钻取式自动采样机构螺旋钻杆结构参数的多目标优化

分析了螺旋钻杆的输出月壤原理和输出月壤阻力（阻力矩）以及综合考虑了螺旋槽内月壤对钻杆驱动力矩的影响、螺旋升角的取值范围和钻杆的轴向钻进功率后建立了钻杆驱动力矩、轴向加载力及功耗的模型。利用该模型分析了钻杆外径、螺旋槽深、槽宽比及螺旋升角等结构参数对钻杆驱动力矩和轴向加载力的影响,获得了钻杆结构参数对钻杆驱动力矩和轴向加载力的影响规律。以钻杆质量和功耗最小为双优化目标,以钻杆外径、螺旋槽深、槽宽比及螺旋升角等结构参数为设计变量,基于遗传算法对钻杆结构参数进行了优化,优化后的功耗较优化前降低了31.8%,钻杆质量减小了23.3%。总体减少了钻探风险,可为钻取式自动采样机构的设计提供理论依据。     

月壤钻取与整形过程中样品层理保持特性分析

基于离散元方法建立了考虑颗粒间扭转、弯曲力矩及等效引力作用的三维离散元月壤模型,利用三轴仿真试验标定模型细观参数,得到满足真实月壤宏观力学特性的仿真模型。对月壤钻取和整形过程进行了仿真设计,提出了"分层概率法",以每层月壤在运动过程中向邻层错动的概率评价层理保持特性。由仿真结果可知:月壤钻进取样过程中样品层理信息会遭到钻取和整形两次破坏,二者破坏程度相当,且越靠近表层层理信息破坏越严重。分层概率法可有效描述月壤钻取与整形过程月壤样品的层理信息破坏情况,分析结果可为月壤采样机构设计提供参考。     

月壤剖面锥型螺旋刃成孔钻头设计

针对月壤剖面钻进成孔探测需求,提出一种锥型螺旋刃成孔钻头,建立其钻进排屑性能的理论模型,并以此开展钻头结构参数的优化设计。在此基础上,分析螺旋刃切削姿态及其切削参数,基于直线刃平面切削理论建立锥型螺旋刃成孔钻头钻进切削负载预估模型,开展锥型螺旋刃成孔钻头模拟月壤剖面钻进负载特性试验验证。研究结果表明,相比于直线刃钻头,锥型螺旋刃成孔钻头的钻进排屑性能更优,而且钻进切削负载模型与试验结果具有较好的吻合度。研究成果对我国拟实施的月面钻取采样工程具有重要的借鉴价值。     

Kevlar层合板超高速撞击数值建模及参数识别

针对Kevlar层合板在超高速撞击条件下的力学特性的复杂性及参数不准确对数值仿真的不利影响,提出一种使用正交各向异性本构模型,Chang-Chang复合材料失效模型和有限元方法对Kevlar层合板的超高速撞击力学特性进行建模并运用连续响应面技术对材料失效模型参数进行识别的方法.然后使用该方法建立了与现有文献中的试验工况相对应的数值模型,并把Kevlar层合板材料失效模型的4个参数作为优化变量,以仿真结果与试验结果的二乘残差最小作为优化目标,使用连续响应面技术建立参数优化模型,由此识别这些参数.结果表明,该建模方法能正确描述Kevlar层合板的超高速撞击力学特性,采用识别后的参数进行仿真计算可以显著提高数值模型的仿真精度.     

模拟月壤钻进负载分析与试验研究

月壤与采样机具间的相互作用在月球自主采样器的设计、性能评价、控制和仿真等方面具有重要作用,目前对于月壤与采样机具间相互作用中的钻进负载研究尚不充分。本文基于被动土压力理论,根据不同的土体切削状态,将切削刃前土体分为堆积区和破坏区,重点分析堆积区土体和破坏区土体对总钻头负载的贡献,建立了月壤取心钻头钻进松散土体的钻进负载模型。HIT 2型取心钻头和HIT\|LS1#模拟月壤的钻进试验结果表明,钻进负载理论模型与实际情况具有较高的吻合度。     

计算模拟月壤颗粒吸收及散射特性的一种球叠加模型

针对模拟月壤复杂的外形特征以及多相非均质的微观结构,提出了一种计算模拟月壤颗粒吸收及散射特性的球叠加模型。根据模拟月壤颗粒的形状指数和分形特征识别结果,归纳了4种主要的模拟月壤颗粒类型,并采用蒙特卡罗光线跟踪法研究了这4种颗粒在单色平行光照射下的吸收及散射特性。与已有的非球形颗粒辐射特性的算法比较显示,该模型具有良好的计算准确性。在数值计算的基础上,分析了颗粒尺度参数及光学常数对其自身辐射特性的影响,并通过改变平行光照下的光线入射角度,分析了非球形颗粒的朝向对其自身辐射特性的影响。由计算结果推断,该模型不仅可以应用于计算模拟月壤颗粒的辐射特性,还可以满足其他适用于几何光学近似的非球形粒子。     

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.     

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。     

空间机械臂关节失效瞬时力矩突变抑制

针对空间机械臂执行负载操作任务突发关节失效引起的关节负载补偿力矩突变问题,建立了关节负载补偿力矩突变优化模型及求解方法。首先分析关节负载补偿力矩突变原因,以故障瞬间力矩突变量最小为目标,考虑突发关节故障,建立关节负载补偿力矩突变优化模型;其次构造含有抑制系数及静力学可操作度梯度的关节力矩修正项,并构造最优抑制系数函数,求解关节力矩突变优化问题;最后通过仿真对关节负载补偿力矩突变优化方法的正确性和有效性展开验证。结果表明：通过搜索最优抑制系数,突发关节失效引起的关节负载补偿力矩突变可被有效抑制,平均抑制率高达89.26%,且末端操作力精度不受影响,保证了空间机械臂负载操作任务安全可靠完成。     

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。     

月面钻取采样回转齿轮副啮合生热试验研究

针对月面钻取采样装置的回转齿轮副啮合热进行理论分析,依据辐射换热定律建立了理论温升模型;模拟实际月面真空、带载工况并开展试验研究。分析了啮合热在月面高真空环境的制约条件下,向机体外传播的方式、传热途径以及散发不畅时的积聚作用对附近运动副工作特性的影响。研究结果表明：回转齿轮副作为钻具驱动单元动力传递的中间环节,在20Nm负载转矩工况下持续运行40分钟,理论预测最大温升28.66℃,与试验测量的最大温升结果28℃相吻合,充分验证了钻进驱动单元热设计的正确性,准确地识别出回转齿轮副啮合热积聚的潜在风险。     

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。     

Integrating advanced mobility into lunar surface exploration

With growing knowledge of the lunar surface environment from recent robotic missions, further assessment of human lunar infrastructures and operational aspects for surface exploration become possible. This is of particular interest for the integration of advanced mobility assets, where path planning, balanced energy provision and consumption as well as communication coverage grow in importance with the excursion distance. The existing modeling and simulation tools for the lunar surface environment have therefore been revisited and extended to incorporate aspects of mobile exploration. An extended analysis of the lunar topographic models from past and ongoing lunar orbital missions has resulted in the creation of a tool to calculate and visualize slope angles in selected lunar regions. This allows for the identification of traversable terrain with respect to the mobile system capabilities. In a next step, it is combined with the analysis of the solar illumination conditions throughout this terrain to inform system energy budgets in terms of electrical power availability and thermal control requirements. The combination of the traversability analysis together with a time distributed energy budget assessment then allows for a path planning and optimization for long range lunar surface mobility assets, including manned excursions as well as un-crewed relocation activities. The above mentioned tools are used for a conceptual analysis of the international lunar reference architecture, developed in the frame of the International Architecture Working Group (IAWG) of the International Space Exploration Coordination Group (ISECG). Its systems capabilities are evaluated together with the planned surface exploration range and paths in order to analyze feasibility of the architecture and to identify potential areas of optimization with respect to time-based and location-based integration of activities.     

月面地形地貌环境模拟初步研究

文章介绍了在月面巡视探测器室内试验场建设过程中有关月面典型地形地貌环境模拟的初步工作。通过现有关于真实月壤的物理机械性质的总结,考察了利用火山灰模拟月壤的可能性。通过对比分析两者主要的物理机械性质,可以得出:利用加工的火山灰模拟月壤用于月面巡视探测器移动性能等试验研究是可行的。为今后深入研究月面地形地貌和月面巡视探测器的地面试验进行了有益的尝试。     

月壤钻采进尺力形成机理及进尺力预测建模

针对月壤钻采过程中进尺力无法准确预测的问题,基于钻采过程中钻具进尺和回转运动模式下土体产生的位移和形变分析了进尺力形成机理。钻头下压使土体径向扩张从而产生的扩孔压力是决定进尺力大小的核心因素,同时,通过回转状态下有限土体柱孔扩张问题的等效解析解建立了进尺力预测模型。开展基础模拟月壤地面钻采试验,将低、中、高回转速度下的进尺力试验结果与仿真结果相对比,验证了进尺力形成机理的合理性以及进尺力预测模型的准确性,为其他地外天体钻取采样任务的技术突破提供了理论支持。     

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。     

月尘累积对太阳电池阵电帘除尘效率影响的实验研究

月尘在月球探测器太阳电池阵表面的累积将会导致其输出功率下降甚至功能失效。近年来,电帘除尘方法被认为是月尘清除防护的有效手段。文章实验研究了月尘累积对三结砷化镓太阳电池性能影响,拟合得到了月尘累积质量与太阳电池相对输出功率的数学模型;利用电帘除尘装置,研究了不同月尘累积质量下电帘的除尘效率。研究结果表明,6 mg/cm2月尘累积质量是太阳电池阵电帘除尘装置启动的最佳工作条件。该研究成果可为开发具有自适应除尘能力的太阳电池阵提供技术支持。