【摘要】：中國(guó)第一輛月面巡視探測(cè)器“玉兔號(hào)”月球車(chē)于北京時(shí)間2013年12月15日4時(shí)35分成功軟著陸于離地球38萬(wàn)公里的月球虹灣地區(qū)，標(biāo)志著中國(guó)科技的綜合水平已經(jīng)正式跨入強(qiáng)國(guó)的行列。據(jù)中國(guó)國(guó)防科工局介紹，嫦娥三號(hào)任務(wù)作為探月工程二期的主任務(wù)將完成月球軟著陸、月面巡視勘測(cè)及深空測(cè)控通信與遙操作三大工程目標(biāo)，其中月面巡視勘測(cè)工作將依賴于“玉兔號(hào)”月球車(chē)在松散、復(fù)雜未知路面的通過(guò)性能。由于月表環(huán)境與地球表面有較大的差別，月壤呈松散、細(xì)顆粒、非固結(jié)狀態(tài)，月面重力環(huán)境僅為地面的1/6，因此，關(guān)于低重力場(chǎng)對(duì)月壤物理力學(xué)性質(zhì)及月球車(chē)通過(guò)性能影響的研究至關(guān)重要。 本文以國(guó)家“嫦娥計(jì)劃”月球探測(cè)工程中的科學(xué)問(wèn)題為背景，參照真實(shí)月壤力學(xué)特性的參數(shù)值范圍，采用火山渣為原料制備了適用于月面車(chē)輪力學(xué)試驗(yàn)的JLU系列模擬月壤，并對(duì)其基礎(chǔ)物理力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行了定性和定量的分析。研究結(jié)果表明JLU系列模擬月壤特征容重變化范圍為1.20~1.40g/cm3，比重為2.73g/cm3，孔隙率變化范圍為50.00~57.00%，孔隙比變化范圍為1.00~1.30，含水率變化范圍為0.20~0.40%。JLU-1的中值粒徑為205.9μm，其粒徑分布接近于月壤值的粒徑下限；JLU-2的中值粒徑為40.80μm，其粒徑分布接近于月壤值的粒徑上限。JLU-1和JLU-2模擬月壤具有相同的吸濕行為，JLU-1的最大吸濕率為0.54%，JLU-2的最大吸濕率為0.78%，均小于1%，即該兩種模擬月壤中，水分含量很少，即使長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣當(dāng)中，其所吸收的水分也很有限，空氣中的水分對(duì)JLU系列模擬月壤的散粒體特性影響很小，模擬月壤制得后可以直接保存在自然環(huán)境當(dāng)中并用于地面基礎(chǔ)試驗(yàn)。 研究基于分力法原理設(shè)計(jì)搭建了傾斜式低重力環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置，在軸向分力上實(shí)現(xiàn)模擬月壤顆粒間作用力的低重力環(huán)境模擬并基于Janssen模型建立了用以描述模擬月壤內(nèi)部壓力分布的數(shù)學(xué)模型，，其中軸向力變化只隨著z方向深度的增加而增大；側(cè)向力分別隨著y、z方向深度及試驗(yàn)臺(tái)傾斜角度的增加而增大。同時(shí)分別建立了傾斜狀態(tài)下，承壓特性、抗剪切特性、貫入阻力特性和抗沖擊特性試驗(yàn)中，模擬月壤側(cè)向附加力的剔除方法，其中抗沖擊特性試驗(yàn)中側(cè)向附加力忽略不計(jì)；抗剪切特性試驗(yàn)中側(cè)向附加力pa是剪切面所在深度z=z0的面積分；承壓和貫入阻力特性試驗(yàn)中剔除側(cè)向附件力后軸向力paj是試樣截面S、壓入深度以及側(cè)向力在測(cè)試域上的分布函數(shù)的體積分。 基于傾斜試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)JLU系列模擬月壤在不同重力場(chǎng)下的承壓特性、抗剪切特性、貫入阻力特性以及抗沖擊特性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果表明，低重力場(chǎng)使得模擬月壤變形指數(shù)n值、摩擦模量kφ值、內(nèi)聚力c值減小，粘聚模量kc值和內(nèi)摩擦角φ值變化不明顯。在等效載荷作用下，低重力場(chǎng)使得模擬月壤承壓特性、貫入阻力特性和抗沖擊性能增強(qiáng)，抗剪切特性變化不明顯。相比于JLU-1模擬月壤，JLU-2的力學(xué)性能較弱且受密實(shí)狀態(tài)影響變化敏感，細(xì)小粒徑和松散狀態(tài)不利于巡視探測(cè)器的通過(guò)性。同時(shí)，利用二維離散元法對(duì)上述土槽試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，建立了月壤二維和三維離散元模型，仿真分析得出的關(guān)于重力場(chǎng)對(duì)月壤力學(xué)性質(zhì)影響的趨勢(shì)性結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)果相一致。 使用篩網(wǎng)輪進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)沉陷試驗(yàn)，修正了月球車(chē)靜態(tài)沉陷計(jì)算模型，并通過(guò)非接觸測(cè)量手段獲取輪轍信息，試驗(yàn)結(jié)果表明，掃描沉陷量小于車(chē)輪實(shí)際沉陷量且二者呈線性關(guān)系變化，差值的變化與沉陷深度、法向載荷以及模擬月壤力學(xué)狀態(tài)有關(guān)，差值可達(dá)10mm以上，平均偏差率為23.94%，該研究為反推實(shí)時(shí)月壤力學(xué)狀態(tài)，指導(dǎo)月球車(chē)在軌巡視作業(yè)提供依據(jù)。 利用輕型月球車(chē)—土槽測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定了篩網(wǎng)輪在1g重力場(chǎng)、不同垂直載荷下的牽引性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，車(chē)輪沉陷量隨著車(chē)輪垂直載荷的增加而增加，松散模擬月壤上，當(dāng)車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率為70%時(shí)，70N載荷下的車(chē)輪沉陷量是30N載荷下的1.39倍，滑轉(zhuǎn)率對(duì)車(chē)轍形貌影響較大。運(yùn)用PFC離散元仿真軟件對(duì)不同重力場(chǎng)下的輪—壤作用關(guān)系進(jìn)行仿真分析，二維仿真結(jié)果表明，當(dāng)不同重力場(chǎng)下輪上載荷相同時(shí)，隨著重力場(chǎng)的增加，車(chē)輪的掛鉤牽引力增大，沉陷減小，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率為20%時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪在1g重力場(chǎng)下的牽引性能為1/6g重力場(chǎng)下的1.3倍，沉陷為1/6g下沉陷的62.5%，月球車(chē)在地面的通過(guò)性能優(yōu)于月面的通過(guò)性能；當(dāng)輪上質(zhì)量相同時(shí)，隨著重力場(chǎng)的增加，車(chē)輪的掛鉤牽引力增加，沉陷量變化不明顯，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率為5%時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪在1g重力場(chǎng)下的牽引力為1/6g重力場(chǎng)下的4.03倍，扭矩為1/6g重力場(chǎng)下的4.2倍，車(chē)輪沉陷是1/6g重力場(chǎng)下的1.75倍，月球車(chē)在月面的通過(guò)性能優(yōu)于在地面的通過(guò)性能。三維仿真結(jié)果表明，當(dāng)不同重力場(chǎng)下輪上載荷相同時(shí)，重力場(chǎng)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪扭矩的影響并不明顯，1/6g重力場(chǎng)下車(chē)輪的沉陷是1g重力場(chǎng)下沉陷的1.55倍，掛鉤牽引力約為1g重力場(chǎng)下的78%，均未能達(dá)到6倍量級(jí)，因此，當(dāng)輪—壤系統(tǒng)整體處于低重力場(chǎng)下時(shí)，車(chē)輪的通過(guò)性能優(yōu)于地面重力場(chǎng)下的通過(guò)性能。本文的研究成果可為我國(guó)探測(cè)器深空作業(yè)提供基礎(chǔ)技術(shù)保障。
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【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：P184.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2356487