基于模拟月壤挖取采样扭矩试验及建模

开展月球探测对于提升我国综合实力具有重要意义.按照计划我国将在2017年左右完成月球采样并返回地球的目标.目前国内各科研院所对采样机具的研究多集中在钻取机具的设计及其仿真模拟上,对表层取样机具研究较少.基于表层取样研发了一套由直流电机驱动,并能通过检测其电流间接测算挖取运动扭矩的试验机构.利用该机构在6种不同的模拟月壤中进行不同试验参数的挖取试验后可知,在不同的试验条件下挖取机构承受的扭矩变化趋势大致相同,并能由4个特征点进行描述.4个特征点的取值随试验参数的不同而改变.完成试验后将试验数据进行归一化处理后导入BP神经网络进行学习和训练,建立了以运动参数(运动角度、机构悬挂高度)、模拟月壤类型(内聚力、内摩擦角)、模拟月壤密实程度(容积密度、孔隙度、相对密实度)为输入量,机具承受扭矩为输出量的神经网络模型.通过与实测数据对比可证明本文建立的BP神经网络挖取力学模型具有很高的拟合和预测精度.     

模拟月壤表层采样试验研究

月球取样方式可以分为两大类:表层月壤采样和深层月壤采样。表层月壤采样一般使用挖、铲、夹、耙、吸等方式,而深层月壤采样一般使用钻取方式。通过采用和真实月壤特性类似的模拟月壤进行地面表层采样试验,主要针对挖取和铲取的方式,检测采样过程中模拟月壤和机具的相互作用力学参数,研究模拟月壤特性和采样方式对采样过程的影响,为后期进行月球环境下的模拟试验或计算机仿真提供重要的参考。     

基于试验的模拟月壤表层取样理论修正及其应用

月球探测对于我国各方面综合实力的提升均具有巨大的推动作用。当前我国各研发机构对月球采样的研发重点集中于采样机具的设计制造上,对采样机具和月壤之间相互作用却研究较少。与地球土壤相比,月壤的形成环境与条件完全不同,从而造就了其较为特殊的物理力学性质。在利用与真实月壤类似的模拟月壤进行的薄壁圆筒贯入试验中,发现存在月壤滞留和月壤附壁现象,从而分析得出在采样机具表面与月壤相互作用的理论分析中,除了传统的摩擦力理论外,还可通过最大抗剪强度进行分析。通过对试验现象和数据对比摩擦力理论和最大抗剪强度理论发现,最大抗剪强度理论更加符合实际情况。故将最大抗剪强度理论引入已有的月球螺旋钻进采样的理论模型中,通过计算得出基于最大抗剪强度理论计算的螺旋临界转速低于基于摩擦力理论计算的临界转速,在一定程度上能够降低采样机具的能耗。     

基于模拟月壤的贯入模块化试验

为了解采样机具与模拟月壤间的相互作用,同时验证月壤采样机具模块化建模的可行性.基于中国地质大学（武汉）研制的CUG-1A型模拟月壤,开展不同条件下机具贯入力载的试验研究,并依据试验结果建立理论模型进行验证.各机具在浅层模拟月壤贯入阻力平均增长率为19.9%,次浅层提升至38.18%,深层出现陡增达到63.43%;贯入速度对贯入阻力的平均误差为2.5%;不同入土角度下贯入阻力的平均增长率为62.85%;不同截面机具贯入阻力随截面面积增长而增长,值近似为1∶2∶3∶4.同时进行了机具结构模块化验证,理论模型与试验结果吻合度在85%以上.采样机具所受贯入阻力与贯入深度、方式和机具结构明显相关,可建立模块化理论模型准确预估不同条件机具的贯入阻力.     

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.      

CAS-1模拟月壤

模拟月壤是与月球月壤具有相似的矿物组成、化学成分和物理力学性质的地球物质，是月球样品的地球化学复制品。长白山龙岗火山群金龙顶子火山喷发的四海火山渣具有与阿波罗14号采集的月球样品相似的化学和矿物组成，并含有20％～40％的玻璃物质。以四海火山渣为初始物质，研制成功CAS-1模拟月壤，并测量了CAS-1模拟月壤的主量和微量元素组成、矿物组成、密度、颗粒形态、粒度分布、抗剪性和复介电常数等参数。结果表明，CAS-1模拟月壤与Apollo 14号采集的月球样品具有相似的化学成分、矿物组成和物理力学性质，是一种理想的低钛玄武岩质模拟月壤。     

模拟月壤地面力学性质试验研究

掌握与月球车行驶相关的月壤力学性质是我国月球车研制所急需的。在制备了用于月面车辆力学试验用的模拟月壤基础上,通过三轴试验得出模拟月壤的弹性模量为48.8 MPa;通过硬度测量可知,模拟月壤的硬度小于黑壤土,与石英砂接近;通过压板试验可得模拟月壤的变形指数n为1.13,变形模量K为1 056 kN/mn+2,分析可知,随着变形模量和变形指数的增大,其承压能力增大;通过履带板试验可得模拟月壤剪切变形模量k为1.2 cm,分析可知,剪切破坏模量的增大对剪切强度的影响不大,但会使剪切破坏的峰值向后移动;另外,随着内摩擦角? 和黏聚力c的增加,剪切破坏强度增大。以上研究结果可为月球车行走机构优化设计和通过性能评估提供参考和依据。     

软着陆足垫与模拟月壤界面特性研究

软着陆机构与模拟月壤滑移性能是影响月球探测器月面软着陆稳定性的重要因素。针对缓冲机构所用足垫材料-硬铝,通过直剪仪开展界面直剪试验,研究不同法向应力和剪切速率下不同相对密度模拟月壤和光滑铝板间的接触面变形、强度特性。试验结果表明,稍密时接触面无明显剪应力峰值,近理想弹塑性变形;密实条件下接触面破坏时呈现应变软化现象;法向压力增加接触面强度增加,接触面强度随剪切速率增加而降低,接触面摩擦角取26.8°～31.4°之间。     

CAS-1模拟月壤

模拟月壤是与月球月壤具有相似的矿物组成、化学成分和物理力学性质的地球物质,是月球样品的地球化学复制品.长白山龙岗火山群金龙顶子火山喷发的四海火山渣具有与阿波罗14号采集的月球样品相似的化学和矿物组成,并含有20%～40 %的玻璃物质.以四海火山渣为初始物质,研制成功CAS-1模拟月壤,并测量了CAS-1模拟月壤的主量和微量元素组成、矿物组成、密度、颗粒形态、粒度分布、抗剪性和复介电常数等参数.结果表明,CAS-1模拟月壤与Apollo 14号采集的月球样品具有相似的化学成分、矿物组成和物理力学性质,是一种理想的低钛玄武岩质模拟月壤.     

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.     

Two Lunar Mare Soil Simulants

Two new lunar mare soil simulants, NAO-2 and NAO-3, have been created in National Astronomical Observatories (NAO), Chinese Academy of Sciences. These two simulants were produced from low-titanium basalt and high-titanium basalt respectively. The chemical composition, mineralogy, particle size distribution, density, angle of internal friction, and cohesion of both simulants have been analyzed, indicating that some characteristics of NAO-2 and NAO-3 are similar to those of Apollo 14 and Apollo 11 landing site soils. NAO-2 and NAO-3 will be of great benefit to the scientific and engineering research on lunar soil.     

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。     

Lunar-A mission: Outline and current status

The scientific objective of the Lunar-A, Japanese Penetrator Mission, is to explore the lunar interior by seismic and heat-flow experiments. Two penetrators containing two seismometers (horizontal and vertical components) and heat-flow probes will be deployed from a spacecraft onto the lunar surface, one on the near-side and the other on the far-side of the moon. The data obtained by the penetrators will be transmitted to the earth station via the Lunar-A mother spacecraft orbiting at an altitude of about 200 km. The spacecraft of a cylindrical shape, 2.2 m in maximum diameter and 1.7 m in height, is designed to be spin-stabilized. The spacecraft will be inserted into an elliptic lunar orbit, after about a half-year cruise during which complex manoeuvering is made using the lunar-solar gravity assist. After lunar orbit insertion, two penetrators will be separated from the spacecraft near perilune, one by one, and will be landed on the lunar surface. The final impact velocity of the penetrator will be about 285 m/sec; it will encounter a shock of about 8000 G at impact on the lunar surface. According to numerous experimental impact tests using model penetrators and a lunar-regolith analog target, each penetrator is predicted to penetrate to a depth between l and 3 m, depending on the hardness and/or particle-size distribution of the lunar regolith. The penetration depth is important for ensuring the temperature stability of the instruments in the penetrator and heat flow measurements. According to the results of the Apollo heat flow experiment, an insulating regolith blanket of only 30 cm is sufficient to dampen out about 280 K lunar surface temperature fluctuation to < 3 K variation. The seismic observations are expected to provide key data on the size of the lunar core, as well as data on deep lunar mantle structure. The heat flow measurements at two penetrator-landing sites will also provide important data on the thermal structure and bulk concentrations of heat-generating elements in the Moon. These data will provide much stronger geophysical constraints on the origin and evolution of the Moon than has been obtained so far. Currently, the Lunar-A system is being reviewed and a more robust system for communication between the penetrators and spacecraft is being implemented according to the lessons learned from Beagle-2 and DS-2 failures. More impact tests for penetrators onto a lunar regolith analogue target will be undertaken before its launch.     

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。     

月球极区冻结模拟月壤物理力学特性研究

近年来越来越多的探测结果表明,月球极区永久阴影区月壤中存在水冰。水是人类赖以生存的化学物质,也是理解月球独特的形成与演化过程的关键环节。因此,各航天大国均将月球极区作为探月工程的重要目标。冻结月壤的导热系数和单轴抗压强度是月球极区原位探测取样的基础和关键参数。本研究采用低温试验研究了冻结模拟月壤的导热系数和单轴抗压强度。结果表明：冻结模拟月壤导热系数随含水率增大而线性增大,冻结模拟月壤的导热系数为0.2~1.3 W?m^-1?K^-1。冻结模拟月壤单轴压缩过程中发生脆性破坏,5%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为5 MPa,10%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为13 MPa。在初始加载阶段,干密度相同、含水率不同的冻结模拟月壤试样因微裂纹压密导致的应变量基本相同;在线弹性阶段,冻结模拟月壤有效弹性模量随含水率增大而增大,其主要原因是含水率增大使得月壤颗粒间的冻结强度增大;在破坏阶段,含水率较高的冻结模拟月壤表现出脆性破坏特征,含水率较低的冻结模拟月壤表现出更显著的塑性特征。研究结果将为月球永久阴影区水冰探测方案制定、探测器研制等提供基础的科学数据支撑。     

月壤及模拟月壤微观结构的研究

为了对比研究月壤与模拟月壤的微观结构,介绍了月壤的形成作用过程和5种基本颗粒类型;通过真实月壤照片,对月壤微观结构进行了分析;利用火山灰为模拟月壤主体材料,对其成分进行了检测;对模拟月壤的火山灰颗粒进行了显微图像分析试验。结果表明,月壤存在胶结物微观颗粒,胶结物颗粒具有分支的组织形态和封闭的气泡,并且有金属铁珠存在;火山灰所含的主要成分及含量与月壤相似,经过粉碎的火山灰试样棱角较为明显,其纵横比峰值略小,稍显长条状,但与月壤比较相近,而复杂度因子则略有欠缺,说明颗粒还不够粗糙和多棱     

一种静力触探模型箱试验装置的研制及其试验研究

设计了一套静力触探模型箱试验装置,该装置可以在模型箱水平面内任意位置进行贯入试验,贯入速率在一定范围可控,贯入倾角可调节。将该装置用于TJ-1模拟月壤静力触探力学特性的研究,试验结果表明：地基表层模拟月壤发生刺入剪切破坏;贯入阻力随贯入深度的增加而增加;探杆周围同一深度处土体的水平土压力表现出轴对称特征,其值在探头靠近土压力盒过程中逐渐增大至最大值,后随探头远离土压力盒又逐渐减小至0,且不同深度土体水平土压力峰值随贯入深度增加而增大;贯入点正下方土体的垂直土压力随贯入深度的增加而增加,主要影响范围约为距探头200 mm处。基于以上试验研究,表明该模型箱的设计是合理的,且TJ-1模拟月壤力学特性的研究成果能够为将来涉及到TJ-1模拟月壤的航天试验提供必要的技术参考。     

TJ-1模拟月壤承载特性的现场试验研究

采用TJ-1模拟月壤作为试验材料,通过静力触探、静载荷试验的对比分析,探讨适合月壤承载力计算的经验公式,以期为未来载人登月时宇航员和着陆器登陆可能涉及到有关月面承载能力的问题提供必要的参考。首先,使用近255 t TJ-1模拟月壤人工制备出13 m×12 m×1.2 m试验用地基,后在试验地基均匀布置6个静力触探测点和2个静载荷试验测点进行测试。针对太沙基承载力计算半经验公式以及规范和国内外学者提出的12个适合中密实砂土静力触探承载力计算的经验公式,对试验结果进行探讨。发现直接运用太沙基提出的半经验公式计算月壤承载力结果明显偏小,而由联合试验小组提出的经验公式 能够用来近似计算月壤地基承载力。计算结果表明,该经验公式在计算承载力时能够与静载荷试验值较好的吻合。