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...     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

月球车驱动轮牵引性能研究

研究在月球表面环境下行驶的月球车牵引性能,对保证其正常探测工作具有重要意义。以长白山火山灰为主要原料制备了应用于月面车辆力学试验中的模拟月壤,研制了月壤-车轮土槽测试系统,对有刺轮与光滑轮进行了牵引性能试验。试验结果表明,有刺轮的最大挂钩牵引力(DP)为光滑轮的5.2倍;当滑转率为10%时,有刺轮在硬路面上的DP为其在模拟月壤上的6.7倍。在此基础上,通过离散单元法(DEM)对驱动轮与月壤相互作用关系进行了细观分析,模拟出驱动轮下月壤颗粒的受力、位移、速度的分布规律及无牵引阻力条件下驱动轮的牵引性能。研究结果为月球车的性能评估和面向月球的高通过性行走机构研制提供基本方法和基础数据。
     

月球钻取采样钻头结构参数对力学性能的影响

基于对螺旋钻头的输出月壤阻力、驱动力矩及月壤失效区的分析,建立了钻头的力学模型,该模型综合考虑切削具内外侧面与月壤之间的压力及摩擦力,考虑月壤侧向失效面的面载荷对钻头切削具周向力矩、总功耗及月壤失效距离的影响,数值仿真与试验结果校验了模型的正确性。在数值仿真过程中采用深层月壤本构关系的Mohr-Coulomb模型,使仿真更加符合月壤内摩擦角大于22°的真实情况。利用该模型分析并获得了钻头结构参数对切削具功耗和失效距离的影响规律,以钻头功耗最小为优化目标,用遗传算法对钻头结构参数进行了优化,优化结果降低了钻探过程中的烧钻风险。可为钻取式自动采样机构的钻头设计提供理论依据。     

基于离散元方法的月球着陆器冲击月壤过程分析

月球着陆器在着陆过程中会产生巨大的冲击作用。为了研究月壤材料对着陆器的缓冲作用,文章针对月壤在细观尺度下的离散分布特性,采用离散元方法建立月壤的计算分析模型。在此基础上,简化着陆器模型仅考虑着陆腿的缓冲性能,对着陆过程中着陆器与月壤相互作用的动力冲击过程进行数值分析。通过调整着陆器的质量以及着陆速度,对着陆器着陆过程中的冲击深度、加速度以及冲击力进行了计算分析,研究了月壤对着陆器的缓冲性能。计算结果表明,月壤材料对着陆器有很好的缓冲作用,这为实现安全稳定的软着陆提供了新的研究方向。采用离散元方法分析着陆器在着陆冲击过程中冲击力的变化规律有助于着陆器结构的合理设计和安全性能评估。     

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。     

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。     

刚性轮与模拟月壤相互作用初步研究

文章在初步总结当前月球车轮与月面土壤相互作用研究成果的基础上,利用自主开发的仿真平台开展了刚性车轮和模拟月壤的相互作用的仿真计算,并与土槽试验结果进行了初步的对比研究。研究表明,仿真结果和试验的测量值误差在30%以内,尤其在车轮的垂直沉陷量的计算上和试验结果一致性较好,从而验证了轮-土相互作用的模型的局部合理性,但是在切向力的计算上还存在一定的误差,需要继续完善。     

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。     

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。     

月球车轮与月面相互作用的两种仿真模型的比较与应用

文章进行了月球车单个车轮和模拟月壤相互作用的初步研究,并将两种不同轮下分布模型得到的单轮力学性能仿真分析的结果和土槽试验结果进行了对比,从中选出合适的模型对车轮的牵引性能进行仿真计算。根据试验结果,利用动沉陷量-滑转率之间的线性关系获得了动沉陷系数,然后对不同垂直载荷、不同表面形状车轮牵引力的变化规律进行了预测,并进行了相应的试验验证。     

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。