月球表面热环境数值分析

月球表面热环境的研究对探月活动有重要意义,本文用数值方法分析了月球表面的热环境.首先计算了不同纬度地区地表辐射平衡温度的周期波动,然后建立了月球地表土壤的一维非稳态热传导模型,用此模型计算了不同纬度地区地表温度的波动、月壤温度的波动及恒温层温度和深度,并讨论了月壤热物性对温度波动的影响.结果表明白天的地表温度主要取决于地表的辐射平衡温度,而夜晚的地表温度受到月壤热物性的影响.     

月面热环境的反演研究

以嫦娥三号巡视器月面日食期间非稳态的温度遥测数据为基础,通过建立月壤及巡视器的传热模型,反演了日食期间月面温度的变化,并给出了符合巡视器温度遥测的月壤热物性参数取值范围。在此基础上,对月面热环境进行了分析研究。结果表明,本文反演的月壤平均导热系数大于常见取值,而比热却明显小于常见取值。采用反演的热物性值计算的月表温度与之前认识相符,但对月壤内部热环境有新发现,其温度梯度相对减小而恒温层厚度则明显增大。     

双探针法测量月壤热物性参数的影响因素分析

针对双探针法测量月壤热物性过程,建立了探针与月壤组成的多层介质在太阳辐照加 热与月表辐射散热作用下的二维非稳态传热模型。通过数值模拟,分析了探针长度、直径、 中心间距和加热功率等因素对测量结果的影响。结果表明,若月壤导热系数在0.01W／
(m·K)左右,则月壤的弱导热性是双探针探测设计中需考虑的主要因素。在上述分析的基 础上,设计了双探针结构,对一导热性能较差的松散介质进行了地面测量实验,通过试错法 反演测量数据得到该介质的热扩散率与导热系数,为进一步应用研究提供了参考。     

一种月表采样器合理铲挖深度的研究

铲挖深度是月表采样器的重要技术指标,合理的铲挖深度需既能降低采样器安全风险又可确保一定的采样效率。设计了一种斜插式铲挖方法的月表采样器,针对其构型与铲挖方法,在Reece模型的基础上,通过离散元法推导了月表采样器铲挖阻力矩的表达式。参考历次阿波罗飞船(Apollo)月壤样本数据,在实验室环境下构筑了与月壤物理特性相匹配的模拟月壤,并测得模拟月壤的物理特性参数。然后,根据所测得模拟月壤的物理特性参数,利用所推导的铲挖阻力矩表达式,对月表采样器典型输出力矩下的铲挖深度进行了仿真分析与试验验证,仿真分析结果与试验结果吻合。根据试验结果与月表采样器设计参数确定了合理的铲挖深度,可为月表采样器在月面采样时提供参考。     

含冰月壤冻土钻取采样方案设计与验证

我国探月工程四期拟在月球南极开展着陆探测,目标之一是对月球永久阴影坑内的含冰月壤冻土进行采样和原位分析。根据对月壤采样分析技术特点和永久阴影坑环境条件的分析和总结,认为采样方案需要具有月壤冻土高效钻进、重复使用多点采样和获取碎屑形态样品的能力,由此提出使用深槽螺旋钻以回转冲击钻进模式进行月壤冻土采样的方案。从提高钻进能力、保证采样能力2个方面对深槽螺旋钻结构和作业规程的关键参数进行识别、分析与设计。使用CUG-1A模拟月壤,对钻具的钻进能力和采样能力进行解耦性试验验证,在4.0%含水率高密实度模拟月壤冻土中,钻具可以在140 N钻压力条件下达到45.8 mm/min的平均钻进速度,获取7 g以上月壤样品。文章的研究结果验证了使用深槽螺旋钻进行月壤冻土钻取采样的可行性,可为我国未来开展月球极区含冰月壤采样探测提供可选方案。     

月球表面次级中子辐射环境仿真研究

由于缺少磁场和大气,宇宙线高能粒子轰击月壤可以形成月球特有的强中子辐射环境,并对航天员和电子设备造成潜在威胁。文章采用蒙特卡罗方法仿真研究宇宙线高能粒子辐射与月壤成分核反应产生的次级中子能谱特征,给出不同太阳活动、不同月壤深度下月球中子能谱特征和空间分布特征。仿真结果表明,宇宙线高能粒子导致的次级中子随着月壤深度的增加先增大后减小,大约在1 m深度达到最大值,深度越深银河宇宙线诱发的中子贡献越大。相关结果可为我国后续载人月球探测任务的辐射防护设计提供参考。     

模拟月壤力学性质的试验和仿真研究

文章通过常规3轴试验对某模拟月壤的本构特性进行了研究,根据3轴试验结果获得了模拟月壤的duncan-chang模型参数,在abaqus软件平台上通过umat子程序实现了duncan-chang模型在模拟月壤分析中的应用,并进行了相应的试验验证.之后,文章就内摩擦角、粘聚力参数变化时模拟月壤剪切变形关系的变化及低围压下自重应力对模拟月壤性质的影响进行了仿真分析,结果发现和内摩擦角、粘聚力等参数相比,初始自重应力对模拟月壤的剪切特性影响不大.     

月球表面及月壤内温度分布特征的数值模拟

文章建立了月表辐射与月壤内二维非稳态导热的耦合传热模型,采用控制容积法数值模拟月壤内的温度分布,主要研究了月表、月壤内温度的分布和变化规律及探测器对局部月表温度的影响。计算结果表明一昼夜期间月壤内存在明显的温差:浅层月壤处的昼夜温差较大且受纬度的影响明显;随着深度的增加,月壤昼夜温差降低并趋于稳定,且受纬度的影响较小。探测器的存在遮挡了月表接受的太阳辐射,导致其阴影区域内月表温度发生突变,新的平衡温度接近探测器底面温度,且受探测器驻留时间的影响较小;当探测器移开,月表温度又迅速恢复到原有的变化规律。     

月壤原位成型技术工程适用性浅析

月壤原位成型技术作为月球资源原位利用技术体系中的研究热点,是在月表制造建筑材料及实施月表基础设施建设的关键。文章基于国内外月壤原位成型技术发展现状,根据未来可能的月壤成型任务提出了5种月壤成型技术,分析了其各自涉及的成型体性能与任务需求的匹配性,成本及能耗约束,环境适应性以及成型工艺流程的可实现性等;梳理了形成了月壤原位成型领域的发展建议,对于后续月球资源探测和开发具有一定的借鉴和指导意义。     

羽流场与月壤颗粒相互作用的一种新计算方法

针对登月着陆器发动机下降过程中羽流场与月壤颗粒相互作用问题提出了一种新的计算方法。通过Morh\|Coulomb破坏准则确定月壤颗粒可以被羽流扬起的临界剪应力,采用动量原理计算被扬起的月壤颗粒的质量大小及形成的月坑深度;基于牛顿第二定律,采用羽流场与月壤颗粒的流固耦合相互迭代的计算方法,获得被扬起月壤颗粒随时间的质量分布等。本文通过美国Apollo 11登月过程实测数据对该新方法进行了验证,为人类探月工程提供一定数据参考。     

Performance of a small and low-cost chamber to simulate lunar surface environment

The performance of a small and low-cost metal chamber built to simulate the pressure and temperature conditions of lunar surface was assessed and the results are presented. This chamber is intended for studying the physical properties of lunar surface and subsurface (using soil simulants) and also to validate the technology readiness of certain newly developed payloads planned for future lunar surface missions (Lander/Rover). It is possible to reach down to ∼10⁻⁷ Pa under specific conditions and maintain the temperature of the sample under investigation to lunar day and night temperatures. The designed system has been subjected to various tests to evaluate its performance and suitability for carrying out experiments in a simulated lunar environment.     

月球探测器着陆冲击试验及关键技术研究

中国正在开展月球探测活动,下一步将发射月球着陆器并实现月面软着陆。为确保着陆器在月面着陆时的稳定性和可靠性,发射前需在地球表面进行着陆冲击试验。对会影响月球着陆器着陆性能的月貌和月壤进行了详细的叙述,以便在试验过程中进行相应环境特征的模拟。用图表详尽阐述了三种月球重力场模拟器的原理和装置,并对各自的优缺点进行了评述。根据试验模型的不同,将月球着陆器着陆冲击试验分为原尺寸试验（模拟的月球重力场下）和1/6模型试验（地球重力场下）两类,分别介绍了两类模型的结构以及试验模型与着陆器原型机之间缩放关系。分别给出了原尺寸试验和1/6模型试验的试验平台和试验步骤,以及初始试验参数的给定方法。根据试验研究的需要以及月球探测器在月球表面着陆时的真实情况,给出了在地球上进行着陆模式模拟的方法。研究表明两种试验结果之间有良好的一致性,但是这两种试验的花费很高,且对试验场地有较高的要求。再者,由于在试验中对月壤没有太好的模拟方法,试验数据与真实着陆时数据存在一定差异。     

模拟月壤激光熔融成型工艺参数试验初探

月壤3D打印可以实现月球的原位资源利用,有望成为月球基地建设和持久运营维护的关键技术手段。文章综述了模拟月壤激光3D打印方法的研究现状,搭建了以CUG-1A模拟月壤为原料的激光熔融成型原理试验系统,并开展了常规环境工艺参数的初步试验。结果显示:激光功率和扫描速度影响激光熔融深度和直径,是模拟月壤激光熔融成型的关键工艺参数;模拟月壤熔融成型过程易出现孔洞、球化等典型缺陷,需要进一步对月壤激光相变机理和上述成型工艺参数进行解析优化。     

着陆冲击仿真月壤本构模型及有限元建模

为建立合理的月壤有限元模型用于着陆器着陆冲击动力学仿真分析,在对已知月壤的相关力学特性参数和试验数据进行分析推理的基础上,推断出月壤屈服面在低围压条件下可能会呈现出剪切膨胀特性,而在高围压条件下则可能会呈现出塑性压缩和应变硬化特性,因此定性地选择帽盖德鲁克-普拉格（Cap Drucker-Prager,CDP）模型作为月壤本构模型。模型的参数通过月壤或模拟月壤的试验数据定量地标定。对着陆器地面着陆冲击试验进行有限元建模和仿真分析,仿真结果表明：模型参数的标定方法是合理可行的;CDP模型可以准确模拟月壤在着陆冲击载荷下的动力学响应,可用于着陆冲击动力学仿真月壤有限元建模。对月壤模型参数进行了参数分析,并评估了月壤模型参数对着陆器着陆冲击性能的影响。     

月壤含水特性原位快速预判传感器设计与验证

基于月壤和水冰对不同谱段近红外激光存在吸收/反射差异性的特点,提出了采用多模近红外激光光强差异反演月壤含水特性的水冰原位快速预判方法。通过发射/接收光路同轴设计及多模激光光路分时复用设计,实现了多模激光光学系统轻小型化设计,研制出基于多模近红外激光的月壤水冰原位快速预判传感器工程样机,并开展了针对低含水率极区模拟月壤的含水特性原位预判试验。试验结果表明：该传感器水冰检测限可达0.39%,单次预判时间可优于1 s,光斑直径@检测距离为5 cm@500 mm,传感器具备对地面模拟月壤含水特性进行原位快速预判的能力。     

浅表层月壤铲挖采样的振动减阻技术仿真研究

文章对振动铲挖技术在浅表层月壤采样过程中的适用性进行了研究。根据月壤宏观、细观参数,采用离散元法建立了月壤模型,对月球表面低重力低气压环境下的月壤应力—应变特性进行仿真,并结合采用Balovnev机—土交互模型描述的月壤铲挖阻力公式,对月壤的振动减阻机理进行了分析。在此基础上,通过向采样器施加不同振幅和频率的振动,开展了浅表层月壤铲挖仿真,给出了铲挖过程中不同振动参数与月壤采样阻力的关系。同时,通过对比不同工况下的月壤孔隙率,验证了月壤的振动铲挖减阻机理及适用性。     

月食过程月表太阳辐照和温度变化模拟

月食对月球轨道探测器的温度有重要的影响,分析月食时月表的太阳辐照和温度,具有重要意义。文章给出了通用的月表温度模型和月食时月表太阳辐照模型,根据某次月食的天文参数,用太阳辐照模型可求出月表任一点在月食时的太阳直接辐照变化过程,代入温度模型可求出任一点的温度变化过程。此模型和方法可用于对任何一次月食的分析,并以2007年8月28日的月食为例,模拟了该次月食的表面太阳直接辐照和温度的变化过程。     

月球采样器摆杆式展开机构动力学特性研究

文章提出了一种适用于无人自主作业的月球采样器的摆杆式展开机构,通过数值仿真分析及试验对该机构在月球低重力场下展开过程中的动力学特性进行了研究,研究结果的对比验证了该展开机构设计的可行性,并提出了优化方案。     

Diurnal change of MW and IR thermal emissions from lunar craters with relevance to rock abundance

Abnormal “hot spots” during a total eclipse on the lunar surface were revealed by using a ground based infrared (IR) scanner and visible telescope in the early 1960s, which turned out to be “cold spots” on the microwave (MW) brightness temperature distribution at night according to the Chang'E (CE)-1 radiometer's observations. In this paper, a theoretical analysis of radiative transfer is presented to explain this abnormal phenomenon of diurnal changes. Two typical craters, representing the abnormal fresh craters rich in rock abundance and an old one almost free of rocks located at similar latitudes are chosen for comparison of the diurnal temperature change. Using the measurements of CE-1 multi-channel microwave radiometer, brightness temperatures from these two craters are presented and applied to inversions of the physical temperatures of lunar regolith media, based on a three-layer radiative transfer model. The correlation between the diurnal MW and IR thermal changes of the lunar surface and the rock abundance is discussed.     

模拟月壤研究及其在月球探测工程中的应用

在月壤化学成分、物理力学性质等方面研究结果的基础上,文章对国内外模拟月壤的研究进展进行了综合分析,重点阐述了服务于我国嫦娥探月工程的科学探测仪器标定、着陆器组合缓冲性能试验、巡视器移动试验、月表采样试验等研制任务的模拟月壤研究成果及应用情况,包括模拟月壤原料选取及制备工艺,模拟月壤试验场的铺设方法等,结合载人登月等任务需求提出了未来研究工作的发展建议。