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低重力场对模拟月壤力学特性及轮—壤作用关系影响的研究

石睿杨  
【摘要】:中国第一辆月面巡视探测器“玉兔号”月球车于北京时间2013年12月15日4时35分成功软着陆于离地球38万公里的月球虹湾地区,标志着中国科技的综合水平已经正式跨入强国的行列。据中国国防科工局介绍,嫦娥三号任务作为探月工程二期的主任务将完成月球软着陆、月面巡视勘测及深空测控通信与遥操作三大工程目标,其中月面巡视勘测工作将依赖于“玉兔号”月球车在松散、复杂未知路面的通过性能。由于月表环境与地球表面有较大的差别,月壤呈松散、细颗粒、非固结状态,月面重力环境仅为地面的1/6,因此,关于低重力场对月壤物理力学性质及月球车通过性能影响的研究至关重要。 本文以国家“嫦娥计划”月球探测工程中的科学问题为背景,参照真实月壤力学特性的参数值范围,采用火山渣为原料制备了适用于月面车轮力学试验的JLU系列模拟月壤,并对其基础物理力学特性参数进行了定性和定量的分析。研究结果表明JLU系列模拟月壤特征容重变化范围为1.20~1.40g/cm3,比重为2.73g/cm3,孔隙率变化范围为50.00~57.00%,孔隙比变化范围为1.00~1.30,含水率变化范围为0.20~0.40%。JLU-1的中值粒径为205.9μm,其粒径分布接近于月壤值的粒径下限;JLU-2的中值粒径为40.80μm,其粒径分布接近于月壤值的粒径上限。JLU-1和JLU-2模拟月壤具有相同的吸湿行为,JLU-1的最大吸湿率为0.54%,JLU-2的最大吸湿率为0.78%,均小于1%,即该两种模拟月壤中,水分含量很少,即使长时间暴露在空气当中,其所吸收的水分也很有限,空气中的水分对JLU系列模拟月壤的散粒体特性影响很小,模拟月壤制得后可以直接保存在自然环境当中并用于地面基础试验。 研究基于分力法原理设计搭建了倾斜式低重力环境模拟试验装置,在轴向分力上实现模拟月壤颗粒间作用力的低重力环境模拟并基于Janssen模型建立了用以描述模拟月壤内部压力分布的数学模型,其中轴向力变化只随着z方向深度的增加而增大;侧向力分别随着y、z方向深度及试验台倾斜角度的增加而增大。同时分别建立了倾斜状态下,承压特性、抗剪切特性、贯入阻力特性和抗冲击特性试验中,模拟月壤侧向附加力的剔除方法,其中抗冲击特性试验中侧向附加力忽略不计;抗剪切特性试验中侧向附加力pa是剪切面所在深度z=z0的面积分;承压和贯入阻力特性试验中剔除侧向附件力后轴向力paj是试样截面S、压入深度以及侧向力在测试域上的分布函数的体积分。 基于倾斜试验台,对JLU系列模拟月壤在不同重力场下的承压特性、抗剪切特性、贯入阻力特性以及抗冲击特性进行试验测定,试验结果表明,低重力场使得模拟月壤变形指数n值、摩擦模量kφ值、内聚力c值减小,粘聚模量kc值和内摩擦角φ值变化不明显。在等效载荷作用下,低重力场使得模拟月壤承压特性、贯入阻力特性和抗冲击性能增强,抗剪切特性变化不明显。相比于JLU-1模拟月壤,JLU-2的力学性能较弱且受密实状态影响变化敏感,细小粒径和松散状态不利于巡视探测器的通过性。同时,利用二维离散元法对上述土槽试验进行仿真分析,建立了月壤二维和三维离散元模型,仿真分析得出的关于重力场对月壤力学性质影响的趋势性结论与试验结果相一致。 使用筛网轮进行静态和动态沉陷试验,修正了月球车静态沉陷计算模型,并通过非接触测量手段获取轮辙信息,试验结果表明,扫描沉陷量小于车轮实际沉陷量且二者呈线性关系变化,差值的变化与沉陷深度、法向载荷以及模拟月壤力学状态有关,差值可达10mm以上,平均偏差率为23.94%,该研究为反推实时月壤力学状态,指导月球车在轨巡视作业提供依据。 利用轻型月球车—土槽测试系统测定了筛网轮在1g重力场、不同垂直载荷下的牵引性能,试验结果表明,车轮沉陷量随着车轮垂直载荷的增加而增加,松散模拟月壤上,当车轮滑转率为70%时,70N载荷下的车轮沉陷量是30N载荷下的1.39倍,滑转率对车辙形貌影响较大。运用PFC离散元仿真软件对不同重力场下的轮—壤作用关系进行仿真分析,二维仿真结果表明,当不同重力场下轮上载荷相同时,随着重力场的增加,车轮的挂钩牵引力增大,沉陷减小,当滑转率为20%时,驱动轮在1g重力场下的牵引性能为1/6g重力场下的1.3倍,沉陷为1/6g下沉陷的62.5%,月球车在地面的通过性能优于月面的通过性能;当轮上质量相同时,随着重力场的增加,车轮的挂钩牵引力增加,沉陷量变化不明显,当滑转率为5%时,驱动轮在1g重力场下的牵引力为1/6g重力场下的4.03倍,扭矩为1/6g重力场下的4.2倍,车轮沉陷是1/6g重力场下的1.75倍,月球车在月面的通过性能优于在地面的通过性能。三维仿真结果表明,当不同重力场下轮上载荷相同时,重力场对驱动轮扭矩的影响并不明显,1/6g重力场下车轮的沉陷是1g重力场下沉陷的1.55倍,挂钩牵引力约为1g重力场下的78%,均未能达到6倍量级,因此,当轮—壤系统整体处于低重力场下时,车轮的通过性能优于地面重力场下的通过性能。本文的研究成果可为我国探测器深空作业提供基础技术保障。


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