深空探测自动采样机构的特点及应用

利用自动采样机构获取星体表面土壤或岩石样品,并将收集到的样品返回实验室进行分析研究是我国未来深空探测需要解决的关键技术.文章分析了深空探测自动采样机构应用及研发的现状,将采样机构分为挖取式自动采样机构、钳取式自动采样机构、研磨式自动采样机构、钻取式自动采样机构及其它新型采样机构几种类型,分别论述了这些深空探测自动采样机...     

基于刷扫和研磨的复合式小行星取样器取样过程仿真与分析

针对小行星表面微重力环境及样品机械属性未知的特点,提出了一种基于刷扫和研磨的复合式取样器设计方案。该取样器通过刷扫和研磨的复合方式进行取样,能够提高小行星表面取样任务的成功率。为了研究该取样器刷扫取样时刷轮叶片数、刷轮转速、推进速度、星壤参数等对取样效率的影响,研磨和刷扫复合取样的优越性以及刷扫和研磨时的驱动力矩,开展了样品颗粒相互作用建模及研磨取样动力学分析。基于离散元仿真软件EDEM,构建了取样器3D模型并仿真其在小行星表面取样,获得了样品收集质量与取样时间的关系曲线,分析了各个参数对取样效率的影响。结果表明:刷轮叶片数越多,刷轮转速越大,推进速度越大,取样器取样效率更高,刷扫和研磨的复合取样方法比起单一的刷扫取样,具有更高的取样效率。该研究为设计小行星取样器、取样参数设定和取样效果分析提供了依据。     

地外探测取样容器再入过程动力学建模及仿真分析

无人取样返回是开展地外星体探测的重要手段之一,也是深入开展未知星体载人着陆探测的必要准备。取样返回飞行器基于不同的技术基础及返回技术发展需求,在再入大气过程中可能采用不同的返回方式,如美国、苏联/俄罗斯和日本的返回飞行器均采用了弹道式的返回方式;中国探月三期的月球取样返回器采用了跳跃式返回方式。在不同的再入弹道情况下,取样容器的受力情况有所不同。由于地外星体取样返回是我国首次开展的一项工程实践,所以尚未有针对该问题开展专项的动力学建模及相应的仿真分析。文章对样品容器在返回过程中的力学环境进行建模,分别沿轴向和法向建立样品容器的动力学模型,以典型再入弹道条件下样品容器的受力情况为研究对象,对样品容器准静态和考虑动态振动环境条件下的受力情况及运动进行分析,获得样品容器在返回过程中的动力学特性,为取样返回容器的设计提供参考。     

面向深空探测的星球钻取采样技术综述

回顾国内外星球钻取采样技术发展现状的基础上,详细论述了星壤的物理力学特性及模拟星壤制备工艺,着重分析了钻进取心特性实验及理论研究成果,深入剖析了包含钻进状态参数辨识及自主钻进控制在内的星球自适应钻进规程关键技术问题。在此基础上,以我国探月三期工程无人钻取采样任务为研究背景,提出了对星球钻取采样技术的展望与建议。     

“嫦娥三号”着陆缓冲机构的研究成果及其应用

“嫦娥三号”着陆器于2013年12月14日通过着陆缓冲机构在月面稳定着陆,表明中国已经突破并掌握了地外天体表面着陆缓冲技术,包括适合地外星体表面环境的缓冲方法、着陆缓冲机构设计方法和地面试验验证方法等。文章介绍了着陆缓冲方法的基本要求,对铝蜂窝缓冲特点进行了研究,提出了着陆缓冲机构关键几何参数确定及缓冲能力设计方法。此外,文章还介绍了着陆缓冲机构地面试验的主要验证项目和验证方案。这些研究成果不仅可以应用到未来火星等目标星体的着陆缓冲,而且在民用技术如桥梁的撞击防护、电梯抗坠毁及爆炸防护等领域中也具有十分广阔的应用前景。了解这些研究成果对于后续深空软着陆探测及相关民用技术的发展具有重要的意义。     

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。     

轻小型再入飞行器发展研究

为实现深空探测无人取样返回任务,目前国外普遍采用轻小型化返回飞行器,并已取得较大成功。文章概述了星尘号、起源号和隼鸟号3个典型深空高速再入返回器的情况及技术特点,在此基础上分析了我国开展轻小型再入返回器研究的技术需求及发展建议,指出需要在高速再入返回气动技术、轻小型高速再入返回热防护技术、超声速降落伞回收技术、轻小型机构与综合电子技术等方面进行突破。     

地外天体探测与钻取技术发展研究

总结了过去几十年,包括中国、美国在内的世界多国在不同时期开展的月球及其他地外天体探测活动,分析了月球探测逐步由月球外围向月表和月球内部发展的趋势,研究了月球及其他天体内部探测必要性,对比了地外天体内部探测及钻取技术不同方法具备的不同特点,又通过分析地外天体内部探测面临的极端空间环境、地质环境和超长距离延迟通信等带来的不利条件和挑战,结合未来深空探测任务形式,给出了天体内部探测、选取、分析技术发展的建议。     

嫦娥五号探测器月面铲挖采样前后状态变化分析

为了深入研究月球演化历史以及太空环境对月球土壤的风化影响,需要定量分析月球表面物质与次表层物质的状态差异。研究提出一种依据彩色图像数据分析月壤状态差异的方法,利用嫦娥五号任务采样期间获取的月球表面铲挖前后的图像数据,分析了每次铲挖前后月球表面的图像灰度表现特性等特征,分析结果表明:月球次表层物质的平均反射率小于表面物质,全色谱段中的平均变化率为-24.71%;局部区域的月球表面次表层物质的平均反射特性基本一致,全色谱段中的平均变化率为-0.30%;月球表层颗粒形态与次表层颗粒形态可能不一致;月球表层颗粒与次表层颗粒组成和化学分子结构可能不一致。分析数据表明嫦娥五号采样位置铲挖前后的原态月壤和新鲜月壤存在明显状态差异,研究结果可为我国后续月球采样实施方案的改进提供基础数据。     

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。     

着陆姿态对地外天体表层采样的影响研究

表层采样技术是获得地外天体特性的重要手段,是完成地外天体采样任务的一项关键技术。文章结合4自由度表层采样装置的特点,建立了表层采样装置的逆运动学模型,分析了极限着陆姿态下表层采样装置安装位置在当地参考坐标系中的变化,并针对一次封装与二次封装过程中表层采样装置的位置和姿态要求,明确了末端采样器姿态补偿方法,提出了着陆姿态对表层采样影响的分析算法。仿真结果表明,该算法能有效分析着陆姿态对表层采样的影响,可为表层采样装置适应性设计提供支持。     

用于深层月壤采样返回的软质取心袋的设计与测试验证

月壤钻探采样技术尤其无人自主采样返回技术是我国探月工程的关键技术之一。文章提出了一种适于深层月壤钻探采样的取心机构,能够实现对月壤样品的原位包裹,以保持样品的层理特性信息。该机构选用Kevlar作为包裹样品用的软质取心袋材料,采用满足要求的编织工艺织造出致密薄壁的软袋,并对软袋进行了翻转抽拉力、力学性能及涂层测试分析等测试试验,验证其可满足深层月壤钻探采样任务的需求。     

The men who sold the Moon: science fiction or legal nonsense?

Previously the exclusive domain of science-fiction novels, the sale of extraterrestrial real estate has nowadays become a favourite feature of tabloid reports. This article critically analyses and dismantles with legal arguments the issue of the sale of extraterrestrial land, after having outlined some of the trivial claims of ownership of celestial bodies. From Dennis Hope's lunar claim to the alleged Martian trespass by NASA's Pathfinder, the only consequence these claims have on the legal plane is to highlight the need for better regulation of extraterrestrial landed property rights.     

The benefits and harm of transmitting into space

Deliberate and unintentional radio transmissions from Earth propagate into space. These transmissions could be detected by extraterrestrial watchers over interstellar distances. This article analyzes the harm and benefits of deliberate and unintentional transmissions relevant to Earth and humanity. Comparing the magnitude of deliberate radio broadcasts intended for messaging to extraterrestrial intelligence (METI) with the background radio spectrum of Earth, we find that METI attempts to date have much lower detectability than emissions from current radio communication technologies on Earth. METI broadcasts are usually transient and several orders of magnitude less powerful than other terrestrial sources, such as astronomical and military radars, which provide the strongest detectable signals. The benefits of radio communication on Earth most probably outweigh the potential harm of detection by extraterrestrial watchers; however, the uncertainty regarding the outcome of contact with extraterrestrial beings creates difficulty in assessing whether or not to engage in long-term and large-scale METI.     

惯导/测距/测速相结合的安全软着陆自主导航方法

针对地外天体软着陆中惯导误差随时间增大,无法提供准确的高度和三维速度信息的问题,提出了一种惯导、测距和测速相结合的安全软着陆导航方法。该方法以惯导为基础,利用测距仪修正惯导的高度信息,利用测速敏感器修正惯导的速度信息。详细介绍了惯性导航的基本原理及测距、测速组合修正的策略,对软着陆过程的动力学模型、敏感器测量模型、滤波方程、地形对修正的影响,以及组合使用的策略和算法等问题进行了论述。数学仿真结果表明惯导、测距和测速相结合的方法能够满足安全软着陆的需要。     

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。     

典型采样返回探测器的进入减速着陆系统分析

通过对典型的采样返回探测器（星尘号和起源号）的研究分析,总结归纳了采样返回探测器进入减速着陆系统的特点,特别是对探测器的气动外形布局、返回轨道设计、防热材料选择、降落伞系统设计等进行了分析,可以为下一步开展月球采样返回任务提供一定的参考。     

低密实度基础月壤的钻进压力建模及试验验证

基于钻采过程中月壤颗粒的运动规律提出了一种钻具与月壤相互作用区域的等效方法,并由此从宏观角度建立了一种新型月壤钻进压力解析模型.通过70％密实度基础月壤地面钻采试验验证了该模型对低密实度月壤钻进压力的预测能力,得到了相关修正系数与钻进比之间的关系并分析了模型的可扩展性.该建模方法为复杂工况下钻具-土体相互作用建模提供了...     

Latin抽样法在导弹结构裂纹概率仿真中的应用

提出了Ｌａｔｉｎ抽样与分层抽样相结合的复合抽样方法，对于提高抽样精度和效率都有较为明显的作用，特别适用于结构裂纹概率的仿真和其它应用工程仿真计算。在复合抽样仿真计算示例中，对某型导弹的燃汽发生器进行了抽样仿真计算，所得的抽样结果的精度和相关差都达到了令人满意的预期效果，与实验结果吻合。