务。通过月球基地的功能和意义分析,对月球基地的选址约束、建设步骤和实施过程提出了初步构想,并针对典型的探测站/器进行了分析。在此基础上,根据我国运载能力,提出了月球基地方案构想,并对月球基地建设的若干关键问题进行了初步探讨,可为后续月球基地建设提供参考。     

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。