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月壤水冰组构模拟及力学特性测试分析

深空探测学报（中英文） 2022年第2期9卷 134-140页

作者：刘君巍汪恩良田野刘兴超唐亮崔江磊陶立军葛坦龙卢孜筱张伟伟唐钧跃姜生元哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001 东北农业大学水利与土木工程学院哈尔滨150001 哈尔滨商业大学轻工学院哈尔滨150001 哈尔滨工业大学土木工程学院哈尔滨150001 国家纳米科学中心北京100190

针对月球遥感探测无法获知月壤水冰物理力学特性的定量信息,分析了月壤水冰采样探测与原位利用的技术难点,提出一种基于“相似性、等效性、均一性与覆盖性”的月壤水冰组构模拟方法,并在月面极区拟实温度环境下开展抗剪强度与泊松比测试... 详细信息

针对月球遥感探测无法获知月壤水冰物理力学特性的定量信息,分析了月壤水冰采样探测与原位利用的技术难点,提出一种基于“相似性、等效性、均一性与覆盖性”的月壤水冰组构模拟方法,并在月面极区拟实温度环境下开展抗剪强度与泊松比测试,获得温度与含水率对月壤水冰力学特性的影响规律,得到了在特定条件下月壤水冰抗剪强度与泊松比的包络范围,可为月壤水冰原位探测与利用相关载荷的研发提供设计依据。

关键词：月壤水冰组构模拟模拟准则抗剪强度泊松比

月壤水冰组构特征模拟及其力学特性研究展望与构想

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机械工程学报 2024年第22期60卷 351-363页

作者：姜生元刘君巍李雄耀汪恩良邹猛田野王储张伟伟哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001 中国科学院地球化学研究所贵阳550081 东北农业大学水利与土木工程学院哈尔滨150006 吉林大学工程仿生实验室长春130015 哈尔滨商业大学轻工学院哈尔滨150006 中国空间技术研究院北京100094

随着深空探测技术的发展,月壤水冰逐渐成为了地外天体探测的热点和焦点。目前,世界各国纷纷启动月壤水冰物质剖面潜入原位探测,使得月壤水冰组构特征模拟及其力学特性研究成为了迫切需求。然而,月壤水冰物质与地面冻土存在明显的地-月... 详细信息

随着深空探测技术的发展,月壤水冰逐渐成为了地外天体探测的热点和焦点。目前,世界各国纷纷启动月壤水冰物质剖面潜入原位探测,使得月壤水冰组构特征模拟及其力学特性研究成为了迫切需求。然而,月壤水冰物质与地面冻土存在明显的地-月差异性,尤其是其来源、演化机制、赋存形态和分布等特征。总结月壤水冰的探测历程,概述国内外在月壤水冰组构特征模拟及其力学特性测试的研究进展,着重分析月壤水冰物质的目标特性,展望月壤水冰组构模拟及其力学特性研究的未来发展趋势。提出未来研究过程中需要重点解决的四大关键技术,并给出相应的研究构想。最后,对月壤水冰组构特征模拟及其力学特性测试在当前研究中存在的问题进行总结,并对其发展应用前景进行展望。

关键词：月壤水冰演化机制组构特征模拟力学特性测试

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月壤水冰挥发扩散特性及热扰动模型研究

月壤水冰挥发扩散特性及热扰动模型研究

作者：张光涵哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

月球作为距离人类最近的地外天体对人类探索宇宙具有重要的科学价值,是人类开展太空探索的重要目标之一。遥感探测结果显示,有大量间接证据表明在月球极地存在着以水冰形式赋存的水物质,因此针对月球极地表层的水冰的探测任务逐渐成为... 详细信息

月球作为距离人类最近的地外天体对人类探索宇宙具有重要的科学价值,是人类开展太空探索的重要目标之一。遥感探测结果显示,有大量间接证据表明在月球极地存在着以水冰形式赋存的水物质,因此针对月球极地表层的水冰的探测任务逐渐成为近年各国探月工程的重要课题。现有研究结果表明,月球水冰主要赋存区域为月球极地的永久阴影区,该区域常年处于极端低温真空环境,在该环境下,水冰物质仅存在气固两相,极易在接触探测过程受探测机具生热扰动发生升华相变,从而导致样本含水量挥发损失及探测数据失真。本文针对这一探测问题,以实验探究作为主要研究手段,对月壤水冰真空低温条件下的挥发特性开展研究。本文以真空环境下的冰壤混合物为研究对象,设计搭建定量挥发分析实验平台,并在真空环境下进行大量挥发实验,以实验结果作为驱动探究其挥发特性主要影响因素,并建立与环境参量与样本参量两大因素相关联,以孔隙储气作为物理约束的挥发扩散微观模型。在实验结果基础上,基于冰真空相变物理学对挥发扩散微元模型展开分析,运用多孔介质分形理论及达西定律推导得到水冰微观状态下的挥发-扩散计算模型。之后使用数值模拟软件针对该模型编写仿真模拟程序,结合有限元思想组合挥发微元展开仿真计算验证实验结果,同时针对钻探过程中的热扰动进行模拟分析,得到应对不同工况下的扰动状态计算结果,并设计拟实环境实验进行验证。本文通过研究月壤水冰真空下的挥发扩散物理现象,得到了一套以温度-孔隙比作为主要输入参量,可用于针对月壤水冰探测扰动评估的微观模型及计算方法,丰富完善了了针对地外挥发物的空间探测技术,同时对我国未来月球水冰的探测任务规程具有一定工程指导意义。

关键词：月壤水冰冰壤混合物挥发相变气体扩散

月壤水冰热采矿多物理场特性以及最佳加热温度研究

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月壤水冰热采矿多物理场特性以及最佳加热温度研究

作者：王双雨哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

地外天体水资源的原位利用是原位资源利用的重要内容,在太空探索时可以降低对地球资源的依赖,极大降低物质发射成本。水不仅可以分解成氢和氧,作为火箭的能量供应,更是人类生存的重要资源,是在月球建立基地长期生存的基础。水可能在月... 详细信息

地外天体水资源的原位利用是原位资源利用的重要内容,在太空探索时可以降低对地球资源的依赖,极大降低物质发射成本。水不仅可以分解成氢和氧,作为火箭的能量供应,更是人类生存的重要资源,是在月球建立基地长期生存的基础。水可能在月球永久阴影区以水冰的方式大量累积,因此,可以开展开采水冰,实现原位利用。水冰的热采矿方法不需要挖掘和运输月壤水冰混合物,可以进一步节约能源,是一种理想的采矿方法。本文针对水冰热采矿方法的优化进行研究,主要研究内容如下:首先,对月壤水冰混合物的内部运输特性和热导率模型进行了理论分析,通过传热传质的基本理论,建立水冰热采矿的控制方程,同时给出月壤水冰混合物物性场随水冰升华而变化的关系。其次,应用COMSOL多物理场仿真分析软件,对加热导致的月壤水冰混合物的多物理场变化进行了仿真分析。为研究加热温度对水冰开采的影响,对不同加热温度下的水冰粒径场和温度场进行了分析,结果表明存在最佳加热温度;分析了加热短周期和长周期内,多物理场的变化规律,并讨论加热周期影响多物理场变化的机理。第三,对比不同水冰粒径下的水冰开采结果,得到粒径影响水冰开采的机理,提出使用恒温热源代替固定功率热源加热月壤水冰混合物的方法。遗传算法计算,得到水冰粒径以及开采周期对最佳加热温度影响的规律,分析使用最佳加热温度加热时,月壤水冰混合物物理场的变化特征。第四,对模拟月壤水冰混合物进行水冰提取实验。分析月壤水冰模拟物的温升曲线,对仿真中热导率降低的现象进行了验证;分析不同加热功率下,水冰的升华量和能量效率,验证固定功率加热的不足之处,为能量效率与加热温度成反比的结论提供了实验依据。本文提出了一种在水冰热采矿中使用恒温热源进行加热的方法,该方法根据水冰的粒径以及采矿周期选择加热温度,以减缓月壤水冰混合物热导率的降低速度,减缓隔热层的生成。在最佳加热温度下使用恒温热源,与恒功率加热相比,水冰开采的能源效率可以提高几个数量级。该方法可以为未来月球上的水冰热开采提供理论指导。

关键词：月壤水冰热采矿升华多孔介质

月壤水冰模拟样本冻结过程水热耦合分析及试验研究

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月壤水冰模拟样本冻结过程水热耦合分析及试验研究

作者：陶立军哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在对地外天体的探测中,水资源的赋存分布是永恒的主题。而对于月球永久阴影区中“月壤水冰”的探索,自其存在的猜想提出发展至今,将进入新的历史时期即原位采样探测时期。而对于原位探测所搭载的科学载荷的设计、地面验证与定标,需要基... 详细信息

在对地外天体的探测中,水资源的赋存分布是永恒的主题。而对于月球永久阴影区中“月壤水冰”的探索,自其存在的猜想提出发展至今,将进入新的历史时期即原位采样探测时期。而对于原位探测所搭载的科学载荷的设计、地面验证与定标,需要基于地面制备的与月壤水冰高度相似的加速等效模拟物。通过现有研究可知,样本的含水量及其分布的差别将使得其抗压、抗剪强度、介电特性以及微观结构等差异性十分显著,因此样本的内部水分分布均一性与否将直接关系到为载荷设计等提供输入信息的可靠性。本文的研究则是基于深空探测任务中对于月球永久阴影区探测的任务背景,建立了一种适用于月壤水冰模拟样本冷冻过程水分迁移特性研究的水热耦合模型,结合有限元软件分析了不同冻结工况下水分的迁移特征,并对制备工艺进行优化以提高水分分布的均一性。首先对水分迁移的驱动机制进行分析,并构建水分场与温度场模型,通过试验测试与推演对其中的水分运动学参数进行非线性表达,耦合方程则基于核磁共振法测试未冻水含量与温度之间关系进行补充。设计常低温与极低温工况下水分迁移试验系统,对迁移规律进行探究。同时对水热耦合模型中未确定参数基于有限元软件进行正交分析,建立非线性回归关系,以迁移试验结果为验证目标结合遗传算法进行参数反演。通过所建立的水热耦合模型,对不同冻结方式下月壤水冰模拟样本冷冻过程中样本特征进行分析,提出分层预置含水率的优化方案进而改善模拟样本中水分分布的均一程度,为地面测试试验等提供具有较为均一水分分布或目标条件下特定水分分布需求的月壤水冰模拟样本,进而提高载荷设计、定标等过程中输入信息的可靠性。

关键词：月壤水冰水分迁移水热耦合均一性控制

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低温月壤水冰模拟样本静力学特性研究

低温月壤水冰模拟样本静力学特性研究

作者：崔江磊哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

通过遥感数据确认月球极区水冰的存在后,各国相继提出了针对水冰的探测任务。在进行月球永久阴影区水冰探测的过程中,不可避免地要与月壤水冰发生相互作用,而目前对月壤水冰的静力学特性,特别是抗剪特性和抗压特性的认知不够深入,制约... 详细信息

通过遥感数据确认月球极区水冰的存在后,各国相继提出了针对水冰的探测任务。在进行月球永久阴影区水冰探测的过程中,不可避免地要与月壤水冰发生相互作用,而目前对月壤水冰的静力学特性,特别是抗剪特性和抗压特性的认知不够深入,制约了探测任务的开展。本文以模拟月壤为基材,开展试验探究低温环境下月壤水冰模拟样本的抗剪特性和抗压特性,构建了其力学本构模型,使用离散元分析了样本宏观力学响应的微观机理。本文的研究成果将加深对月壤水冰静力学特性的认知,为我国开展月球永久阴影区水冰探测任务和相关探测装备设计提供理论支持和工程参考。本文以模拟月壤为试验材料,设计了月壤水冰模拟样本的制备流程,设计了低温环境下的直剪试验和单轴抗压试验方案,并对方案的可行性进行了验证。开展了低温环境下月壤水冰模拟样本的直剪试验,探究了法向应力、含水率和干密度对抗剪特性的影响,获得了不同工况下月壤水冰模拟样本的内聚力和内摩擦角参数,并且构建了内聚力的预测模型。开展了低温环境下月壤水冰模拟样本的单轴抗压试验,探究了含水率、干密度和加载速率对月壤水冰模拟样本抗压特性的影响。以损伤力学和统计强度理论为基础,引入单轴抗压试验和直剪试验数据,构建了月壤水冰模拟样本的损伤本构模型。分析了不同参数样本的应力应变曲线和损伤发育特征,从损伤的角度揭示了样本的力学特性。构建了月壤水冰模拟样本的直剪试验和单轴抗压试验离散元仿真模型,验证了离散元法模拟样本力学特性的可行性。从微观角度分析了样本加载过程中的裂纹发育、力链网络演变、剪切带的发展和配位数变化,加深了对月壤水冰模拟样本力学特性的认知。

关键词：月壤水冰抗剪特性抗压特性本构模型离散元仿真

面向原位触探的月壤水冰介电特性测量方法研究

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面向原位触探的月壤水冰介电特性测量方法研究

作者：薛晨阳哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着月球水冰探测热的逐渐兴起,如何利用原位方式探测水冰及其赋存状态是未来地外天体探测的热点。在综合分析月壤介电特性、月壤水冰探测现状、原位探测案例和介电特性测量方法的基础上,提出了利用测量月壤水冰混合物介电特性的方式来... 详细信息

随着月球水冰探测热的逐渐兴起,如何利用原位方式探测水冰及其赋存状态是未来地外天体探测的热点。在综合分析月壤介电特性、月壤水冰探测现状、原位探测案例和介电特性测量方法的基础上,提出了利用测量月壤水冰混合物介电特性的方式来表征混合物介质水冰特性的方法。本文重点研究了两部分内容,即月壤水冰混合介质的基础介电特性及其影响规律、面向原位触探测量的介电特性方法研究。这些研究为进一步设计传感器、实现原位测量构想以及反演水冰含量奠定了基础。本文针对模拟月壤水冰混合物开展深低温环境的介电特性影响规律研究。在综合比较多种实验室测量构型以后,本文完成基于平行极板法的带有保护电极的测量夹具设计与加工制造。利用搭建的深低温测量系统,对混合物样本进行介电特性测量,获得“水冰含量—测量频率—温度”三要素样本矩阵,为进一步的传感器提供设计依据和验证参考。适于原位测量的巨大优势,自/互阻抗探针法成为地外天体探测的首选测量方法。在分析了阻抗测量理论的由来与发展以后,本文从原位测量的角度出发对阻抗理论做出进一步解释,联系阻抗—电容—介质介电系数实部间的相互关系,并对其展开研究。基于单元积分法建立的电容解析模型以及基于数值仿真的建立的电容修正模型,为电容感测元件的设计和工程应用奠定理论基础。针对原位测量的实际环境,本文提出三种介电特性测量的电极感应元件构型,利用COMSOL有限元仿真软件对各构型下的评价指标进行详细分析对比,最终将线性锥形构型探针选定为适合原位测量的方案。针对该方案进行详细设计,对传感器的机理、实现方式等进行解释,优化结构参数,并完成了原理样机的研制。搭建进行验证试验的环境,并基于阻抗测量的原理设计测量电路。针对不同水冰含量的模拟月壤水冰样本展开试验验证。试验结果与模拟月壤水冰混合物的介电特性试验结果进行对比,通过试验验证电容解析模型及其修正模型,实现原位测量方式的初步设计。

关键词：月壤水冰介电特性电容原位触探

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月壤表层水冰采样器结构优化及掘进特性研究

月壤表层水冰采样器结构优化及掘进特性研究

作者：霍晓文沈阳工业大学

学位级别：硕士

月壤水冰的采集是月球极区的资源分布探测任务的重要环节,目前的采样方式主要有两种:钻入式与贯入式,其中钻入式采样为主。钻取采样功耗大,且需要在较大反力下才能钻进,月球南北极无法使用太阳能发电的情况下,这种高耗能的采样方法不适... 详细信息

月壤水冰的采集是月球极区的资源分布探测任务的重要环节,目前的采样方式主要有两种:钻入式与贯入式,其中钻入式采样为主。钻取采样功耗大,且需要在较大反力下才能钻进,月球南北极无法使用太阳能发电的情况下,这种高耗能的采样方法不适用。贯入式采样方式在掘进过程中易发生卡壳等问题。本文在传统贯入采样方式的基础上提出了一种双体振贯采样方法。双体振贯采样方式具有反力小,传动直接等特点。以双体振贯采样方法为主线,完成了月壤表层水冰采样器的结构优化设计、掘进特性研究和实验验证。通过查找月壤水冰相关资料,了解了月壤水冰的详细特性,并比较了多种采样器方案,提出了一种适合在月球南北极超低温环境下工作的采样器。这款采样器结构简单、质量轻、无磨损、无需润滑和低耗能的特点很好的匹配了月球南北极的环境。采样器采用了贯入式采样的方式,根据不同的工作原理,设计了采样器驱动方案,选择最优方案,进行详细的结构设计,对方案进行了电磁仿真分析,优化得到最大理论驱动力。通过建立机具与月壤水冰的相互作用模型得到采样器工作过程中受到的阻力与采样深度的关系,采样器机具结构是根据月壤水冰的单向运移特性设计的,机具表面的螺纹结构能够有效地将月壤水冰排出。本文通过颗粒离散元软件对机具的掘进和排屑效果进行模拟仿真。完成了整体结构的分析,搭建了实验台,选择耐火砖作为实验样砖,通过单轴抗压实验得到样砖硬度,通过实验测得实际驱动力和采样器振幅。分别在不同电流和频率下对采样器采样效果和掘进特性进行了实验,通过电子秤量得容腔内存放颗粒质量,根据实验结果得到了采样深度与电流幅值大小和频率的关系。

关键词：月壤水冰双体振贯单向运移采样器掘进实验

面向月壤水冰原位触探的导热特性测量方法研究

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面向月壤水冰原位触探的导热特性测量方法研究

作者：张斯亮哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

月壤水冰的导热特性蕴含着丰富的信息,准确测量其导热特性可能为确定是否含有水冰及判断水冰含量提供一种可行的方法。采样返回可能会改变样品的自然状态,而原位接触式探测具有低成本、低样品扰动的特点,其未来发展前景十分广阔。本课... 详细信息

月壤水冰的导热特性蕴含着丰富的信息,准确测量其导热特性可能为确定是否含有水冰及判断水冰含量提供一种可行的方法。采样返回可能会改变样品的自然状态,而原位接触式探测具有低成本、低样品扰动的特点,其未来发展前景十分广阔。本课题以未来深空探测任务中月球南极永久阴影区月壤水冰探测任务为背景,面向月壤水冰原位触探需求,提出了一种导热特性的测量方法。该测量方法以多个圆锥构型探针作为热学传感载体,通过主动加热及被动感热的方式,测量月壤水冰热导率、体积热容与热扩散率参数。本文首先分析了月壤的导热特性及其主要影响因素,预测月壤水冰的导热特性范围,根据导热特性测量方法验证实验的需求,确定月壤水冰导热特性等效模拟物。针对测量对象特性及地外天体无人自主触探的特殊性,利用COMSOL仿真分析热探针各结构参数对导热特性测量的影响,设计基于热探针法的月壤水冰导热特性原位触探方案。其次,构建了热学探头触探月壤水冰的传热物理模型,通过建立热阻热容网络的方式,分析了热学探头在测量月壤水冰导热特性过程中的主要干扰源,并基于COMSOL仿真软件,对热学测量过程中的热流途径进行分析,讨论圆锥构型探针与基于瞬态线热源模型的探针在热学测量时的差异。研究并设计了圆锥构型探针测量月壤水冰导热特性的数据反演方法,并通过模拟仿真的方式验证其准确性。最后,研制了月壤水冰原位触探热学探头样机,并对热学探头进行标定,通过热学探头功能验证实验验证其具有测量月壤水冰导热特性的能力。

关键词：导热特性热探针法原位触探月壤水冰