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。     

粉末材料的变温介电常数测量

介绍了粉末材料介电常数变温测试系统,测试温度可达200℃。测试系统以传输/反射法为理论基础。测试系统有两个关键的部分,一是利用去嵌入技术去除转接头和垫片的影响;二是温度控制系统,该系统包括被测件的设计,隔热和温度分布情况等。利用该系统,对不同温度下模拟月壤的介电常数进行了测量,在不同温度下,模拟月壤LLB-07和月壤JSC-1A的介电常数非常接近,模拟月壤的介电常数及损耗正切随着温度的升高而增加。利用本文的测试系统能够实现粉末材料的变温介电常数测试。     

月壤剖面冲击贯入式探测方案研究

以月壤剖面的原位探测为目标,提出一种利用土体结构侵彻原理的冲击式贯入器设计方案。重点阐述了冲击式贯入器的工作原理和机构实现方案,并开展多方案设计与分析。研制了原理样机并开展实验验证,证明利用冲击式贯入方法实现月壤剖面自动潜入的可行性,并对我国未来开展月壤剖面原位探测提出了相关建议。     

月尘/月壤环境效应地面模拟方法研究

月壤/月尘会附着并污染航天器、月球车的表面,如果不及时清除,还会进一步诱发部件过热、机械机构卡死、密封失效、材料磨损等一系列问题.本文综述了关于月尘特性、月尘与航天器系统的互相作用机理、月尘环境模拟方法等方面的研究成果,提出了一种小型月尘环境模拟系统的设计方案.该系统将使关于月尘特性的实验研究成为可能,并可作为登月飞船及月球车材料选择、机械机构可靠性试验、除尘策略试验的平台.      

月球表面太空风化作用及其效应

太空风化作用普遍发生在月球、小行星等一些无大气层的天体表面, 主要包括太阳风离子辐射和微陨石撞击等作用. 通过对真实月球样品太空风化作用的研究成果以及低能离子和激光照射等地面模拟实验结果的系统综述和分析, 重点分析了月壤颗粒中非晶质层和纳米铁的成因, 指出太空风化研究中存在的太阳风离子辐射和微陨石撞击贡献难以区分及模拟实验模拟效果尚不充分的问题.进而提出月球太空风化研究不能简单套用其他天体的模型, 并建议未来开展更多月球和陨石样品的精细化学分析.      

基于球堆叠的月壤蓄热器传热特性数值研究

月壤蓄热是月球原位资源利用的一种重要方式，也是解决未来月球基地能源需求的最具潜力的途径之一。针对月壤蓄热过程，建立了基于球形堆叠的月壤蓄热器多孔介质蓄热模型。蓄热器的壳体采用登月舱下降级的燃料罐，流体传热介质采用氦气。通过数值模拟的方法研究了不同流动压降下月壤蓄热球堆叠方式、球直径对蓄热器传热过程的影响规律和机理，并分析了蓄热动态过程。研究结果表明，月壤蓄热球在简单立方体均匀堆叠（SC）和面中心立方体均匀堆叠(FCC)两种方式下，SC堆叠方式的综合蓄热指数比FCC模式可提高302%；同时还发现月壤蓄热球的直径存在最优值，可使得蓄热器在单位泵功下获得最大的蓄热量，并且该最佳值随着流体进出口压差增加而减小。该研究可为未来月壤蓄热器的设计和优化提供理论指导。     

月壤采样冲击破碎过程的影响参数分析

针对月球表面的月壤采样过程中遇到不同粒度的块状月岩会对钻探取样工作造成不同程度的影响和阻碍的问题，提出了一种通过有限元仿真模型结合类月岩材料力学特性进行有效分析的方法，作为提高效率的依据。首先通过实验和仿真拟合，得到硬度接近于月岩的两种类岩石材料红砖和砂岩的材料模型参数。在此基础上，用实际尺寸的机构有限元模型进行仿真，得到采样冲击机构冲击过程中不同参数的影响。基于该参数分析，对于冲击机构及其冲击过程提出改进建议，可有效提高采样过程中冲击破碎岩石效率。     

月壤力学参数反求及试验验证

为了预测月球车的牵引特性并进行牵引控制,提出了一种基于线性最小二乘法的月壤力学参数估计算法,对内聚力和内摩擦角这两个关键的月壤力学参数进行反求.针对反映车轮土壤交互作用过程中轮刺效应的力学模型进行简化,建立了内聚力和内摩擦角的求解模型.将车轮与模拟月壤交互作用试验中的测量数据输入利用该算法编制的Matlab程序中,反求出模拟月壤的内聚力和内摩擦角,反求值与模拟月壤的实测值较为接近.试验验证结果表明该算法准确有效,且具有较好的稳定性和较快的运算速度,可用于月球车进行月壤力学参数的就位估计.      

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。     

月球车驱动轮在模拟月壤上的沉陷特性实验分析

车轮沉陷量是影响月球车通过性能的关键因素之一。文章用一种月球车的刚性车轮在模拟月壤上进行了以不同滑转率滚动的沉陷量测试实验;根据模拟月壤的加载和重复加载力学特性模型,探讨了车轮首次通过和重复通过的沉陷量的计算方法,计算结果与测量值的差小于8%;进一步分析了等重的两轴和三轴月球车的后轮沉陷量。