模拟月壤螺旋钻进力载特性分析

月球钻探取样具有钻进对象松散、钻机功率小、质量轻、钻进过程无冲洗介质等难点,螺旋钻进因其连续排屑和干式回转钻进的能力,成为最具可行性的月球钻探取样方式之一。为确保在设备能力和月表环境限制下实现深层月壤钻探取样目的,针对月壤/模拟月壤物理力学特性,对螺旋钻探取样过程进行力载特性分析。分析表明,月球钻探具有螺旋叶片宽度窄、回转速度高的特点,可采用钻屑颗粒模式求得临界回转速度,然后选择合理的钻进工艺。螺旋钻进功耗包括钻头切削月壤的功耗和钻进排屑功耗,可根据功耗模型研究各变量对功率的影响规律,从而为钻具结构优化和钻进参数优选提供理论指导。     

月球钻孔取心机具研制与试验

对月壤形成过程和物质组成进行了介绍,并将实际月壤基本物理力学指标与CUG-1型模拟月壤和普通干砂进行对比,认为在月球钻探取样过程中可能遇到具有一定胶结强度的硬质团块。我国探月工程三期的核心任务是实现月球钻探取样和返回,并明确要采用钻孔取样方式来获取能保持原始层理结构的较深层月壤样品。月表处于无水、高真空、微重力、日夜温差悬殊的极端环境,因此月球钻探取样采用的钻孔取心机具应结构简单,以减少钻进故障几率和拓宽对所钻月壤层的适应性。针对模拟月壤,分别对传统钻孔取心钻具、孔内取心钻具、孔外取心钻具、软袋翻转取心钻具、内外管联合（内管、外管）取心钻具进行了试验研究。试验研究结果表明,内外管联合取心钻具能更好地满足我国月球钻探取样返回的要求。     

月球钻孔取心机具试验与钻进规程

我国探月工程第3期工程的核心任务是实现月球钻探取样和返回,明确采用钻取方式获取深2 m的月壤样品.针对月表极端钻进环境,提出一种内外管联合取心螺旋钻具,即内管软袋提拉取心,外管螺旋集输取心.模拟月壤钻进试验结果表明,该取心钻具能实现有效钻进可靠取心,特别适合小于0.6 m浅层模拟月壤钻取.试验研究了钻进规程对模拟月壤取心率和钻进功耗的影响规律,得出了钻进转速、进给速度值域与功率值域的关联性,对月球环境下取心钻具研制和钻进规程制定具有实际工程应用价值.      

月球钻探取心特种钻头研制与试验

对月壤形成过程和物质组成进行了介绍,并将实际月壤基本物理力学指标与CUG-1型模拟月壤和普通干砂进行对比,认为在月球钻探取样过程中可能遇到具有一定胶结强度的硬质团块.为保证钻探取样顺利进行,需要研制月球钻探用特种取心PDC钻头.基于PDC钻头的碎岩机理,对钻头的负前角、旁通角、出露高度、钻头保径和PDC切削齿的钎焊工艺分别进行了设计,并对钻杆和钻头装配体在钻进过程中的受力过程进行有限元分析.最后,采用所设计的特种取心PDC钻头进行岩石干钻试验,试验结果表明该钻头能钻进可钻性级别小于或等于六级的岩石,能满足月球钻探需要.     

月球钻探取心特种钻头研制与试验

对月壤形成过程和物质组成进行了介绍,并将实际月壤基本物理力学指标与CUG-1型模拟月壤和普通干砂进行对比,认为在月球钻探取样过程中可能遇到具有一定胶结强度的硬质团块。为保证钻探取样顺利进行,需要研制月球钻探用特种取心PDC钻头。基于PDC钻头的碎岩机理,对钻头的负前角、旁通角、出露高度、钻头保径和PDC切削齿的钎焊工艺分别进行了设计,并对钻杆和钻头装配体在钻进过程中的受力过程进行有限元分析。最后,采用所设计的特种取心PDC钻头进行岩石干钻试验,试验结果表明,该钻头能钻进可钻性级别小于或等于6级的岩石,能满足月球钻探需要。     

应用于月壤取样钻具的激光选区熔化研究综述

综述了月球钻探取样钻具的发展现状,金属三维点阵的轻量化以及激光选区熔化制造技术的基本方法和优势。基于激光选区熔化制备技术提出了将三维空间点阵结构应用于月球钻探取样钻具的轻量化,讨论了点阵结构的钻具对于月球钻进过程的适应性并展望了轻量化月球取样钻具方面的发展趋势。分析认为,利用激光选区熔化技术制备的三维点阵结构在月壤取样钻具方面具有很大的应用潜力。     

模拟月壤成型研究现状

月球基地建设是当前人类探索月球以及外太空的初步任务目标,但是地月间运输成本高昂,未来的月球基地建设的开展很可能倾向于采用"就地取材",即直接利用月球资源的方式进行。月壤是月球表面上随处可取的资源,若能有效利用,必然能大幅降低基地的建造成本。为满足月球基地建设中大量的原材料需求,国内外学者已经开始通过对阿波罗等航天计划取样的真实月壤样品和地球上制备的各类模拟月壤样品进行各种成型试验,探讨利用月壤进行月球资源就地利用的可行性。基于此,本文对模拟月壤成型技术和方法的国内外研究进展进行了归纳总结,结合月球表面的实际环境,对各种方法和技术的应用前景及可能遭受的挑战进行了详细探讨,论述了向月球运输大型设备及在月球实际环境中使用额外添加剂的难度。此外,详细介绍了国内课题组对我国自主研制的CLRS系列模拟月壤和钛铁矿粉末进行的激光3D打印成型试验的结果,阐明了激光3D打印工艺参数、预压等处理技术对激光烧结模拟月壤成型性的影响。详细介绍了模拟月壤的烧结机理及成分演变的研究,并且论述了烧结温度、烧结气氛、成分组成及原料粒度等对模拟月壤烧结过程的影响,讨论了模拟月壤成型的机理性研究的重要性,本文旨在为今后月面资源就地利用、月壤成型技术及机理等研究课题的进一步发展提供参考。     

月面环境与月壤特性研究的主要问题探讨

月面环境与月壤特性是月球探测和月球科学研究的重要基础,对它们的研究一直在不断加深,本文对月球表面地形地貌、热环境以及月壤特性三个方面的研究现状进行了总结,初步分析了这三个方面研究目前存在的一些主要问题：（1）地形地貌对月球定量遥感的影响以及南极艾特肯（SPA）盆地等地貌单元的年代学划分和成因演化;（2）月面热辐射、月表物理温度和热流等月面热环境特征的进一步探测和全面分析,以及其对地球反照率变化的响应;（3）月壤形成演化过程及空间风化作用,月球极区氢富集机制和水冰探测,以及月球资源开发利用。     

试论月球表面钻探取样的难点与关键技术

简述了月球表面钻探取样的意义与现状,重点讨论了月球表面钻探取样必然面对的能源、钻机质量、取样设备润滑、钻头排除岩粉与冷却、保证钻进所需的压力和取样可靠性等难题,并针对这些难题提出了可用于月球钻探取样的若干关键技术。     

我国探月工程可采用的一种月球钻探取样方法的初步分析

美国和前苏联已完成的月球取样方法分别是载人登月取样和地面遥控取样钻机取样。基于美国和前苏联的方法,提出了一种可供我国嫦娥工程选用的月壤钻探取样方案,即用遥控取样钻机,配备硬质合金钻头、空心螺旋钻具,采用振动-回转钻进工艺。在高真空和低重力条件下,可选用空心螺旋钻具来解决排屑和钻压问题。顺利排屑的基本条件为钻具的螺旋升角应小于月壤与钻具之间的摩擦角、钻具的回转速度应大于临界转速。通过分析计算可知在月球上采用外螺旋钻具时,临界转速比在地球上要小得多,因此在获得同样的回转力矩条件下可匹配较小功率的电动机。     

Lunar regolith can allow the synthesis of cement materials with near-zero water consumption

With the continuous development of science and technology and the human understanding of the moon, many scientists have planned the creation of a space station on the moon using lunar building materials. Environmental factors mainly include large temperature differentials, and the presence of a hard vacuum on the surface of the moon is a huge challenge for the performance of lunar building materials. Geopolymer materials have the following properties: approximately zero water consumption, resistance to high- and low-temperature cycling, vacuum stability and good mechanical properties. Additionally, they meet most of the requirements for use in the lunar environment. Here, we present a potential lunar cement material that was fabricated using volcanic ash and sodium hydroxide solution as activator, based on geopolymer technology. The compressive strengths of the volcanic ash geopolymer specimens processed for 24 h under vacuum conditions and 30 freeze-thaw cycles in liquid nitrogen are 45.53 and 44.95 MPa, respectively. Additionally, 98.61% of water could be recycled, in consistence with the water recycling-simulated lunar environment in the lab. Although volcanic ash is not equivalent to the lunar soil, we speculate that the alkali activation of lunar soil could be very close to that of volcanic ash because of their similar chemical and mineralogical composition. In summary, this study provides a feasible approach for the development of near-zero water consumption lunar cement materials based on geopolymer technology.     

钻进取样试验用模拟月壤

[摘 要]钻具在月壤中进行钻进取样,是一个钻具与月壤相互作用的过程。为获得可靠的月壤钻具,在其研制过程中应在月壤里进行钻进试验。但地球上的真实月壤很珍贵,难以满足钻进试验的需要。采用能够较好地模拟真实月壤主要物理力学特性的模拟月壤,代替真实月壤进行钻进取样试验,是月壤钻具研制的一个必要手段。国外已对月壤进行了大量的研究,并取得了丰富的成果。本文在对真实月壤以及模拟月壤研究进行总结的基础上,对月壤钻具研制中所需的模拟月壤进行了简要的阐述,可供月壤钻具研制参考。     

月球重力场研究的论述

月球重力场探测是了解月球内部结构构造最有效的手段之一,也是未来登陆点选择的重要依据.在众多方法中,卫星重力探测是进行全月球覆盖以及获得月球深部信息的重要方法.本文叙述了当前月球重力探测历史和重力模型发展过程,并对这些模型进行比较分析.在了解前沿研究方法的基础上讨论了月球重力位场解算的基本原理、高精度月球重力场获得的方法...     

月球资源探测信息的管理与可视化探讨

在中国未来的月球探测计划中,可能获取的月球表层数据包括地形、地貌、岩层、土壤、资源、环境以及各种相关的结构、物质成分数据。这些数据既有空间数据,也有属性数据。为了实现月球资源探测工作信息化,可以借鉴“数字地球”的理念并采用“多S”结合与集成化技术,对所获取的海量月球表层数据进行一体化存贮管理,构建一个“数字月球”并实现其空间数据和属性数据之间的双向查询检索,以及对表层复杂结构信息分析的可视化。     

月球岩浆洋演化的实验岩石学研究进展SCIEI北大核心CSCD

由于缺少直接来自月球深部的岩石样品,实验和计算模拟是认识早期月球演化过程的有效方法和手段。20世纪70年代以来,陆续开展了大量的实验岩石学和实验地球化学工作对月球岩浆洋(lunar magma ocean,LMO)演化模型进行验证和修正。但是,学界对LMO模型中的两个关键性参数,即初始物质组成和熔融深度,仍然存在不同的认识。根据月震和重力探测数据推测的平均月壳厚度的差异、月球样品含水量的研究以及新的遥感数据解译发现月表广泛分布富镁铝尖晶石(Cr#<5)等等,直接影响我们对月球初始物质组成和LMO深度以及月球深部高压矿物相的评估。本文通过整理高温高压实验岩石学和实验地球化学在研究LMO演化方面的一系列研究成果,主要聚焦以下几个科学问题:(1)月球初始物质组成中的难熔元素和挥发分含量,以及LMO深度对月壳厚度、结晶矿物的种类及含量有着决定性的影响;(2)高压矿物相石榴子石在月球深部稳定存在的可能性及其对残余岩浆中微量元素的分配行为的制约;(3)特殊类型的月球样品(包括火山玻璃、镁质岩套等)的成因机制对月球深部物质组成具有指示意义;(4)月核的不同物质组成对LMO模型的初始成分含量,特别是微量元素的限定作用。我们以最新的观测数据和月球样品的分析结果为依据,对已有的LMO演化模型进行重新评估,提出月球深部含有石榴子石的LMO演化模型的可能性,并对该方向亟需开展的工作进行探讨。     

试论新技术革命下的科学钻探

科学钻探是一项技术含量高的高科技科学工程，也是一项庞大而又复杂的系统工程，它的实施离不开新技术革命，新技术革命是科学钻探的技术基础，随着新技术革命的不断发展，必将促进科学钻探向更快更好更深的方向前进。     

用于月面车辆力学试验的模拟月壤研究

研究月面环境下的车辆地面力学,对保证月球探测车辆的正常工作具有重要意义,而用于月面车辆力学试验的模拟月壤则影响其结果的准确度与可信度。用于月面车辆力学试验的模拟月壤,以月壤样本与JSC-1模拟月壤为参考标准,以吉林辉南县火山灰为主要原料、赤铁矿砂为辅料,通过调整试样的粒径分布与赤铁矿砂含量,使模拟月壤的比重、内摩擦角、凝聚力、承压特性、粒径分布、颗粒形态、矿物组成等参数接近JSC-1模拟月壤,并在月壤样本的参数变化范围之内,表明该模拟月壤可用于月面车辆力学试验研究。     

基于FDTD的月壤分层雷达探测正演模拟

“嫦娥三号”巡视器上搭载的测月雷达通过500 MHz频率的天线,对巡视路线上的月壳浅层结构进行剖面式观测,能探测到月球地底下30 m深土壤层的结构。为了更好地分析测月雷达的探测结果,文中对月壤分层进行正演模拟,月岩层的介电常数采用与“嫦娥三号”登月点位置最近的Apollo 15的电性参数近似代替,月壤的介电常数是一个和密度相关的值且随深度的变化而变化。根据以上参数建立模型,基于时域有限差分（FDTD）原理,利用GprMax对月壤分层结构进行模拟,建立的模型包括月表介电常数随深度变化二层模型和月岩层存在下界面三层模型,并对其波形特征进行分析,找到月壤层次划分的一般规律,对“嫦娥三号”测月雷达数据的分析提供理论依据。     

月壤钛铁矿微波烧结制备月球基地结构材料的初步设想

月球基地建设是当前"重返月球"的一个重要目标,为满足其建设需要大量结构材料.部分学者通过对真实月壤样品和模拟月壤进行各种高温烧结实验,分析了就地利用月壤矿物资源制备各种材料的方法.但由于月壤成分较为复杂,烧结产物的性能还很难满足实际需求.微波烧结技术作为一项新技术,具有传统烧结技术无法比拟的优势,更适合作为月球资源利用中的烧结加热技术.结合月壤中钛铁矿的含量,通过热力学分析,作者认为利用钛铁矿进行微波烧结实验来制备月球基地所需结构材料是一个值得深入研究的方案.