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.     

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。     

月壤水冰组构模拟及力学特性测试分析

针对月球遥感探测无法获知月壤水冰物理力学特性的定量信息,分析了月壤水冰采样探测与原位利用的技术难点,提出一种基于"相似性、等效性、均一性与覆盖性"的月壤水冰组构模拟方法,并在月面极区拟实温度环境下开展抗剪强度与泊松比测试,获得温度与含水率对月壤水冰力学特性的影响规律,得到了在特定条件下月壤水冰抗剪强度与泊松比的包络范围...     

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。     

地月平动点中继应用轨道维持

地月平动点中继应用轨道对于月球背面探测具有十分重要的应用价值,由于地月平动点的不稳定性,必须进行轨道维持。文章研究了真实力模型下月球平动点中继应用轨道的维持。首先,基于限制性三体问题下平动点轨道的运动特性,研究了平动点轨道维持的数学模型与维持策略,提出了平动点轨道维持的连续环绕控制方法,并给出了轨道维持的Halo和Lissajous两种控制方式;其次,充分考虑各天体和光压摄动下,采用数值手段研究了不同幅值的地月平动点周期中继应用轨道的维持间隔与速度增量等。研究结果表明:Lissajous控制方式适用于月球平动点中继应用轨道的维持,在给定测控精度条件下,维持间隔约7.4d,速度增量优于20m/s/a。该方法已经成功应用于我国"嫦娥2号"日地平动点任务和"嫦娥5T1"地月平动点任务并获得了良好的控制效果,还可直接应用于我国未来"嫦娥4号"等月球背面探测任务。     

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.      

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。      

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。     

小通道并联管干涸热动力学特性实验

针对小通道并联管在沸腾传热过程中传热不稳定的问题,对小通道并联管在干涸时的热动力学特性进行研究。首先,通过观察小通道并联管内干涸点前后流型的转变,将流型分成环状预警区、干涸初始点区和雾状干涸区3个区域。对3个流型下并联通道沸腾传热过程中通道内工质干度和传热系数的变化进行分析,发现随着干涸的发展,通道沸腾传热系数下降明显。然后,对通道3个流型下的压降信号,通过自适应最优核时频表示法（AOK-TFR）、自回归（AR）模型功率谱分析法和递归图分析法进行分析,发现在干涸初始点区,通道内反复出现干涸现象,且回流现象严重。最后,通过对递归图分析法中特性参数归纳总结,得到干涸初始点区与环状预警区、雾状干涸区的区别,实现通过压降信号检测干涸的目的。研究结果可对小通道沸腾传热领域中的热动力学特性进行补充和完善。      

贮箱内低温推进剂汽化过程的CFD数值仿真

为研究贮箱内低温推进剂相变对推进剂温度和贮箱压力的影响,对贮箱内的传热传质过程进行了仿真.仿真涉及的物理过程包括贮箱与外界环境的换热、推进剂的自然对流、推进剂与贮箱内壁面的换热以及低温推进剂的相变过程等.根据热力学平衡原理建立了低温推进剂相变模型,使用CFD(Computational Fluid Dynamic)方法对处于地面常压停放状态的液氢贮箱进行了450 s的仿真.研究表明随着贮箱壁面传热过程的稳定,推进剂的温度分布、流动状态以及相变情况会趋于稳定;通过仿真获得了推进剂单位时间的汽化量;影响相变的主要因素是贮箱壁面漏热以及推进剂自身的对流运动.     

微重力下相变储能单元融化过程数值模拟

为探究微重力环境中,通过肋片强化了传热的相变储能单元中相变材料融化过程,通过数值模拟方法探究了微重力作用时相变材料融化过程中传热特性。通过地面实验与重力作用下数值模拟结果对比验证数值模拟方法的准确性,对比重力和微重力作用2种情况下数值模拟结果以揭示微重力环境中相变材料融化过程的特性。结果表明,当相变储能单元受微重力作用时,相变材料融化速率明显下降,热量主要通过热传导传递,融化的相变材料从顶端膨胀溢出向空间扩散,局部低温区域在相变储能单元中上部。      

固-膏体燃气发生器热结构分析和仿真

固-膏体燃气发生器是一种新型的燃气发生系统,是潜地导弹变深度弹射系统中的核心部件。为了研究固-膏体燃气发生器工作后膏体储存室的温度分布情况,采用源项法结合动网格技术、RNG k-ε湍流模型和离散坐标（DO）辐射模型对固-膏体燃气发生器的工作过程进行了数值仿真,并对不同膏体推进剂挤压流量下的膏体推进剂的温度分布作了对比研究。结果表明,传入膏体储存室的热量大部分来自于挤压室内的高温燃气,且整体热量的传导主要在轴向进行。随着膏体推进剂挤压流量增加,膏体储存室内的最高温度和平均温度均有所增加。研究结果可以为该型号固-膏体燃气发生器的热防护设计和改进提供相关参考。      

一种自冷却结构燃油泵滑动轴承润滑特性分析

为研究低介质黏度和自冷却结构限制下的航空燃油泵滑动轴承润滑特性分布规律,基于油膜动压润滑流动的Reynolds方程和等效黏度润滑流动模型,以绝热流动为假设简化滑动轴承内部流动的能量积分方程,构建一种联合Reynolds方程和绝热流动能量积分方程的燃油泵滑动轴承热流动润滑流动模型。采用CFD数值模拟和有限差分法相结合的混合仿真方法,分别对不同的间隙比、偏心率、宽径比条件下的滑动轴承的油膜压力、油膜厚度、油膜温度、端泄漏量、摩擦阻力等润滑特性进行了仿真分析。仿真结果表明:采用CFD计算滑动轴承径向载荷精度优于4.0%;保持偏心率不变,油膜承载力随着间隙比的增加而单调下降,油膜厚度随着间隙比的增高而增加;保持间隙比不变,油膜的承载力随着偏心率的增大也逐渐增大,油膜厚度随着偏心率的增高而下降,而油膜温度与油膜厚度成反比,且随着偏心率的升高,油膜温度的峰值越来越明显;当偏心率、间隙比一定时,可通过增加宽径比提高滑动轴承的油膜承载力。因此在滑动轴承的设计中,需综合考虑油膜承载力、端泄漏量、油膜厚度和温升间的相互制约因素,合理地优化间隙比、宽径比和偏心率以提高滑动轴承润滑性能。      

Mercury: can any ice exist at subpolar regions?

The heat transfer in a regolith subsurface layer of thickness 20 m has been theoretically simulated for the areas near Mercury's north pole aiming at the clarification of the possible existence of subsurface ice formations of different form. The paper considers different models of the icy regolith structure and composition: pure uniform amorphous ice; a porous dispersive system with ice-filled pores and voids; permafrost. For comparison the heat transfer in dry iceless regolith has been considered as well. It has been shown that the line of maximum distribution of subsurface icy formations depends on the icy regolith model, but for any one in the “hot” regions it does not go below 70°. For the “cool” regions this line has been shown to go from 5° to 10° southward than that for the “hot” ones. The possible thickness of icy regolith near the pole has been estimated for different models assuming an interior heat flow of 15 mW m⁻². It has been shown that the maximum thickness of this layer takes place at the pole and is equal to 10 km for any model.     

Development of the heat flow measurement system by the LUNAR-A penetrators

Lunar heat flow experiment is planned by using two LUNAR-A penetrators which will be deployed on the near-side and far-side of the lunar surface in 2000. Each penetrator has seven absolute and eleven relative temperature sensors. Impact experiments for real-size penetrator models onto a lunar-regolith analogue target confirmed that the sensors and electronics used in the Lunar-A Heat Flow Experiment can survive the shock loading expected during penetration of the penetrator in a lunar regolith. The calibration experiment demonstrates that the temperature sensors have a resolution of 0.01 degrees and that the thermal conductivity device have 10 % accuracy. In order to determine the heat flow value, we need a good thermal model and numerical simulation for the penetrator and the regolith which in turn requires accurate measurements of thermal properties of the penetrator's components. The current numerical models indicate that we will be able to obtain the lunar heat flow values within 20 to 30 percents in precision with this method.     

超临界二氧化碳闭式布莱顿循环系统研究进展

超临界二氧化碳(SCO₂)闭式布莱顿循环凭借高热效率、高紧凑性和高经济-环保性等优势,已成为能源与动力领域的热点技术之一。针对超临界二氧化碳闭式布莱顿循环,详细介绍了工作原理、优势及国内外相关研究进展,总结了循环总体热力、超临界工质叶轮机、紧凑高效换热器、控制及储热等相关关键技术的研究现状,并对当前工程应用面临的问题和未来技术发展方向进行了分析和展望。分析表明,循环总体热力设计阶段应涵盖部件低维性能分析,以评估部件性能指标的可实现性,并综合考虑全寿命周期性能、紧凑性、经济性等指标。工质的剧烈物性变化导致叶轮机与换热器内部特殊流动与换热机理,需发展充分考虑工质特殊物性影响的叶轮机和紧凑换热器设计方法;通过理论分析和机器深度学习相结合构建不同工质叶轮机相似方法,可为超临界二氧化碳叶轮机气动性能试验验证提供理论基础。此外,鲁棒高效的控制策略可实现超临界二氧化碳闭式布莱顿循环有效可靠调控,而集成新型介质储热技术的超临界二氧化碳闭式布莱顿循环系统将为高温光热发电提供关键技术支撑。      

一种空间相变换热器热设计与仿真分析及其改进

基于相变计算方法即焓法处理相变材料凝固/融化模型,对一个以水为主动冷却介质,内填充石蜡类相变蓄热材料的板式相变换热器的换热进行数值模拟.得到了不同重力条件下冷却面的温度分布,相变材料在融化过程中的动态温度场分布、相变界面分布、融化时间等结果,验证了该相变换热器的可行性.对比该相变换热器在重力与微重力不同条件下的性能差异,利用添加强化传热肋片与泡沫复合相变材料方法,提高了微重力条件下该类相变换热器的效率,可为空间相变蓄热装置的设计及实验研究提供重要参考.      

振动表面自然对流强化换热特性

基于振动影响流动换热边界层发展的思路,通过实验方法对振动条件下的自然对流换热特性进行研究.实验采用电铃谐振器作为加热膜的激振源,并利用红外测温技术对表面温度场进行了测量.结果表明:振动对自然对流的强化可提高90.7%.在等热流密度条件下,振动能量越大,换热越好;在等振动能量条件下,热流密度越小,换热越强.研究结果为强化表面自然对流换热提供了一种新思路.