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Influence of lunar regolith compressibility on sampling performance of thick wall spiral drills 被引量:5
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作者 Yong PANG Tao ZHANG +9 位作者 Hongyu WEI Ting ZENG Yinliang ZHANG Guidong MO Kun XU Shen YIN Guoxin WANG Xingwang ZHANG Xiaoming LAI Xilun DING 《Chinese Journal of Aeronautics》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第2期350-362,共13页
A 2 m class robotic drill was sent to the Moon and successfully collected and returned regolith samples in late 2020 by China.It was a typical thick wall spiral drill(TWSD)with a hollow auger containing a complex cori... A 2 m class robotic drill was sent to the Moon and successfully collected and returned regolith samples in late 2020 by China.It was a typical thick wall spiral drill(TWSD)with a hollow auger containing a complex coring system to retain subsurface regolith samples.Before the robotic drill was launched,a series of laboratory tests were carried out to investigate and predict the possible drilling loads it may encounter in the lunar environment.This work presents how the sampling performance of the TWSD is affected by the regolith compressibility.Experiments and analysis during the drilling and sampling process in a simulated lunar regolith environment were conducted.The compressibility of a typical lunar regolith simulant(LRS)was measured through unidirectional compression tests to study the relationship between its inner regolith stress and bulk density.A theoretical model was established to elucidate the cutting discharge behavior by auger flights based on the aforementioned relationship.Experiments were conducted with the LRS,and the results show that the sampling performance is greatly affected by the flux of the drilled cuttings into the spiral flight channels.This work helped in scheduling reasonable drilling parameters to promote the sampling performance of the robotic drill in the Chinese Chang’E 5 mission. 展开更多
关键词 Drilling mechanics Lunar drilling Lunar regolith compressibility regolith sampling performance Thick wall spiral drill
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面向原位建造的月壤采集技术研究进展及展望
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作者 周诚 李浩然 +1 位作者 韩文彬 朱泽洋 《华中科技大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第8期65-75,90,共12页
面向原位建造任务,综述了前苏联Luna计划、美国Apollo计划及中国嫦娥五号月壤采集过程,从月球极端环境角度分析了原位建造任务的采集需求及采集难点,概述了钻取式、铲挖式、气动式、静电式4种采集方式及原理,探讨了不同采集方式在原位... 面向原位建造任务,综述了前苏联Luna计划、美国Apollo计划及中国嫦娥五号月壤采集过程,从月球极端环境角度分析了原位建造任务的采集需求及采集难点,概述了钻取式、铲挖式、气动式、静电式4种采集方式及原理,探讨了不同采集方式在原位建造任务中的应用前景,介绍了月壤采集领域内创新性采集方式及装备,对采集过程的仿真分析、采集器设计与制造和地面实验验证技术进行总结概括,展望了面向月面原位建造的月壤采集技术发展趋势,可为月壤采集技术在月面原位建造领域中的发展及应用提供参考和借鉴,并为未来月球探索和建设提供理论和技术支持. 展开更多
关键词 原位建造 月壤采集 原位资源利用 月壤采集器 采集方式
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月壤钻取与整形过程中样品层理保持特性分析 被引量:2
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作者 张利新 刘天喜 +2 位作者 张鼐 王迎春 马亮 《航天器工程》 CSCD 北大核心 2017年第2期45-52,共8页
基于离散元方法建立了考虑颗粒间扭转、弯曲力矩及等效引力作用的三维离散元月壤模型,利用三轴仿真试验标定模型细观参数,得到满足真实月壤宏观力学特性的仿真模型。对月壤钻取和整形过程进行了仿真设计,提出了"分层概率法",... 基于离散元方法建立了考虑颗粒间扭转、弯曲力矩及等效引力作用的三维离散元月壤模型,利用三轴仿真试验标定模型细观参数,得到满足真实月壤宏观力学特性的仿真模型。对月壤钻取和整形过程进行了仿真设计,提出了"分层概率法",以每层月壤在运动过程中向邻层错动的概率评价层理保持特性。由仿真结果可知:月壤钻进取样过程中样品层理信息会遭到钻取和整形两次破坏,二者破坏程度相当,且越靠近表层层理信息破坏越严重。分层概率法可有效描述月壤钻取与整形过程月壤样品的层理信息破坏情况,分析结果可为月壤采样机构设计提供参考。 展开更多
关键词 月壤采样 离散元模型 钻取过程 整形过程 层理保持特性
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地外风化层采样机械臂自主避障控制方法
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作者 赵子弈 朱利丰 宋爱国 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第7期133-142,共10页
由于地外天体风化层环境的不确定性,执行浅层钻取采样任务时易受到潜在障碍物的干扰,而对于采样时感知环境并进行机构姿态调整的研究相对较少。为提高采样成功率、改善作业时末端机构受力情况,提出了一种应用于地外风化层采样任务的机... 由于地外天体风化层环境的不确定性,执行浅层钻取采样任务时易受到潜在障碍物的干扰,而对于采样时感知环境并进行机构姿态调整的研究相对较少。为提高采样成功率、改善作业时末端机构受力情况,提出了一种应用于地外风化层采样任务的机械臂自主避障控制方法。设计了能够辅助旋转避障与平移探进的三自由度机械臂,并进行了运动学分析。通过搭载三维力传感器获取采样器受力信息,结合导纳控制与旋转避让进行障碍规避。为验证方法可行性,进行了多组仿真实验和实物实验。实验结果表明,所提出的方法能够有效帮助采样器避让障碍物体,显著减小了作业阻力,X、Y、Z三方向最大受力的改善分别达到46.7%、57.0%、64.9%,改善了常规柔顺方法应用于浅层钻取时易受干扰的不足。 展开更多
关键词 风化层采样 地外探索 采样机械臂 自主避障 导纳控制
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月面重力场下表取采样末端执行器与月壤作用仿真分析 被引量:1
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作者 邹猛 许述财 +2 位作者 赵振家 张金换 张荣荣 《清华大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第7期865-870,共6页
为研究月面重力场下表取采样末端执行器与月壤作用关系,使用离散元法对铲挖取采样进行了仿真。结果表明:挖取阻力矩随转速和重力场增大而增大,但随入土角减小而增大;铲取阻力随速度、入土角、重力场增加,其均值和峰值呈增长趋势。入土角... 为研究月面重力场下表取采样末端执行器与月壤作用关系,使用离散元法对铲挖取采样进行了仿真。结果表明:挖取阻力矩随转速和重力场增大而增大,但随入土角减小而增大;铲取阻力随速度、入土角、重力场增加,其均值和峰值呈增长趋势。入土角45°时,月面下的挖取阻力矩峰值比地面降低了73.5%,铲取阻力峰值降低了83.3%。分析表明:g/6重力场使得月壤更松软,铲挖斗内的重量减轻,这都将使阻力和阻力矩减小。研究结果可为表取采样末端执行器设计提供参考。 展开更多
关键词 月壤 采样 阻力 重力场 离散元
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基于触月压痕的表层月壤力学状态试验分析 被引量:1
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作者 薛龙 姚猛 +4 位作者 李立犇 李因武 邓湘金 李建桥 邹猛 《吉林大学学报(工学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第3期497-503,共7页
以触月传感器触月压痕为研究对象,通过压痕的几何特征参数和触月压力,结合最小二乘法建立了采样区域表层月壤的承压模型,确定了表层月壤的软硬程度。应用3种模拟月壤(CE5_1、CE5_2、CE5_3),以相对密实度为依据,把模拟月壤整备为松软、... 以触月传感器触月压痕为研究对象,通过压痕的几何特征参数和触月压力,结合最小二乘法建立了采样区域表层月壤的承压模型,确定了表层月壤的软硬程度。应用3种模拟月壤(CE5_1、CE5_2、CE5_3),以相对密实度为依据,把模拟月壤整备为松软、中密和高密3种状态。共采集试验数据264组,每种模拟月壤的试验数据按照3∶2的比例随机划分为建模组和预测组。预测组中预测正应力与实际正应力的相关系数分别为0.985、0.965和0.971。结果表明,该模型可以对表层月壤的承压能力进行评估,用于判别表层月壤的软硬程度,为表取采样深度的确定提供参考。 展开更多
关键词 地面力学 表取采样 月壤 承压特性
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深槽螺旋钻月壤采样流动特性分析
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作者 季节 孙京 +2 位作者 肖涛 张伟伟 杨旭 《流体测量与控制》 2023年第2期35-42,55,共9页
面向未来围绕水冰的月球极区月壤采样与原位分析任务需求,使用深槽螺旋钻具实现月壤采样是一种较有优势的方法。但目前关于深槽螺旋钻具对于月壤的采样特性尚未见充分的研究报道,且由于有别于传统浅槽螺旋钻的结构特点,已有理论成果的... 面向未来围绕水冰的月球极区月壤采样与原位分析任务需求,使用深槽螺旋钻具实现月壤采样是一种较有优势的方法。但目前关于深槽螺旋钻具对于月壤的采样特性尚未见充分的研究报道,且由于有别于传统浅槽螺旋钻的结构特点,已有理论成果的适用性不佳。本文建立了一种用于描述深槽螺旋钻具对月壤输送特性的动力学模型,能够建立采样效果与钻具结构、钻进规程参数的响应关系。使用CUG-1A模拟月壤,钻进规程参数对螺旋槽内捕获月壤样品密度的影响进行了实验测试,测试结果验证了模型的正确性。研究结果表明:进给速度对于采样密度的影响较小,而钻具转速的影响较大;转速与进给速度的不同组合使深槽螺旋钻的输送模式存在摩擦输送、挤压输送和堵钻3种模式,为获得较好的采样效果,应该将规程参数控制在挤压输送模式的区间内。 展开更多
关键词 月球钻探 月壤采样 深槽螺旋钻 螺旋输送模型
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面向月壤采集的多杆深层采样器 被引量:26
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作者 丁希仑 李可佳 尹忠旺 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第3期1189-1194,共6页
采样器是进行月球探测所需要的重要工具之一,它对能否顺利实现月壤采样起到关键作用。目前已有的采样器不能同时满足深层、原样、反复的采样要求。针对月球低重力环境下的月壤采集工作所面对的技术问题,提出一种新型月壤采样器——多杆... 采样器是进行月球探测所需要的重要工具之一,它对能否顺利实现月壤采样起到关键作用。目前已有的采样器不能同时满足深层、原样、反复的采样要求。针对月球低重力环境下的月壤采集工作所面对的技术问题,提出一种新型月壤采样器——多杆深层采样器。该采样器装有4根空心钻杆,当一根钻杆钻入地下之后,下一根钻杆通过换杆机构和下钻机构的合作可以实现与地下钻杆的连接,4根钻杆连接后最大可以实现1.5米深的钻探取样。该采样器结构新颖、功能强大,能够同时满足以上三点要求。模拟仿真结果和样机试验证明了该钻探系统的可行性。 展开更多
关键词 采样器 月壤采集 深层采样
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面向浅层月壤的小型取样器研究 被引量:9
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作者 卢伟 宋爱国 凌云 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第9期2065-2073,共9页
面向浅层月壤取样,设计一种重量轻、功耗低、收缩体积小的卷簧式可伸缩月壤取样器,分别给出取样臂的静力学和动力学模型,并进行有限元分析,研究取样臂几何参数对其最大推力的影响,给出最大推力的数学估计公式,研究取样臂为不同长度时取... 面向浅层月壤取样,设计一种重量轻、功耗低、收缩体积小的卷簧式可伸缩月壤取样器,分别给出取样臂的静力学和动力学模型,并进行有限元分析,研究取样臂几何参数对其最大推力的影响,给出最大推力的数学估计公式,研究取样臂为不同长度时取样器的振动模态,得出取样器谐振频率与取样臂长度呈幂函数关系。实验证明取样器能够在模拟月壤、水泥及黄沙样品表面以下10cm内定量取样,取样器在有、无振动时取样的比较实验表明振动法能够有效提高钻进效率、钻进深度和样品抛丢效率。理论分析、仿真及实验验证了取样器设计的合理性及振动法取样的有效性。 展开更多
关键词 月球探测 月壤取样 取样器 振动
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卷簧式浅层月壤取样器设计及动力学分析 被引量:4
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作者 卢伟 宋爱国 凌云 《航天器工程》 2011年第4期86-92,共7页
面向浅层月壤取样,文章设计了新颖的卷簧式可伸缩小型月壤取样器,它包括柔性取样臂和振动式取样头。对取样器进行了动力学有限元分析,研究了取样臂为不同长度时取样头的振动模态及频率响应,得出取样臂一阶横振频率与取样臂长度呈负幂函... 面向浅层月壤取样,文章设计了新颖的卷簧式可伸缩小型月壤取样器,它包括柔性取样臂和振动式取样头。对取样器进行了动力学有限元分析,研究了取样臂为不同长度时取样头的振动模态及频率响应,得出取样臂一阶横振频率与取样臂长度呈负幂函数关系;对取样器测控系统进行了振动试验,通过扫频方式测量取样臂为不同长度时的自振频率,给出了取样臂长度与自振频率的经验公式;试验研究了取样头钻取水泥样品时其深度与自振频率的关系,比较试验表明,振动法能够提高钻进速度约55%,提高钻进深度约48%。试验结果与有限元仿真结果吻合较好,验证了月壤取样器设计的合理性及振动法高效取样的有效性。 展开更多
关键词 月球探测 柔性机器人 取样器 月壤取样 振动 试验
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含冰月壤冻土钻取采样方案设计与验证 被引量:1
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作者 季节 杨旭 +3 位作者 张伟伟 肖涛 孙京 姜生元 《航天器工程》 CSCD 北大核心 2023年第1期73-81,共9页
我国探月工程四期拟在月球南极开展着陆探测,目标之一是对月球永久阴影坑内的含冰月壤冻土进行采样和原位分析。根据对月壤采样分析技术特点和永久阴影坑环境条件的分析和总结,认为采样方案需要具有月壤冻土高效钻进、重复使用多点采样... 我国探月工程四期拟在月球南极开展着陆探测,目标之一是对月球永久阴影坑内的含冰月壤冻土进行采样和原位分析。根据对月壤采样分析技术特点和永久阴影坑环境条件的分析和总结,认为采样方案需要具有月壤冻土高效钻进、重复使用多点采样和获取碎屑形态样品的能力,由此提出使用深槽螺旋钻以回转冲击钻进模式进行月壤冻土采样的方案。从提高钻进能力、保证采样能力2个方面对深槽螺旋钻结构和作业规程的关键参数进行识别、分析与设计。使用CUG-1A模拟月壤,对钻具的钻进能力和采样能力进行解耦性试验验证,在4.0%含水率高密实度模拟月壤冻土中,钻具可以在140 N钻压力条件下达到45.8 mm/min的平均钻进速度,获取7 g以上月壤样品。文章的研究结果验证了使用深槽螺旋钻进行月壤冻土钻取采样的可行性,可为我国未来开展月球极区含冰月壤采样探测提供可选方案。 展开更多
关键词 含冰月壤冻土 月壤采样 深槽螺旋钻 采样试验
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浅表层月壤铲挖采样的振动减阻技术仿真研究 被引量:2
12
作者 梁磊 魏承 赵阳 《航天器环境工程》 2013年第3期256-262,共7页
文章对振动铲挖技术在浅表层月壤采样过程中的适用性进行了研究。根据月壤宏观、细观参数,采用离散元法建立了月壤模型,对月球表面低重力低气压环境下的月壤应力-应变特性进行仿真,并结合采用Balovnev机-土交互模型描述的月壤铲挖阻力公... 文章对振动铲挖技术在浅表层月壤采样过程中的适用性进行了研究。根据月壤宏观、细观参数,采用离散元法建立了月壤模型,对月球表面低重力低气压环境下的月壤应力-应变特性进行仿真,并结合采用Balovnev机-土交互模型描述的月壤铲挖阻力公式,对月壤的振动减阻机理进行了分析。在此基础上,通过向采样器施加不同振幅和频率的振动,开展了浅表层月壤铲挖仿真,给出了铲挖过程中不同振动参数与月壤采样阻力的关系。同时,通过对比不同工况下的月壤孔隙率,验证了月壤的振动铲挖减阻机理及适用性。 展开更多
关键词 月壤采样 铲斗 振动减阻 离散元方法 仿真研究
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月壤微定量采样器设计与试验验证 被引量:1
13
作者 张志恒 唐钧跃 +8 位作者 张伟伟 孙凤 李鹏 王储 刘子恒 贺怀宇 刘冉冉 马如奇 姜生元 《深空探测学报(中英文)》 CSCD 北大核心 2022年第2期165-172,共8页
根据月球极区的环境和工况,分析了科学探测仪器对月壤样本的实际需求,提出一种将采样与挥发分提取相耦合的挥发分制备方法。通过设计一种采样片,完成月壤的微定量采样,多个采样片串联装于采样管内组成采样器。采样后将采样片置于提取装... 根据月球极区的环境和工况,分析了科学探测仪器对月壤样本的实际需求,提出一种将采样与挥发分提取相耦合的挥发分制备方法。通过设计一种采样片,完成月壤的微定量采样,多个采样片串联装于采样管内组成采样器。采样后将采样片置于提取装置中加热,以感应加热的方式间接加热内部的月壤,完成挥发分制备。针对地外天体采样功能需求,对采样器和采样片工作原理和关键结构参数进行了设计,开展了拟实环境下的月壤微量采样性能验证试验,结果表明月壤含水率越低,采样量越接近目标值;初步加热试验表明该方案能够在指定功率下将采样片加热至目标温度。可用于未来的深空探测挥发分原位分析。 展开更多
关键词 月壤 原位分析 微定量采样 采样器 挥发分提取
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一种抓取月壤末端执行器的创新设计与评价 被引量:1
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作者 李季 王炜 +1 位作者 黎佳骏 陶建国 《机械设计》 CSCD 北大核心 2014年第8期24-28,共5页
针对月壤表层采样并进行初级封装的任务目标,对表层采样机械臂末端执行器的总体设计方案进行了研究,提出了一种抓取式采样、集成初级封装功能、单电机驱动的末端执行器构型。建立了基于再生运动链法的符号表达模式,对采样机构进行了创... 针对月壤表层采样并进行初级封装的任务目标,对表层采样机械臂末端执行器的总体设计方案进行了研究,提出了一种抓取式采样、集成初级封装功能、单电机驱动的末端执行器构型。建立了基于再生运动链法的符号表达模式,对采样机构进行了创新设计,针对创新设计得到的多种可行机构方案,运用模糊评价方法进行优选,并对优选出的采样机构方案设计了相适应的一体化固型封装机构,最后,对所确定的末端执行器机构进行了尺度综合和力学特性分析。 展开更多
关键词 月壤表层采样 抓取式采样 末端执行器 创新设计 模糊评价
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卷簧式可伸缩月壤取样臂的设计与分析
15
作者 卢伟 宋爱国 郝飞 《高技术通讯》 CAS CSCD 北大核心 2011年第8期848-854,共7页
针对目前月壤取样器不能同时满足功耗、体积、重量及反复、精确取样的要求的问题,提出了一种新型卷簧式可伸缩月壤取样臂(CSRA)。介绍了该取样臂的力学模型,并对其进行有限元分析,以研究薄壳杆几何参数对其最大推力的影响,且给出... 针对目前月壤取样器不能同时满足功耗、体积、重量及反复、精确取样的要求的问题,提出了一种新型卷簧式可伸缩月壤取样臂(CSRA)。介绍了该取样臂的力学模型,并对其进行有限元分析,以研究薄壳杆几何参数对其最大推力的影响,且给出了最大推力数学估计公式。对比分析表明,用最大推力数学估计公式计算的结果与有限元分析结果吻合得较好。该取样臂为开口圆柱形薄壳结构,仅由一个电机驱动,能够满足对功耗、体积、重量及反复、精确取样的要求,样机试验结果证明了其可行性。 展开更多
关键词 取样臂 月壤取样 开口薄壳 有限元 取样器
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