基于越障性能的六轮摇臂式月球探测车悬架尺寸优化设计

为提高探测车的越障性能,在已有六轮摇臂式月球探测车的准静力学模型的基础上,分别建立了探测车两个前轮、中轮和后轮单独爬越垂直障碍的准静力学模型,并将越障过程中的摇臂摆角引入模型。以此模型为基础、以最大越障高度为目标函数,对探测车的摇臂式悬架尺寸进行优化,实现探测车越障性能的提高。利用Adams对优化结果进行仿真验证,验证准静力学模型准确性和优化结果的正确性。

基于EDEM的月尘环境效应仿真实验设计与开发

利用学校高端装备制造虚拟仿真实验教学中心平台,面向飞行器制造工程专业基础课"空间技术概论"中的"月球环境及其模拟试验技术"章节,针对月面环境物理模拟难度大、成本高等缺点,基于离散元仿真软件EDEM,结合已有科研成果,设计开发"月尘环境效应仿真实验",模拟月尘环境及其对空间运动副产生的影响,从而使学生能够在课堂环境中即可直观地感受月尘环境及其效应,为专业课教学提供了新的途径。

翻滚式探测机器人设计及运动仿真

针对探测机器人对未知环境探测时易发生倾覆而丧失运动能力的情况,结合探测机器人运行过程中车载仪器需维持一定的姿态角的功能要求,提出了一种翻滚式探测机器人结构。该机器人由八个驱动轮、两个侧向支撑架以及平衡架组成:八个驱动轮保证机器人发生倾覆后仍有四个驱动轮与地面接触,从而不丧失运动能力;侧向支撑架可使机器人发生侧倾后与地面保持较大的倾角,待稳定后借助驱动力恢复至正常姿态,从而恢复运动能力;平衡架可保证车载仪器的横滚角和俯仰角在探测机器人发生倾覆和侧倾时基本不变。针对探测机器人的上述功能,运用ADAMS进行运动仿真,以验证各部件功能的可实现性。仿真结果表明,翻滚式机器人各部件实现了设计功能。

摇臂式探测车在崎岖地形中行进的运动规划及仿真

针对月球表面的崎岖地形环境,利用多体动力学的矢量分析法,建立臂式探测车在崎岖地形中行进过程的运动学模型。根据滑移损失产生原因,对驱动轮转速进行规划,推导出各轮协调运动的目标转速。利用仿真软件ADAMS及其运动函数对运动控制过程进行仿真,通过对比分析验证按照目标转速对驱动轮进行运动控制的有效性。

月壤钻探采样装置中的钻杆结构参数优化设计及模拟试验

对月球次表层钻取采样外螺旋钻杆的输土阻力进行理论分析。基于散体力学中连续介质假设,建立钻杆回转输土阻力矩模型。利用该模型分析钻杆直径、螺旋升角等结构参数与输土阻力矩变化的关系,给出参数选择范围。以钻杆输土所消耗的功率为目标,以钻杆结构参数为变量,对钻杆结构参数进行优化设计,使优化后的钻杆平均输土功率降低了30.5%。对结构优化后的钻杆输土阻力进行测试试验,验证了钻杆输土阻力矩随深度增加而变大的趋势。研究成果能为月球次表层采样钻杆设计提供理论依据。

月球次表层取心钻具功耗特性及地面模拟实验

建立了月球次表层取心钻具功耗模型,制备了与真实月壤物理机械参数相近的模拟月壤作为被钻对象,通过钻进取心实验对理论模型进行验证,得到取心钻具的功耗特性曲线并确定低能耗钻进规程。实验结果表明,取心钻具钻进功耗理论模型能够正确反映实验曲线的变化趋势,可依据模型对钻具的钻进功耗进行预估。以保证高取心率为前提,在阻力矩允许范围内,适当降低钻具回转转速,可使取心钻具的钻进功耗降低。

基于离散元的模拟月岩切削负载特性数值模拟及试验验证

钻取采样是人类获取月球岩石类样品的重要手段,钻进负载的稳定性是确保月岩采样任务成功的关键因素。由于岩石属性直接决定其可钻性等级,并影响钻进负载,有必要在地面环境中,分析岩石本构模型与钻进负载之间的关系,构建不同可钻性等级的岩石样本模型,开展模拟钻进试验,获知不同钻进参数下岩石采样的钻进载荷变化情况。据此,将地面条件下大理岩样本选作模拟月岩切削特性的研究对象,基于二维颗粒流程序(Particle flow code 2 dimensions,PFC2D),建立小切削深度下仿真分析模型。利用Plackett-Burman试验(PB试验)和中心组合设计(Central composite design,CCD)方法,确定影响岩石切削特性的微观参数,开展不同切削深度下的模拟月岩切削负载试验验证。经仿真分析与试验验证能得到与岩石切削特性相对应的离散元模型,试验结果表明该仿真模型在较小切削深度条件下的切削负载变化规律与实际情况一致。通过研究获得了一种建立模拟月岩离散元切削模型的建模方法,为后续分析钻头/切削刃构型参数对钻进/切削负载的影响提供了研究条件。

轴孔协调接触建模与试验研究

传统的轴孔接触解析模型通常研究轴与带孔无限大平面的接触问题,未考虑孔壁厚度对轴孔接触特性的影响。本文考虑孔壁厚度对轴孔接触特性的影响,基于Winkler弹性基础模型和几何约束条件,沿接触点的法线方向建立了轴孔协调接触解析模型。分析轴孔协调接触模型发现,接触力和接触刚度受间隙和孔壁厚度影响较大。基于图像法开展的轴孔接触试验结果表明,轴孔的接触刚度随接触深度的增大呈现非线性增大的特征,而且与以往的轴孔静态接触模型相比,本文所建立的模型与试验数据的吻合程度较高,因而本文提出的接触模型能够准确描述轴孔的协调接触特性。

基于协调运动控制的摇臂式探测车路径多属性决策

为保证探测车行驶路径节能、快速、安全,在协调运动控制的基础上,对多条待选路径进行多属性决策。根据六轮摇臂式探测车的准静力学模型和基于速度投影定理的运动学模型计算协调运动控制的目标转矩和目标转速。根据摇臂式移动系统的被动变形适应性计算探测车处于任意地形时摇臂的摆角,建立了地形参数与协调运动控制参数之间的关系。在此基础上,计算各条待选路径对通过路径所需能量、通过路径所需时间、路径地形起伏状况和路径长度等属性的属性值。利用TOPSIS法进行多属性决策,从中选择最优路径。数值仿真结果表明,多属性决策系统所选择的最优路径,兼顾节能、快速、安全等因素,避免了单属性决策的片面性。

用于砂土层连续采样的柔性软袋式钻取采样技术研究

砂土是地球表面常见的一种覆盖物,由于风力和水力的搬运作用导致传统浅层采样器所采集的样芯信息量不足,并且由于砂土颗粒之间的内聚力小流动性大,传统环刀压入方法无法采集到长度大于20 cm并且具备连续层序信息的样品。为此提出一种柔性软袋式取芯技术,采用内置柔性袋取芯机构的外螺旋钻具对砂土进行钻取采样,以提高采样的样芯长度并保持层序信息。分析了取芯钻具与砂土相互接触的机理以及对采样样芯的扰动情况,通过仿真模拟的比对揭示了传统环刀压入法对样芯扰动的原因。搭建了试验台并针对传统环刀压入法与柔性软袋式取芯方法的采样率进行了对比试验,结果显示后者取芯率随转速增加下降10. 4%,前者随压力增加提高16. 4%,使用柔性软袋方法取芯率均值从13. 08%提高到84. 08%,并能保持连续的样芯层序信息。

空心外螺旋钻杆与月壤相互作用力学模型研究

空心外螺旋钻杆在月面钻取深层月壤样品任务中有非常广泛的应用,研究它与月壤间的相互作用特性,并建立力学模型,对月面钻取采样机构的研制和操作具有重要意义。基于"光杆模型",建立了空心外螺旋钻杆与月壤相互作用的等效力学模型,该模型能够将空心外螺旋钻杆与月壤间的相互作用统一等效至空心外螺旋钻杆外包络面上进行分析。通过对"光杆模型"微元进行运动学和准静力学分析,建立了空心外螺旋钻杆阻力矩和辅助钻压力关于月壤参数、钻杆参数和钻进规程参数的解析模型,并对其进行参数影响分析,获得了空心外螺旋钻杆阻力矩、辅助钻压力、功率和进尺速度的主要影响参数,为月面钻取采样机构的研制和操作奠定了理论基础。

地外天体潜入式探测典型案例分析及展望

针对地外天体星壤剖面的潜入式探测任务,对星球表面热场、星壤剖面原位力学特性等科学目标探测的基本原理、实现方案和典型案例进行了资料调研与分析,并阐明了国际上开展地外天体星壤剖面潜入式探测活动的目的和科学意义。在此基础上,提出了我国月面采样科学目标拓展方案以及我国开展潜入式探测的预先研究规划,对蠕动掘进和冲击贯入式探测方案的基本原理和应用前景进行了分析。

铝合金薄壁管旋压封口工艺

铝合金薄壁管可以作为刚性取样管,应用在航空、航天和地质探测等研究领域。为保证样品的科学研究价值,需要对铝合金薄壁管两端封口以隔绝与外界的环境。文章采用旋压工艺对装满样品的铝合金薄壁管两端封口成形工艺进行实验研究。结果表明,通过控制旋压封口工艺的主要技术参数,可以使铝合金薄壁管获得良好的两端封口效果。研究获得了旋压力与旋轮进给率、旋压力与旋轮形状、壁厚减薄率与旋轮进给率的关系。

月球次表层回转取样钻头构型设计

以月球次表层钻进取样工程为应用背景,从功能组成角度定义了月球取样钻头的子结构,将排屑通道优化设计作为钻头构型改进重点。采用曲面基体和空间螺旋曲线包络方式设计排屑通道,并对排屑通道进行了微分几何建模,设计了一种新型曲面构型钻头。通过多种典型构型钻头在模拟月壤条件下的负载对比实验对该构型进行了测试,结果表明该新型钻头的负载约为其他构型钻头的30%~45%。最后,还从细观角度应用离散单元仿真方法验证了曲面螺旋翼钻头具有优良的大颗粒适应性。

模拟月壤钻进力载建模及试验验证

我国探月三期工程无人自主采样任务将利用钻取采样的方式获取深层月壤样品。由于不同月壤组分的机械特性存在显著差异,且采样点处沿深度方向月壤组分分布具有随机性,钻进过程中采样装置所受钻进负载极有可能发生剧烈波动,严重影响钻进稳定性。为保证采样任务的顺利实施,采样装置需要在有限的钻进功耗和钻压力条件下,及时调整合适的钻进工艺参数,控制钻进负载在合理范围内,降低采样风险。分析钻具作用下月壤的失效形式及运移状态,提出填充率概念用以定量描述螺旋钻杆的排屑状况,基于螺旋输送理论建立两种典型工况下的钻进力载模型。多维钻进工艺参数下的模拟月壤钻进试验表明:填充率指标能够准确描述螺旋钻杆的排屑状况;钻进力载模型能够有效预测钻进负载。

月壤临界尺度颗粒运移特性对钻采阻力影响研究

临界尺度颗粒是指平均直径大于或等于钻头取芯孔直径的月球土壤颗粒,其广泛分布于月球次表层土壤中。在钻进过程中受到钻削作用,一部分临界尺度颗粒被从孔底置出,并被嵌入钻孔壁产生孔壁置入现象,从而增大了切削负载功耗;另一部分跟随钻具回转无法被取芯孔采集,从而增加了钻进失败的风险。通过建立月壤临界尺度颗粒切削模型,考虑临界尺度颗粒粒径及其与切削刃相互作用位置,对切削阻力的影响进行敏感度分析,得到位置的变化对切削阻力影响最明显。提出法向重叠率的概念,用以研究位置变化对临界尺度颗粒运移特性及切削阻力的影响关系。将切削刃的回转运动等效为直线运动,采用离散元方法验证法向重叠率对切削阻力的影响,得到法向重叠率与临界尺度颗粒孔底置出和孔壁置入现象之间的关系,以及对应的切削阻力时域变化曲线的特征。通过临界尺度颗粒运移特性模拟试验,得到法向重叠率与切削阻力呈同方向的线性关系,当临界尺度颗粒分别产生孔底置出和孔壁置入现象时,对应的切削阻力时域曲线特征分别为连续峰值和仅有一个峰值点。研究可为月球采样任务中的钻进工况参数识别提供理论依据。

真空颗粒系统有效导热系数测量试验台研制及试验

基于稳态热流计法,研制了可实现不同真空环境和温度下测试颗粒系统有效导热系数的试验台,并基于此试验台对HIT-LS1#型模拟月壤在不同真空度和不同温度下进行了有效导热系数测定试验。试验结果显示:模拟月壤的有效导热系数随着温度的升高而增大,并随着真空度的提高而减小。真空度对颗粒系统的有效导热系数存在较大影响,尤其是在高真空的情况下。

一种用于运动目标捕获的行星轮差动式欠驱动臂

为解决运动目标捕获过程中的碰撞问题,采用欠驱动自适应原理研制了具有碰撞能量吸收能力的机械臂。三自由度的机械臂由2个电机驱动:基关节由单个电机驱动;中关节和末关节由一个单输入双输出行星轮组完成动力分配。在机械臂捕获运动目标过程中,碰撞产生的部分冲击能量通过欠驱动行星轮组传递到末关节,转化为关节动能。依靠欠驱动机械系统完成对碰撞的响应,解决了控制系统因时延而无法快速对碰撞进行响应的难题。为完成对目标的抓取,基于阻抗控制提出了机械臂运动目标捕获控制算法。运动目标捕获实验验证了机械臂对碰撞的快速响应能力及运动目标捕获控制算法的可行性。

面向空间非合作航天器的空间爬壁机器人方案

针对空间非合作目标追踪附着任务的隐蔽性、无统一接口和低冲击着陆等特点,提出了一种基于粘附机理的微小型空间爬壁机器人的方案。考虑空间环境特性、附着目标表面特征等因素,确定了仿昆虫多足弹性多腿结合仿壁虎脚底刚毛干性粘合剂的总体构型,完成了足底刚毛结构微阵列参数的设计与刻蚀,设计了缓冲吸能部件,规划了步行和翻转的两种步态。原理样机验证表明方案可行,可为后续在轨非合作接近任务中微小型机器人的行为规划提供理论支持。

面向空间太阳能电站在轨装配的爬行机器人关键技术

提出一种可在薄膜和桁架表面爬行的足式机器人,以完成对空间太阳能电站由薄膜-桁架模块在轨组装。机器人系统由操作工具搭载平台、压电驱动式多关节腿、微结构修饰附着足等组成。在此基础上,基于仿生理论,对自然界具有高攀爬能力的生物足端微结构进行了分析与仿真,并结合桁架的杆类结构和薄膜的柔性结构的特点,开展了机器人微结构修饰足特性的附着特性研究。利用离散元-多体动力学耦合仿真平台,对机器人在桁架结构和薄膜结构上的爬行过程进行了仿真研究,为爬行机器人的运动控制提供了依据。通过上述研究,验证了利用爬行机器人系统实现薄膜-桁架模块在轨操作与组装的方案可行性,为空间太阳能电站在轨装配任务提供了技术储备。