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

【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。
【作者】石睿杨；
【导师】李建桥；
【作者基本信息】吉林大学，仿生科学与工程，2014，硕士
【关键词】模拟月壤；低重力环境；月球车；筛网轮；轮壤关系；离散元；

【参考文献】
[1]张丽芳.QZ公司基于BSC和KPI的绩效考核体系研究[D].华侨大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[2]雷振.时间知觉的主观信心：自我一致模型的检验[D].西南大学,基础心理学,2014,硕士.
[3]陈富红.中西医结合治疗类风湿关节炎活动期疗效观察[D].云南中医学院,中西医结合临床,2012,硕士.
[4]阮圣斐.曲美他嗪后处理与缺血后处理对大鼠再灌注心肌保护作用的对比研究[D].吉林大学,内科学,2013,硕士.
[5]陈红叶.基于HTML和XML的信息提取方法研究[J].微机发展,2003,S2:54-55.
[6]张梓琴.听障儿童言语韵律特征及干预策略研究[D].华东师范大学,言语与听觉科学,2013,硕士.
[7]戴和义.基于TOM体系的电信客户服务系统[J].江苏通信技术,2003,03:37-40.
[8]苏馨.结直肠癌中K-ras基因突变及VEGF表达的临床意义[D].山西医科大学,病理学与病理生理学,2013,硕士.
[9]姚兰.A Study of Automobile Advertisement Translation from the Perspective of Skopostheorie[D].西安外国语大学,翻译,2014,硕士.
[10]吴杰,易建华,李强,巴立,张茂.老年外伤病人的心电图观察[J].浙江创伤外科,2014,02:333-334.
[11]刘鋆.论人民法院经费保障模式的定位及其制度构建[D].湖南师范大学,宪法学与行政法学,2014,硕士.
[12]高雪.从生存美学角度探讨阿米尔的成长[D].河北师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[13]孙溟谦.大跨预应力混凝土连续箱梁桥整体施工技术研究[D].哈尔滨工业大学,桥梁与隧道工程,2013,硕士.
[14]雷晨明.转台低速性能分析与改进[D].哈尔滨工业大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[15]金振华.加速发展组合机床为汽车工业大发展作贡献[J].组合机床与自动化加工技术.1989(01)
[16]张瀚文.目的论视角下的政府工作报告翻译研究[D].大连海事大学,英语语言文学,2014,硕士.
[17]王顾希.基于鸡粪制造的有机无机复混肥对土壤易变有机碳组分的影响[D].四川农业大学,土壤学,2012,硕士.
[18]王治敏,陆向红,杨运财,邱欢欢,计建炳.离子交换树脂法纯化甘油[J].可再生能源,2012,07:83-87+92.
[19]王宝勋.面向网络社区问答对的语义挖掘研究[D].哈尔滨工业大学,2013.
[20]何思齐.侵权损害多元救助体系研究[D].南京师范大学,法律,2012,硕士.
[21]李春梅.基于Internet/Intranet和Multi-Agent的企业经营战略群体决策支持系统研究[D].昆明理工大学,2001.
[22]杨业长,孟森森,徐榆,陈钢.基于手机应用的课后学习平台[J].科技创新导报,2015,07:57.
[23]浑凌云.冀西北间山盆地和太行山冀西山地晚更新世古气候和古环境演变[D].河北师范大学,自然地理学,2012,硕士.
[24]赵刚.基于配置比特流的FPGA容错技术的研究[D].北京化工大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[25]宋兆宁.波导缝隙阵列天线的设计研究[D].西安电子科技大学,电磁场与微波技术,2012,硕士.
[26]刘淼.高校学习型党组织建设的路径研究[D].渤海大学,科学社会主义与国际共产主义运动,2013,硕士.
[27]刘梅芳.我国农田水利供给的利益关系与激励机制构建研究[D].云南财经大学,国民经济学,2013,硕士.
[28]李晓姝.Beclinl基因siRNA沉默对胰腺癌细胞增殖及凋亡的影响[D].大连医科大学,内科学,2012,硕士.
[29]张雷彭宏伟卞本阳鲍宏.复杂产品并行拆解建模及规划方法研究[J].中国机械工程,2014,08:.
[30]申兴丛.聚硅氧烷/钛溶胶光催化复合膜的制备及表征[D].浙江理工大学,纺织化学与染整工程,2013,硕士.
[31]孙勇.基于关键字树和滑动窗口的大规模生物遗传序列的算法研究[D].西南大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[32]邝健麟.高速回旋式吹瓶机关键技术的研究[D].华南理工大学,机械设计及理论,2014,硕士.
[33]何亚平,刘建全.植物繁育系统研究的最新进展和评述[J].植物生态学报,2003,02:151-163.
[34]姚天富.考虑车轮约束的门式起重机刚度建模研究[D].中南大学,机械设计及理论,2004,硕士.
[35]娄丙谦.离子液体系中卤化亚铜晶体的生长与性能研究[D].宁波大学,物理化学,2014,硕士.
[36]王传开.我国新时期农民法制教育存在的问题与对策研究[D].信阳师范学院,马克思主义基本原理,2014,硕士.
[37]白春晓.Bryan人工颈椎间盘置换术后异位骨化的临床研究[D].北京中医药大学,中西医结合临床,2013,硕士.
[38]邹方哲.当代发达国家工人阶级的变化及其对工人运动的影响[D].济南大学,马克思主义基本原理,2012,硕士.
[39]杜可斌.新型内部人控制的产生与治理[D].郑州大学,企业管理,2013,硕士.
[40]沈小军,孟令轩,付绍云.石墨烯-多壁碳纳米管协同增强环氧树脂复合材料的低温力学性能[J].复合材料学报,2015,01:21-26.
[41]黄浩.纳米金刚石和石墨烯的表面修饰及其电泳行为研究[D].燕山大学,2012.
[42]李小丰.琅琊山水电站地下厂房通风模型装置设计与试验研究[D].重庆大学,供热、供燃气、通风及空调工程,2003,硕士.
[43]谢芸.词块教学法在初三口语教学中的应用[D].华中师范大学,学科教学,2013,硕士.
[44]赵航.探月交会对接及组合体姿态控制仿真模型研究[D].哈尔滨工业大学,航天工程,2014,硕士.
[45]白浩亮.受通信约束的网络控制系统的量化控制研究[D].上海大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[46]彭灿南.基于后现代文化视角的旅游产品开发研究[D].华中师范大学,人文地理学,2013,硕士.
[47]凌南.MicroRNA-155通过调节FOXO3a影响胶质瘤细胞的增殖和侵袭能力[D].苏州大学,神经外科,2013,硕士.
[48]李含.维生素B_1介导的Akt/mTOR/STAT3信号通路在谷氨酸诱导的PC12细胞损伤中的作用[D].兰州大学,外科学,2013,硕士.
[49]刘青青.近代翻译文学中的女译者研究[D].济南大学,中国古代文学,2012,硕士.
[50]谢光远.骨髓基质细胞用于牙周组织工程的动物实验研究[D].第四军医大学,口腔临床医学,2004,硕士.