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作者：徐传喜哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

原位探测技术是十九世纪末期兴起的对地外星体研究的新思路,因其成本较低,探测数据丰富,可行性高等优势而倍受青睐。原位探测技术中的关键技术是能将科学探测仪器送入浅层星壤的原位探测设备,原位探测设备中的冲击挤密贯入式潜入器(以... 详细信息

原位探测技术是十九世纪末期兴起的对地外星体研究的新思路,因其成本较低,探测数据丰富,可行性高等优势而倍受青睐。原位探测技术中的关键技术是能将科学探测仪器送入浅层星壤的原位探测设备,原位探测设备中的冲击挤密贯入式潜入器(以下简称“贯入器”)因其结构简单,尺寸小,质量轻,探测数据丰富等优点成为地外天体原位探测设备中的研究热点。目前国内外对贯入器的研究还处于起步阶段,贯入器的潜入能力有限,至今尚无成功应用先例。为提高贯入器的潜入能力,本文通过分析贯入器的动态特性,提出贯入器原理样机设计的新思路。本文通过对贯入器的工作原理进行深入分析,提出改善其潜入性能的方法。同时针对影响贯入器潜入效能的因素,对贯入器的潜入效能进行综合评估。最后基于上述分析结果,指出贯入器关键构件的质量匹配关系及储能弹簧与缓冲弹簧的刚度匹配关系(简称“质量-刚度匹配”)是影响其潜入效能的主要因素。因贯入器的作用对象是离散体,作用过程十分复杂,为了简化作用过程,本文基于静压试验对贯入器的负载进行力学等效研究。静压试验装置可以测量离散体作用于贯入器时的等效作用力,测出的等效力值将为未来研究提供负载特性的数据支撑。此外,借助冲击贯入装置可以匹配出贯入器内部所需冲击功大小与负载间的临界关系,为后期理论分析提供冲击功的边界约束参考值。贯入器的质量-刚度匹配关系在很大程度上影响其潜入性能,当质量-刚度匹配不合适时,即使较大的冲击功也无法实现有效下潜。本文通过对贯入器的工作原理进行深入分析,基于贯入器的工作原理建立动力学模型,并用MATLAB进行数值求解和优化分析,最终得到质量-刚度间的合理匹配关系。此外,为了进一步探讨分析结果的合理性,本文借助质量-刚度匹配试验台完成对理论分析结果的实验验证。借助对贯入器质量-刚度的匹配结果,本文提出三种贯入器原理样机结构方案。通过可行性分析与论证,最终确定螺杆驱动擒纵式方案为优选方案。本文以螺杆驱动擒纵式方案为载体,对原理样机设计中关键构件及关键技术进行探讨,以供后人参考。最后对所设计原理样机加工装配调试,验证其方案的可行性,并进行性能测试,为未来地外天体原位探测设备的设计提供参考。

关键词：冲击式贯入器负载特性质量-刚度匹配样机研制

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冲击式月壤剖面贯入器潜入负载特性研究

冲击式月壤剖面贯入器潜入负载特性研究

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作者：刘杰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着深空探测的进展,人类对地外天体的科学考察从星体表面逐渐深入到内部。次表层星壤剖面含有丰富的地质学及星表环境信息,是研究天体起源及演化过程的重要探测目标。冲击式贯入器作为一种轻小型、低功耗的无人自主潜入式探测器,是原... 详细信息

随着深空探测的进展,人类对地外天体的科学考察从星体表面逐渐深入到内部。次表层星壤剖面含有丰富的地质学及星表环境信息,是研究天体起源及演化过程的重要探测目标。冲击式贯入器作为一种轻小型、低功耗的无人自主潜入式探测器,是原位探测次表层月壤剖面的有效手段之一。本文以提高冲击式贯入器潜入能力为目标,重点对冲击式贯入器潜入负载特性开展研究。结合月壤的物理力学性质,分析了月壤剖面冲击挤密潜入原理。根据冲击式贯入器机构组成,将其简化为“质量—弹簧”系统。通过分析贯入器一个工作周期的运动过程与能量传递规律,总结了影响贯入器潜入能力的主要因素。利用摩尔—库仑强度理论与极限平衡条件,建立了潜头挤密潜入原态月壤的负载模型,计算得到锥形、外凸、内凹弧形三种潜头构型对潜入负载特性的影响规律,为潜头构型优化提供理论基础。利用朗肯被动土压力理论,建立了贯入器侧壁摩擦负载模型,指导贯入器壳体结构优化设计。研制了贯入器恒速潜入负载特性试验系统。开展了锥形、外凸、内凹弧形三种构型潜头潜入负载特性试验,试验结果验证了潜头负载模型的正确性;开展了贯入器壳体潜入负载特性试验,分析了壳体构型参数对潜入负载特性的影响。综合负载模型与试验结果,优选出贯入器构型与构型参数。为提高贯入器潜入能力,对贯入器“质量—弹簧”系统参数进行了匹配。利用多体动力学软件对参数匹配结果进行仿真验证,并研究了月面低重力环境对贯入器潜入性能的影响。利用贯入器构型优化结果,遵循轻量化、小型化的设计原则,研制了冲击式贯入器原理样机。利用高速摄像系统开展了贯入器潜入过程动态特性试验研究。搭建了贯入器潜入能力测试系统,验证了贯入器潜入能力。

关键词：月壤剖面原位探测冲击式贯入器负载模型

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月面冲击式贯入器结构设计与实验分析

月面冲击式贯入器结构设计与实验分析

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作者：徐成辽宁科技大学

学位级别：硕士

随着我国月面探测领域的不断发展,探测任务已从在轨遥感观测转为原位探测。2020年12月,我国嫦娥5号月面探测器成功完成了原位月壤的钻取采样工作,并带回了1731 g原位月壤,为研究月球的起源与发展以及建立月球基地奠定了重要基础。嫦娥5... 详细信息

随着我国月面探测领域的不断发展,探测任务已从在轨遥感观测转为原位探测。2020年12月,我国嫦娥5号月面探测器成功完成了原位月壤的钻取采样工作,并带回了1731 g原位月壤,为研究月球的起源与发展以及建立月球基地奠定了重要基础。嫦娥5号中使用的钻探方案为多杆组接的旋转钻进式,该方案具有较多的成功先例,如美国的Apollo和前苏联的Lunar任务。但体积大、质量大和功耗大都是该方案无法避免的问题,一方面增加了探测器的发射难度,另一方面也无法布置其他设备,限制了探测器的功能性。且钻具升温快、对原位月壤的扰动大也是该方案亟待解决的难题。本文研究的冲击式贯入器是一种体积小、质量轻、功耗低、能实现自行下潜的月球钻探装置。它通过自身内部的周期性冲击压实其周围月壤,从而下潜至目标深度。贯入器内部可携带热流探测装置,到达预定的下潜深度后即可完成对原位月壤的热流测量。此外,由于贯入器潜入的对象是月壤,月壤的一些物理力学参数直接影响着贯入器的潜入。因此,研制一款适用于月面且高效稳定的冲击式贯入器具有较高的应用价值。本文首先研究了月壤物理力学参数对贯入器潜入性能的影响。介绍了贯入器的系统组成及工作原理,使用分段求和法建立了贯入器与月壤之间的摩擦力计算模型,分析在潜入初期,贯入器与月壤之间的摩擦力随下潜深度的变化,提出了由内优化贯入器质量刚度参数,由外增加辅助钻探装置的方案。然后,完成了贯入器的动力学建模与参数优化分析。贯入器各部件的质量和刚度参数决定了其潜入能力与反冲力的大小,为了得到最优参数,需建立相应的动力学模型。使用遍历寻优的方法研究了各质量刚度参数对潜入能力与反冲力的影响规律,得到了符合要求的最优参数组。借助动力学软件仿真了贯入器的单周期作动过程,且对优化前后的质量刚度参数所对应贯入器单周期下潜深度进行了仿真对比,验证了参数优化的效果。再后,完成了贯入器与辅助装置的设计。根据设计要求与得到的最优贯入器参数,详细设计了冲击锤、抑制器和壳体,并根据使用工况完成了驱动电机的选型。结合前述的辅助装置功能性要求,对该装置进行了详细设计。最后搭建了多组地面潜入试验平台以验证带有辅助装置的新贯入器样机与初代贯入器样机相比在潜入能力与稳定性方面的提升。试验结果表明,新贯入器样机在下潜效率上相对初代样机有43%的提升,且在下潜初期能更好的抑制反冲力,具体表现在潜入速率更稳定。本文为解决贯入器高效下潜与低反冲力的矛盾给出了一种新方法,为月面原位探测提供了新思路。

关键词：月面钻探冲击式贯入器动力学建模参数寻优潜入试验

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月壤剖面冲击贯入式探测方案研究

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深空探测学报 2015年第3期2卷 213-217页

作者：沈毅王冬姜生元刘杰张伟伟陈化智邓宗全哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001 北京卫星制造厂北京100190

以月壤剖面的原位探测为目标,提出一种利用土体结构侵彻原理的冲击式贯入器设计方案。重点阐述了冲击式贯入器的工作原理和机构实现方案,并开展多方案设计与分析。研制了原理样机并开展实验验证,证明利用冲击式贯入方法实现月壤剖面自... 详细信息

以月壤剖面的原位探测为目标,提出一种利用土体结构侵彻原理的冲击式贯入器设计方案。重点阐述了冲击式贯入器的工作原理和机构实现方案,并开展多方案设计与分析。研制了原理样机并开展实验验证,证明利用冲击式贯入方法实现月壤剖面自动潜入的可行性,并对我国未来开展月壤剖面原位探测提出了相关建议。

关键词：月壤剖面侵彻原位探测冲击式贯入器

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