基于模拟月壤的表层采样试验研究

目前月球采样可分为深层采样和表层采样,作为深层采样的有力补充,国内外针对表层采样研发了多种不同类型的采样机具,但对机具和月壤相互作用鲜有研究。针对月球表层采样设计了2套采样机具,能够实现挖取、铲取、夹取和振动贯入4种动作。通过相应的传感器,采样机具能在运动过程中实时检测机具承受的力矩（力）。利用6种不同性质的模拟月壤,用2套采样机具分别就不同的运动参数进行了相关试验。通过对试验现象的观察可知模拟月壤与常规沙土性质不同,会出现特定的表现;通过对试验数据的分析可知,除挖取动作外其余3种动作机具运动与受力的关系为近似线性关系,而挖取动作机具承受扭矩分为4个阶段,与机具运动位置有关。     

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。     

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。     

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.     

CAS-1模拟月壤

月球探测是人类迈向深空的门槛.2004年1月,经国务院批准,绕月探测工程正式立项实施,标志着中国的航天事业继地球应用卫星、载人航天之后的第三个里程碑[1].     

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.     

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     

月壤中纳米金属铁的太空风化成因及模拟方法分析

月壤中普遍存在着大量由太空风化作用产生的纳米金属铁,这些纳米金属铁在一定程度上改变了月球表面的物理、化学和光学特征.纳米金属铁在月壤中主要赋存于胶结质玻璃相中和月壤颗粒的表面,胶结质玻璃相的纳米金属铁起源于微陨石轰击富含太阳风氢粒子的月壤产生的高温熔融还原作用,颗粒表面的纳米金属铁来自微陨石轰击引起的蒸发沉积作用和太阳...     

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。     

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。     

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。     

月面环境过程研究评述

月球在停止强烈地质活动后,持续了30多亿年的月面环境过程,虽破坏了月球早期岩浆洋演化和撞击事件的原始信息,但也很好地将这一过程信息刻录到了月表物质和月面环境现象中。一方面,长期的太空风化过程形成了月壤颗粒特有的表层微观结构、np Fe0、Fe-Si化合物及矿物水等;另一方面,这些特性又是影响月球表面热环境及尘埃环境的重要因素。在当前月球探测快速推进的形势下,工程实施迫切需要更系统地认识月面环境过程,而我国嫦娥五号任务将实现月球采样返回,也将是开展月面环境过程研究的重要契机。为此,本文总结了月面环境过程研究的现状,分析了存在的主要问题和未来研究的方向。     

月壤颗粒微观环带的太空风化成因

太空风化是迄今31亿年以来影响月球表面物质演化过程的主要因素,主要包括陨石、微陨石的轰击,太阳风粒子的注入,太阳/银河宇宙射线的辐射以及周期性的加热作用等。通过深入剖析太阳风粒子的注入与溅射、微陨石轰击的蒸发与沉积、宇宙射线辐射的辐射损伤等过程的作用机理,探讨了不同太空风化过程对矿物颗粒环带厚度、化学组成、晶体结构等特征的影响,认为微陨石轰击与太阳风注入是形成月壤颗粒微观环带的主导因素,宇宙射线辐射与周期性加热的影响可忽略不计。进一步结合非晶质环带、富内含物环带、多环环带以及小泡环带等月壤颗粒主要环带的基本特征,在总结和对比分析各类型环带的厚度、结构以及化学组成特征基础上,对不同类型环带的成因进行初步推断,认为非晶质环带、小泡环带以及多环环带的内层环带具有太阳风作用特征,而富内含物环带、多环环带的外层环带则具有微陨石轰击的成因特征。根据目前单纯依靠环带的化学组成分析解释环带成因存在的不足,指出了通过补充分析矿物晶体结构在模拟太空风化实验过程中的变化特征来研究环带成因的新思路。     

基于HUBEX试验资料的土壤水时空分布模拟

利用全球能量与水循环（ＧＥＷＥＸ）亚洲季风试验（ＧＡＭＥ）区淮河流域试验（ＨＵＢＥＸ）１９９８年观测数据,在构建数字流域的基础上,运用新安江模型时ＨＵＢＥＸ水强化观测区－史灌河流域的水过程进行模拟,不仅检验了流域出口断面的流量过程,而且检验了土壤水状态变量的时空变化过程。结果表明,新安江模型中表达土壤湿度指标的土壤蓄水量计算值能够反映土壤水分的时空变化过程,这从一个侧面证明了新安江模型土壤湿度     

基于不同初始含水量的软粘土抗剪强度的试验研究

基坑开挖采取的降水措施会引起土体内部含水量的变化，进而影响其抗剪强度参数的变化，文章结合试验结果分析了含水量因素对土的强度影响，并提出粘聚力及内摩擦角的具体计算公式，对于边坡稳定以及地基承载力计算具有一定实践意义。     

离子土固化剂加固滑坡滑带土的试验研究

研究开发快速经济和行之有效的滑坡治理方法与理论, 一直是各国滑坡防治研究工作的重点.本试验研究使用一种经济适用的离子土固化剂(Ionic Soil Stabilizer, 简称ISS) 对提高滑带土的抗剪强度进行了探索.滑带土首先通过ISS不同配比水溶液的处理, 然后进行阿太堡试验、剪切试验、固结试验和自由膨胀率试验.试验结果表明: 滑坡滑带土在加入离子土固化剂后, 土的塑性指数降低, 粘聚力提高, 孔隙比和自由膨胀率减小.其机理为: 在以粘性土为主的滑带土中加入离子土固化剂, 通过物理化学原理, 它能取代吸附在粘土表面的可交换性阳离子, 改变粘土颗粒表面的双电层结构, 减小结合水膜厚度, 将滑带土的亲水性改为憎水性, 从而提高滑带土的抗剪强度.      

土工格栅与土的摩擦特性试验

该文对试验装置、试验材料、试验原理与操作进行了详细的描述，并对影响摩擦特性的几个主要因素进行了分析。     

基于强度折减系数法的基坑数值仿真分析

研究表明,由极限平衡法确定的滑动面、安全系数存在一定误差,强度折减法以弹塑性力学为基础,能准确给出真实稳定系数的下限。本文以武汉某基坑为例,以强度折减法为基础,采用flac软件进行数值仿真分析,提出了基坑支护的方法,经过工程验证,达到了预期的支护效果。