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“嫦娥五号”月面采样机械臂路径规划

深空探测学报（中英文） 2021年第6期8卷 564-571页

作者：胡晓东张宽谢圆张辉卢皓刘传凯陈翔赵焕洲谢剑锋北京航天飞行控制中心北京100094

针对“嫦娥五号”月面采样任务中采样机械臂的精准控制问题,提出了一种基于深度强化学习的路径规划方法。通过设计深度强化学习算法的多约束奖赏函数,规划了满足安全性、快速性、可达性3个约束的运动路径,实现了采样机械臂的精准控制。... 详细信息

针对“嫦娥五号”月面采样任务中采样机械臂的精准控制问题,提出了一种基于深度强化学习的路径规划方法。通过设计深度强化学习算法的多约束奖赏函数,规划了满足安全性、快速性、可达性3个约束的运动路径,实现了采样机械臂的精准控制。在满足任务安全性的提前下,缩短了天地之间的交互时间,机械臂控制效果平稳。在轨实验结果表明,该方法具有较高的准确性和鲁棒性,可为后续的深空探测在轨遥操作采样任务提供借鉴。

关键词：月面采样机械臂路径规划深度强化学习

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月面采样钻具回转冲击作用研究

月面采样钻具回转冲击作用研究

作者：高瞻哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

我国月面钻取采样任务中，采样钻具的钻取能力直接决定了采样任务的完成情况。由于月壤中存在不同粒径、不同硬度等级的月岩，因此钻具对月岩的破碎能力是钻取能力的主要评价指标。为提高采样钻具对岩石的破碎能力，需要采用回转冲击钻... 详细信息

我国月面钻取采样任务中，采样钻具的钻取能力直接决定了采样任务的完成情况。由于月壤中存在不同粒径、不同硬度等级的月岩，因此钻具对月岩的破碎能力是钻取能力的主要评价指标。为提高采样钻具对岩石的破碎能力，需要采用回转冲击钻进的方式。故本文以回转冲击作用下岩石破碎机理、冲击动力的产生及优化为主线，开展了冲击系统的理论分析、仿真模拟和试验研究。基于脆性岩石的拉伸破碎准则，在充分考虑钻具构型参数的基础上，建立了回转切削作用下钻具与岩石相互作用力学模型，获得侵入深度、钻压力等参数对水平切削力的影响，并对理论模型开展了试验验证;建立了钻具冲击作用下岩石破碎的动力学模型，获得冲击力函数对冲击深度的影响关系。针对典型的脉冲冲击力函数，开展了冲击碎岩数值模拟，验证了模型的正确性。针对钻具驱动装置冲击机构，建立了冲击过程动力学模型，获得双圆柱形激振块几何构型与产生应力波波形函数之间的关系;基于冲击能量传递效率最大的原则，优化冲击应力波波形，获得冲击凿岩过程中冲击能量最大传递效率及其影响因素;基于优化应力波波形，结合冲击机构动力学模型，优化激振块构型;应用显式动力学分析软件LS-DYNA开展冲击过程仿真分析，对比优化前后激振块的冲击效果，证明了优化分析的可行性;开展回转冲击破碎岩石过程数值模拟，获得特定输入参数下岩石的应力分布和钻头侵深曲线，为更深入的参数仿真优化研究打下基础。本文通过试验研究了冲击功、冲击频率和钻压力等宏观参数对钻进效果的影响;分别开展了恒力钻进和恒速钻进模式下，单一参数变化对进尺深度和回转转矩的影响规律，并进一步分析了多参数耦合时的影响规律，从而为月面采样钻具回转冲击参数优化提供了依据。通过理论分析、数值模拟以及试验验证，本文获得了冲击参数对岩石破碎效果的影响规律，为月面采样钻具设计与优化提供了理论支持，同时也为我国月面采样任务的顺利完成奠定了基础。

关键词：月面采样钻取回转冲击应力波

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月面回转钻进采样非脆弱鲁棒控制

深空探测学报 2014年第4期1卷 315-319页

作者：郑燕红邓湘金赵志晖姚猛邹昕北京空间飞行器总体设计部北京100094

回转钻进采样技术是实现月面采样任务的重要手段。回转采样机构在月面复杂环境下会发生模型摄动,并受到外部扰动的影响,采样控制器的鲁棒性对顺利完成采样任务具有重要意义。本文针对回转采样机构,分析了采样过程中的模型摄动、外部扰... 详细信息

回转钻进采样技术是实现月面采样任务的重要手段。回转采样机构在月面复杂环境下会发生模型摄动,并受到外部扰动的影响,采样控制器的鲁棒性对顺利完成采样任务具有重要意义。本文针对回转采样机构,分析了采样过程中的模型摄动、外部扰动影响,建立了采样机构状态空间模型,利用线性矩阵不等式方法设计了状态反馈非脆弱鲁棒控制器,仿真结果表明:在有界模型摄动、有界随机系统扰动情况下,回转钻进采样控制系统内稳定,并对扰动具有抑制能力。

关键词：月面采样回转钻进非脆弱鲁棒控制

无人月球采样返回工程总体设计——嫦娥五号任务

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中国科学：技术科学 2021年第11期51卷 1275-1286页

作者：胡浩裴照宇李春来彭兢李东董光亮刘鹰任俊杰王琼庞涪川高磊国家航天局探月与航天工程中心北京100190 中国科学院国家天文台北京100101 中国空间技术研究院北京100094 中国运载火箭技术研究院北京100076 北京跟踪与通信技术研究所北京100094

嫦娥五号是我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程,本文阐述了嫦娥五号的任务目标和主要技术指标,从系统组成、设计约束和飞行过程3个方面介绍了工程技术方案,重点研究了地外天体采样返回工程系统方案、表取和钻取两种采样模式等... 详细信息

嫦娥五号是我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程,本文阐述了嫦娥五号的任务目标和主要技术指标,从系统组成、设计约束和飞行过程3个方面介绍了工程技术方案,重点研究了地外天体采样返回工程系统方案、表取和钻取两种采样模式等7个工程取得的主要技术创新,分析了再入返回飞行试验、月面着陆起飞综合验证试验等8项涉及任务匹配性、协调性和正确性的大型试验,可为后续其他地外天体采样返回任务提供重要参考.

关键词：嫦娥五号月面采样月面起飞交会对接跳跃式再入

基于模型的无人月面采样任务分析与系统架构设计

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基于模型的无人月面采样任务分析与系统架构设计

月壤钻探取心机构性能测试系统研制及试验研究

第五届体系工程学术会议——数智时代的体系工程

作者：白一帆张鹏代巍杨瀚哲杨文举汉鹏武中国科学院空间应用工程与技术中心

无人月面采样任务目标复杂、约束条件众多,任务论证过程面临方案发散、验证手段有限等问题,采用基于模型的系统工程方法(MBSE)开展无人月面采样任务分析与架构设计,可以显著提高论证效率和方案可行性。首先,从科学目标和约束条件出发开... 详细信息

无人月面采样任务目标复杂、约束条件众多,任务论证过程面临方案发散、验证手段有限等问题,采用基于模型的系统工程方法(MBSE)开展无人月面采样任务分析与架构设计,可以显著提高论证效率和方案可行性。首先,从科学目标和约束条件出发开展任务分析并明确任务需求。进而分析任务剖面,提炼系统需求、分解各子系统需求并建立追溯。最后,开展落月初期的任务流程仿真,对无人月面采样任务流程进行细化与迭代。本文从任务分析、架构设计、仿真验证等环节开展MBSE方法的探索,为深空探测工程应用提供参考。

关键词：基于模型的系统工程月面采样任务分析系统架构设计

来源： cnki会议评论

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月壤钻探取心机构性能测试系统研制及试验研究

作者：吴淼哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

月球采样技术研究具有重大的科学和应用意义，有希望改善目前地球能源紧缺的现状。月壤钻探取心机构是实现月壤样品采集并回收的重要功能部件，目前采用的取心方式为无滑差软袋取心方式，具有取心率高、低取心功耗、有效保持月壤样品层... 详细信息

月球采样技术研究具有重大的科学和应用意义，有希望改善目前地球能源紧缺的现状。月壤钻探取心机构是实现月壤样品采集并回收的重要功能部件，目前采用的取心方式为无滑差软袋取心方式，具有取心率高、低取心功耗、有效保持月壤样品层序信息等优点。受月面采样环境的未知性影响，研制具有模拟月面环境、模拟钻进取心过程、取心特性参数测试的月壤钻探取心机构性能测试系统具有重要的科研和应用价值。本课题针对我国探月工程（三期）研制保障条件建设项目研制了月壤钻探取心机构性能测试系统。明确了取心方案采用无滑差软袋取心方式的取心机构结构组成，主要包括，保持心管、取心软袋、软袋拉绳和封口组件，并分析了无滑差软袋取心原理。研究了取心机构的取心特性参数：取心过程中软袋内翻与封口时提心力参数、取心封口阶段的封口特性参数、取心完成阶段装有月壤样品的取心软袋整形缠绕特性和取心机构取心率参数，并提出了上述取心特性参数的测试方案。以月面钻取采样取心机构为测试对象，模拟真实月面钻取采样环境，设计了一种月壤钻探取心机构性能测试平台。该测试平台结构部分分为钻具驱动单元、整形缠绕单元、模拟低温月壤输送单元、钻头局部加热单元和可翻转台架。利用该系统可以完成月面真实钻取环境的模拟和取心过程的再现。通过各路传感器检测取心机构提心力参数、取心软袋屈曲阻力矩、钻具回转转速、封口闭合力和取心过程中的可视化等参数，完成月壤钻探取心机构的取心状态监测。使用有限元分析软件对测试系统主要部件进行了应力应变计算。完成了主要承力部件的强度和刚度校核，进行了取心机构性能测试系统详细结构设计。设计并搭建了取心机构性能测试平台的控制系统，主要分为硬件系统和软件系统，能够完成各个电机的运动控制以及不同传感器的数据采集，同时可以对采集到的数据进行处理和保存。开展了取心机构性能测试系统的功能测试，包括电机转速测试、电机同步性测试和无滑差软袋取心层序保持性验证，同时验证了不同封口的取心软袋的提心力参数受温度的影响程度。

关键词：月面采样取心机构钻探取心特性参数

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月壤钻取采样钻进导向机构设计与分析

月壤钻取采样钻进导向机构设计与分析

作者：张小丹哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

我国探月三期的主要目标之一是利用钻取采样装置获取不小于2米深度的月壤样品并返回地球,钻进导向机构作为钻取采样装置的重要组件,为多种输入工况下的钻具提供支撑和导向功能,其合理的设计是保证钻取采样装置顺利采样的关键。国内外对... 详细信息

我国探月三期的主要目标之一是利用钻取采样装置获取不小于2米深度的月壤样品并返回地球,钻进导向机构作为钻取采样装置的重要组件,为多种输入工况下的钻具提供支撑和导向功能,其合理的设计是保证钻取采样装置顺利采样的关键。国内外对于特殊环境下的钻进导向机构研究甚少,如何设计出具有优良导向性能的导向机构仍是一个未知的问题。因此,研究钻进导向机构从构型到结构设计对保证钻具的钻进精度和提高钻取采样的可靠性具有重要意义。分析钻进导向机构的功能需求和技术指标,提取钻进导向机构的设计要素,设计其合理构型。针对构型中导轨副摩擦形式和接触类型的不同,提出多种设计方案并分析各方案的工作原理及优缺点。引入层次分析法建立导轨副的评价模型,采用定性和定量相结合的分析方法计算各方案的权重,为钻进导向机构构型方案的优选提供依据。针对优选出的钻进导向机构构型,提取关键结构参数,进行导向机构导向性能参数化研究。分析钻进导向机构力学边界条件和外界载荷等效方式,建立导向精度、钻具挠曲变形和赫兹接触应力的数学模型并给出相应的约束条件,得到钻进导向机构上述评价导向性能的指标与自身结构参数之间的关系,初步确定各参数的取值范围,为钻进导向机构的结构设计奠定理论基础。明确钻进导向机构的功能组成和导向机构在钻取采样任务全周期中的力学环境,对钻进导向机构的关键组成部件进行结构设计,并进行相应静力学分析和环境适应性分析。运用有限元分析方法模拟月壤钻取采样极限工况,分析钻进导向机构的刚度和强度并预计质量,进一步对钻进导向机构的强度和刚度进行校核。给出钻进导向机构力学条件并设置相关仿真参数,建立钻进导向机构的三维仿真模型。在多体动力学软件中模拟月面极限工况,对钻具施加不同方向的扰动力,得到导向机构各支撑处的接触力和钻机质心位移随时间变化的趋势,验证静力学模型中导向机构姿态的正确性并分析各平面的抗偏载能力。计算钻进导向机构的导向精度,对钻进导向机构在钻取采样任务中的导向性能进行评价,为取芯钻具及限幅机构等相关结构的设计分析提供理论参考。

关键词：月面采样钻进导向机构动力学仿真结构设计 FEM分析

非常23天!“嫦娥五号”奔月带回“土特产”

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发明与创新（小学生） 2021年第3期 4-13页

作者：本刊综合不详

嫦娥奔月不止是神话传说,继“三姐”“四姐”后,2020年11月24日4时30分,嫦娥“五姑娘”搭乘长征五号遥五火箭发射升空,又一次奔赴月球,落在月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区,之后成功带回月球的“土特产”,实现我国首次月面采样返回。

关键词：火箭发射嫦娥奔月嫦娥五号长征五号风暴洋土特产神话传说月面采样

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无轴螺旋式模拟月壤主动填充装置研制

深空探测学报 2019年第1期6卷 57-62页

作者：马超刘飞曾婷赵曾庞勇樊明旭姜生元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150080 北京卫星制造厂北京100190

针对月面综合钻进试验台模拟月壤利用率和试验效率低的问题,提出一种主动送土试验台的设计方案,满足月面钻采作业机具的取芯特性专项验证需求。该方案利用无轴螺旋作为模拟月壤传送的核心部件,采用集成料斗实现难流动物料连续送料的功能... 详细信息

针对月面综合钻进试验台模拟月壤利用率和试验效率低的问题,提出一种主动送土试验台的设计方案,满足月面钻采作业机具的取芯特性专项验证需求。该方案利用无轴螺旋作为模拟月壤传送的核心部件,采用集成料斗实现难流动物料连续送料的功能,通过无轴螺旋转动主动将模拟月壤垂直送入取芯机构,代替综合钻进试验台钻取月壤的作用,可以实现多种级配模拟月壤的定量和定压输送。为了验证设计参数的正确性,利用EDEM离散元分析模拟月壤输送特性,并开展了试验验证。结果表明:以无轴螺旋作为主动送土机构的核心单元,可实现主动送土试验台自主、高效率地进行模拟月壤输送模拟多种取芯工况,为工程部门钻采作业机具研制定型提供性能参数验证的依据。

关键词：月面采样模拟月壤地面验证主动送土无轴螺旋