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。      

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。     

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。     

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.      

模块化月球表层采样力学模型

因不受作业空间的限制，月球表层采样机具设计形式多样，为建模分析带来较大难度。为避免不同结构机具分析时重复建模，建立了一种模块化的月球表层采样力学模型。该模型将复杂的采样机具拆分成若干个基本面单元，基于朗肯土压力理论、最大抗剪强度理论和地基极限承载力理论对面单元在采样过程中的受力进行分析，组合各个面单元所受到的力获得复杂机具的力学模型。基于不同机具形式与贯入角度的模拟月壤贯入试验，对理论模型进行了试验验证，通过引入月壤密度沿深度的影响修正公式，将理论模型的误差率降低至8.2%。结果证明该力学模型和模块化理论可行，为后期月球表层采样机具的设计研发提供了参考。     

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.     

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.     

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。     

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.     

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.     

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.      

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．     

“嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计

介绍了"嫦娥4号"月球背面软着陆任务设计方案。着陆区初步选定为月球背面南极–艾特肯(South PoleAitken,SPA)盆地内的冯·卡门(Von Kármán)撞击坑内。采用中继星实现着陆器和巡视器的对地通信,并选择环绕地月拉格朗日L2点的halo轨道作为其使命轨道。采用CZ-4C火箭和CZ-3B火箭,分别完成中继星和着陆器–巡视器组合体的发射。两器一星上共配置了6台国内研制科学载荷和3台国际合作科学载荷,开展以低频射电天文观测、巡视区形貌、矿物组份及浅层结构为主的科学探测。此外,还搭载了2颗月球轨道编队飞行微卫星、月面微型生态圈和大孔径激光角反射镜,分别开展超长波天文干涉测量试验、月面生态系统试验和超过地月距离的激光测距试验。通过创新设计顶层任务,充分继承成熟技术和产品,增加中继通信功能模块,开放资源引入高性能载荷和搭载项目,将实现一次低成本、短周期、大开放、高效益的月球探测任务。