一种新型月壤水冰采样系统设计及试验验证

针对月球极区永久阴影坑深低温环境下，月壤水冰的硬度和机械强度很高，铲挖、钻进等常规采样方式难以实现低耗、快速采样的问题，提出了利用火工爆燃作动的动能侵彻方式快速构建月壤剖面孔洞，利用机械臂将采样工具送至孔内实施样品精确采集的新采样方法，并据此设计了新型月壤水冰采样系统。设计并研制了侵彻单元工程样机，基于力学等效性原则制备了拟实靶体，对工程样机的侵彻效能开展了试验验证。试验结果表明，对于单轴抗压强度30 MPa的模拟月壤水冰力学等效物能实现快速侵彻，侵彻深度可达234 mm,侵彻时间优于1 s。提出的侵彻式造孔和采样方法具有轻量化、低能耗、高效率、高强度月壤对象突破能力强等突出优势，可为后续月壤水冰采样探测任务提供有益借鉴。     

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。     

月球表面次生伽马与中子辐射环境模拟研究

月球表面以银河宇宙射线(GCR)为主引发的次生伽马谱和次生中子谱表征月壤的元素组成以及水冰含量,对于下一阶段的月球探测与资源原位利用是值得研究的重要内容。文章通过蒙特卡罗方法简单模拟与分析银河宇宙射线环境下月球表面簇射的伽马与中子辐射环境,结果表明:月球次生伽马谱具有明显的氢(2.23 MeV)、铝(0.83 MeV)、钙(3.53 MeV)、氧(6.13 MeV)、硅(1.77 MeV)谱线特征,水含量对其影响不大,但在高水含量时氢的谱线更为明显;月球表面次生中子谱形与月壤中水冰含量密切相关,随水冰含量增加热中子通量下降,0.01 eV中子的通量在20%含水量时比不含水时下降了72%。建议在后期月球探测计划中使用小型、低功耗的中子/伽马复合探测器,实现我国首次原位月球伽马/中子辐射环境探测,为未来进一步勘探月球原位水资源、矿产资源积累反演的基线数据。     

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。     

月壤原位利用工程技术发展浅析

月壤原位利用技术作为月球资源原位利用技术体系中的重要环节,相关技术的工程化应用是未来实施月球探测及资源开发的重要内容,也是实现自给式月球探测和开发的起点。文章基于国内外月壤原位利用技术的发展现状和趋势,给出了月壤原位利用的工程技术路线。结合近期任务工程化实施的问题和难点,简要梳理了月壤原位制氧和月壤原位成型的技术方案和发展思路,旨在为后续月球资源探测和开发提供借鉴和指导。     

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.     

月球采样机械臂系统设计及试验验证

在对月球采样返回任务需求及探测器系统任务剖面进行分析的基础上，设计并研制了一种轻量化、大负载、高精度、宽采样范围月球采样机械臂系统。该系统主要由4自由度机械臂及两种不同采样形式的末端采样器组成，可对不同指定区域浅层月壤进行铲、挖、浅钻等多形式采集。在综合考虑机械臂系统器上布局的基础上，基于运动学模型对采样机械臂的可达采样区域进行仿真分析，提出采样机械臂月面采样策略。基于等尺寸着陆器模拟平台，开展了针对3种不同密实度模拟月壤的采样试验，采样试验结果表明在可达采样空间内，采样机械臂对不同密实度月壤均具有较好的适应性，最大采样深度可达30 mm，最大单次采样量可达270 g，单次采样时间小于2 min。     

月球水冰赋存形态分析及原位探测展望

月球上是否存在水冰一直是月球探测的热点问题。文章分析了20世纪90年代以来国外数次月球遥感探测任务获取的基于雷达、中子探测仪和光谱仪的水冰探测数据。结果表明,月球上很可能存在水冰,特别是在极区的永久阴影区内,水冰可能局部分散式地分布在表层至米量级深度的范围内。但现有的遥感探测结果各有其局限性,未来需开展着陆探测任务对月球水冰进行直接证认。文章对此进行展望,并指出原位探测面临的若干工程问题。     

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。     

弱全局信息下月面超远距离保通行性移动规划

针对月面超远距离移动规划任务因缺乏精确全局信息而导致的规划路径可通行性不足问题，提出了月面道路拓扑网的构建设想及相应路径规划技术，凭借复杂道路网络的连通能力确保巡视器超远距离规划路径的可通行性。首先进行月面道路拓扑网的设计方法研究，分别提出了基于滑动最优泊松采样算法的网络节点设计方法和基于均匀领邻网络拓扑模型网络结构设计方法，使月面道路网网络节点分布均匀、密度适中且覆盖完整，网络连接合理且各路径尽量远离障碍区域。然后进行基于月面道路拓扑网的超远距离移动规划研究，分析了基于月面道路拓扑网路径规划技术的概率完备性和整体可通行概率，并提出了基于月面道路拓扑网的K优路径规划方法，通过道路网的连通性来提高超远距离移动探测任务的整体可通行概率。最后以阿波罗两次登月任务的着陆点之间进行超远距离转移任务为仿真场景，验证了本方法的有效性。     

月球着陆环境模拟试验装置的研制

伽马关机敏感器是保证月球着陆器稳定着陆的重要设备,在发射前,须在模拟环境中进行准确的标定测试。月球着陆环境模拟试验装置则是为伽马关机敏感器的准确标定提供试验环境的重要装置。月球着陆环境模拟试验装置由真空容器、真空获得系统、三维着陆模拟系统、模拟月壤环境、场景监视系统以及测控系统组成。该试验装置不仅可以用于伽马关机敏感器的标定试验,而且能够用于月球着陆器的着陆模拟试验。     

Lunar polar ice deposits: scientific and utilization objectives of the Lunar Ice Discovery Mission proposal

The Clementine mission has revived interest in the possibility that ice exists in shadowed craters near the lunar poles. Theoretically, the problem is complex, with several possible sources of water (meteoroid, asteroid, comet impact), several possible loss mechanisms (impact vaporization, sputtering, photoionization), and burial by meteorite impact. Opinions of modelers have ranged from no ice to several times 10(16) g of ice in the cold traps. Clementine bistatic radar data have been interpreted in favor of the presence of ice, while Arecibo radar data do not confirm its presence. The Lunar Prospector mission, planned to be flown in the fall of 1997, could gather new evidence for the existence of ice. If ice is present, both scientific and utilitarian objectives would be addressed by a lunar polar rover, such as that proposed to the NASA Discovery program, but not selected. The lunar polar rover remains the best way to understand the distribution and characteristics of lunar polar ice.     

月面和近月空间环境及其影响

月球探测器所经历的月面和近月空间环境主要包括：月面低重力、月面温度、近月空间辐射、月壤、月尘、月面地形地貌、月面静电等。文章在对月面和近月空间环境研究的基础上,结合国外月球探测器在月球环境方面的研究成果,分析了我国月球探测器所经历的月面和近月空间环境特点及其影响效应,并提出相应的改进措施或必要的试验验证,可为月球探测器的研制提供参考。     

Experiment LEND of the NASA Lunar Reconnaissance Orbiter for high-resolution mapping of neutron emission of the Moon

The scientific objectives of neutron mapping of the Moon are presented as 3 investigation tasks of NASA's Lunar Reconnaissance Orbiter mission. Two tasks focus on mapping hydrogen content over the entire Moon and on testing the presence of water-ice deposits at the bottom of permanently shadowed craters at the lunar poles. The third task corresponds to the determination of neutron contribution to the total radiation dose at an altitude of 50 km above the Moon. We show that the Lunar Exploration Neutron Detector (LEND) will be capable of carrying out all 3 investigations. The design concept of LEND is presented together with results of numerical simulations of the instrument's sensitivity for hydrogen detection. The sensitivity of LEND is shown to be characterized by a hydrogen detection limit of about 100 ppm for a polar reference area with a radius of 5 km. If the presence of ice deposits in polar "cold traps" is confirmed, a unique record of many millions of years of lunar history would be obtained, by which the history of lunar impacts could be discerned from the layers of water ice and dust. Future applications of a LEND-type instrument for Mars orbital observations are also discussed.     

Passive optical detection of submillimeter and millimeter size space debris in low Earth orbit

Understanding of the space debris environment and accuracy of its observation-validated models are essential for optimal design and safe operation of satellite systems. Existing ground-based optical telescopes and radars are not capable of observing debris smaller than several millimeters in size. A new experimental and instrumental approach – the space-based Local Orbital Debris Environment (LODE) detector – aims at in situ measuring of debris with sizes from 0.2–10 mm near the satellite orbit. The LODE concept relies on a passive optical photon-counting time-tagging imaging system detecting solar photons (in the visible spectral range) reflected by debris crossing the sensor field of view. In contrast, prior feasibility studies of space-based optical sensors considered frame detectors in the focal plane. The article describes the new experimental concept, discusses top-level system parameters and design tradeoffs, outlines an approach to identifying and extracting rare debris detection events from the background, and presents an example of performance characteristics of a LODE sensor with a 6-cm diameter aperture. The article concludes with a discussion of possible sensor applications on satellites.     

载人月面着陆地形障碍探测与规避方案研究

月面地形障碍是影响载人着陆安全的关键因素之一,可能引起着陆器倾斜、结构损坏甚至倾覆。载人月面着陆除在总体任务规划时要选取平坦安全的着陆区外,还要进行实时在线的地形探测和障碍规避。文章对“阿波罗”计划和“星座”计划中的月面着陆飞行方案和飞行器进行调研,分析了载人月面着陆避障的任务要求和技术特点;结合着陆飞行任务,提出考虑避障的飞行方案,分为高速运动中的粗避障和接近悬停后的精避障两个阶段;考虑月面着陆飞行状态以及光照、月尘等外部环境,设计载人月面着陆时由激光高度计、多普勒激光雷达以及闪光激光雷达组成避障敏感器系统;提出载人避障机动方案,采用接近段中制导目标调整、机动段六自由度控制以及缓速下降段滚动姿态机动等方法,并引入了航天员目测以检查月面地形障碍、选择月面着陆点以及手控进行终端避障机动控制。     

紫外月球敏感器的几个关键问题

论述了紫外月球敏感器的由来和功能,从基本原理、消杂光设计、能量 与孔径选择、月像处理和姿态提取算法、超大视场消杂光等关键问题的解决进行 了阐述,并得出结论。