“玉兔”号月球车对月壤成功实施首次月面科学探测

<正>北京时间14日21时45分,在北京航天飞行控制中心精确控制下,"玉兔"号月球车展开机械臂,对月壤成功实施首次月面科学探测。北京航天飞行控制中心总体室副主任吴风雷介绍:"这次探测任务的成功,标志着我国突破了月面高精度机械臂遥操作控制技术,实现了38万公里之外机械臂毫米级精确控制。"据悉,由于受"玉兔"号月球车活动维度限制和避障因素影响,机械臂完成对一个预定目标点的探测,一般要经过十多个操作步骤,几乎每一步操作都要经过极其精密的计算。此前,在2013年12月23日凌晨,北京航天飞行控制中心曾控制机械臂进行投放测试,目的是为     

刚性轮-月壤相互作用预测模型及试验研究

研究在月球表面特殊环境下的月球车牵引通过性能,对保证月球车的正常探测工作具有重要意义。在分析传统地面车辆理论与研究方法的基础上,给出了刚性轮与月壤相互作用的预测模型;使用辉南一带火山灰制备了应用于月面车辆力学基础试验中的模拟月壤;设计制造了月壤一车轮土槽试验系统。最后,在该土槽试验系统下对有轮刺轮与无轮刺轮进行了牵引性能试验,并与模型计算值进行对比。结果表明,所给模型的预测值与实测值有较好的一致性。     

月球车轮与月壤相互作用动力学模拟

在分析月球车轮与月壤相互作用的基础上.应用离散元软件PFC2D对月球车轮在月壤上的牵引通过性能进行了模拟研究.通过双轴试验调整离散元力学模型的细观参数.得到月壤离散元接触力学模型:其内摩擦角为42°,凝聚力为1.554 kPa,泊松比为0.41,弹性模量为77.5 MPa;通过颗粒与月球车轮接触的平均刚度.确定了车轮前进时的水平速度与沉降速度增量;在相同试验条件下,模拟试验与土槽试验的对比结果表明,两者趋势一致;有轮刺轮与光滑轮的牵引通过性能对比结果表明,在没有牵引阻力情况下.有轮刺轮滑转率为零.光滑轮滑转率为1.8%;当滑转率为10%时,光滑轮挂钩牵引力为7.71 N,有轮刺轮挂钩牵引力为121.6 N.     

月壤钻采取样方式对样品层理的影响

针对月壤钻采任务,基于离散元月壤模型,分析了硬质管取芯与软袋取芯2种取样方式的层理保持特性,提出了曲面斜率法描述月壤样品的层理信息。该方法能够通过拟合曲面直观反映随钻深分布的各层月壤样品变形情况,并能够定量描述各层样品轻微扰动部分与层理破坏部分的分界范围,以及层理破坏趋势与程度。分析结果表明:取样袋能显著保护样品的层理信息,而硬质管取芯对外侧月壤样品层理破坏严重,且破坏层数较多,但层理破坏较轻微的样品直径范围与有取样袋工况差别不大。此外,2种工况下,表层月壤样品层理信息均破坏严重,说明了表层月壤具有较强的随动性。     

月壤力学性质对月球车牵引性能影响的模拟

采用离散元软件PFC2D,对月球车驱动轮在不同力学性质月壤上的牵引通过特性进行了数值模拟.研究采用线性接触刚度模型,通过双轴试验反复调整颗粒细观参数建立月壤离散元模型,其物理力学性质与真实月壤相似.在相同试验条件下,模拟试验与土槽试验结果趋势一致;模拟试验结果表明,挂钩牵引力随颗粒间摩擦因数增加而增加,当摩擦因数在1左右时增加趋于平缓;挂钩牵引力随孔隙率增加而线性减少;挂钩牵引力随粒径分布(rmax/rmin)增加先增加,当粒径分布大于5后减小,挂钩牵引力随重力加速度增加而增加,在1/6地球重力条件下,滑转率20%时,驱动轮的挂钩牵引力约为地球重力时的77.3%.     

轻载荷条件下轻型车辆车轮牵引通过性模型的建立与验证

为研究轻型地面车辆松软地面通过性能,针对轻载荷条件建立车轮牵引通过性预测模型,该文采用轮上载荷为30~90 N的轻载荷条件,以轮上载荷和轮径度为试验因素,车轮沉陷、挂钩牵引力和牵引效率为试验指标,开展滑转条件下轮壤相互作用试验研究。分析了试验因素对车轮牵引通过性的影响规律,发现载荷因素对试验指标的影响最为显著,显著性检验的置信度达90%。沉陷随着轮径的减小以及轮上载荷和滑转率的增加,车轮沉陷均呈现增加趋势,平均相对增加率分别为14.3%、36.9%和77.4%。挂钩牵引力随着载荷、滑转率和轮径的增加平均提高了约263%、295%和29.71%,牵引效率最大值均值为0.23,对应的滑转率为26.86%。基于传统沉陷模型和轮壤接触应力分布线性化公式,结合车轮土槽试验结果,建立了适合滑转条件的沉陷模型,模型计算值与试验值残差低于3.6 mm,平均相对误差小于6.4%,结果表明该模型能准确预测轻载荷条件下车轮沉陷。该研究为轻型车辆研制、轻载荷条件下车轮牵引通过性评估提供了参考。     

高密实度模拟月壤力学特性试验研究

为保证月面采样任务顺利实施,该文以钻取采样的JLU5系列模拟月壤(JLU5-1、JLU5-2和JLU5-3,探月工程内场试验采用)为对象,利用振实装置进行高密实度模拟月壤整备,开展不同密实度条件下(相对密度为0.85、0.9、0.95和0.99)模拟月壤剪切和贯入特性力学试验,分析了相对密度对剪切强度、内聚力、内摩擦角、圆锥指数和圆锥指数梯度的影响规律。试验结果表明,剪切强度和内聚力随相对密度增加总体呈现增加规律,平均变化率分别为11.1%和35.8%;3种模拟月壤内摩擦角随相对密度增加无明显变化趋势,范围为53.3o～67.7o;圆锥指数和圆锥指数梯度随相对密度增加而增加,且圆锥指数和圆锥指数梯度平均变化率较剪切强度和内聚力的大;相同试验条件下,颗粒较细的JLU5-3型模拟月壤较JLU5-1和JLU5-2具有更大的剪切强度、内聚力和圆锥指数,JLU5-2内摩擦角总体上较JLU5-1和JLU5-3的小。利用EDEM软件建立贯入特性试验数值模型,仿真结果表明:不同模拟月壤圆锥指数仿真值总体小于实际试验值,且随相对密度变化规律一致,建立了仿真与试验值线性关系。研究结果可为采样任务顺利实施、钻取机构优化设计、采样触月部件与月壤相互作用力学模型建立提供参考。     

调节粒径分布提高月壤种植潜力研究

【目的】月壤是月球岩石在遭受物理风化作用后形成的颗粒极细的碎屑物质，其保肥能力和透气性较差，且缺乏植物生长所需的有机养分及营养元素，并不是一种优质的栽培基质。通过研究月壤物理结构调整对月壤原位资源化利用的可行性，为太空农业种植提供有效手段。【方法】本研究基于嫦娥五号(CE-5)取回的月壤样本组分数据，选用玄武岩制备模拟月壤。根据嫦娥5号和Apollo飞船的月壤样本粒径分布数据，在月壤粒径分布合理的范围内，分别添加质量百分数为10%、20%和30%的大粒径玄武岩颗粒(1000～500μm)，形成了3个模拟月壤M1、M2和M3，以CE-5真实月壤粒径分布的模拟月壤M0作为对照，向模拟月壤中加入氮、磷、钾营养元素，进行生菜种植试验和室内模拟淋溶试验。【结果】随着大粒径颗粒占比的增加，模拟月壤容重从M0的1.85 g/cm³减小至M3的1.80 g/cm³，田间持水量下的通气孔隙度从7.62%上升至11.68%,M3的通气孔隙度达到M0的153.38%。室内模拟淋溶试验显示，随着大粒径颗粒占比的增加，淋溶液中的铵态氮、全氮和全磷均呈先下降后上升的趋势...