一种新型月壤水冰采样系统设计及试验验证

针对月球极区永久阴影坑深低温环境下,月壤水冰的硬度和机械强度很高,铲挖、钻进等常规采样方式难以实现低耗、快速采样的问题,提出了利用火工爆燃作动的动能侵彻方式快速构建月壤剖面孔洞,利用机械臂将采样工具送至孔内实施样品精确采集的新采样方法,并据此设计了新型月壤水冰采样系统。设计并研制了侵彻单元工程样机,基于力学等效性原则制备了拟实靶体,对工程样机的侵彻效能开展了试验验证。试验结果表明,对于单轴抗压强度30 MPa的模拟月壤水冰力学等效物能实现快速侵彻,侵彻深度可达234 mm,侵彻时间优于1 s。提出的侵彻式造孔和采样方法具有轻量化、低能耗、高效率、高强度月壤对象突破能力强等突出优势,可为后续月壤水冰采样探测任务提供有益借鉴。

月壤水冰模拟样本SHPB试验及反射波特性分析

高强度的月壤水冰组构通常采用高频冲击钻进、高速动能侵彻等方式实现原位探测,探测机具与月壤水冰组构之间存在复杂的动力学关系,探测机具在设计的过程中应充分考虑月壤水冰的动力学特性。提出一种利用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)实现超低温月壤水冰模拟样本的动力学特性测试的试验方法。利用SHPB试验系统,对–170℃极低温状态下3种不同含水率的月壤水冰模拟物开展了动态力学特性测试。通过分析试验结果,得到了不同应变率条件下月壤水冰模拟物的强度参数,总结出了月壤水冰模拟物应变率增强效应的规律;结合不同含水率样本SHPB试验的反射波频谱特性存在明显的差异的特性,提出一种基于钻具冲击反射波特性的月壤水冰含量辨识方法。可为月球水物质“探–采–用”探测器系统的研制工作提供有效参考。

月壤水冰组构模拟及力学特性测试分析

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。

侵彻式月壤探测地面模拟试验研究

月面通常由细颗粒粉末状月壤覆盖,利用侵彻器可实现次表层月壤的探测。在侵彻器与月壤相互作用的过程中,为研究侵彻器结构及科学载荷缓冲结构的抗冲击性能、不同剖面组构的抗侵彻性与辨识性,以及侵彻后对月壤的扰动强弱,开展了100~260 m/s全尺寸侵彻器对3类月壤模拟样本的侵彻试验。试验结果表明,约3×10^(4) g过载下侵彻器结构完好,载荷运行正常;侵彻无硬层月壤模拟样本靶标时,滤波后侵彻器过载峰值约1000 g;侵彻月岩或水冰模拟样本靶标时,滤波后侵彻器过载峰值为无硬层月壤模拟样本靶标的5倍以上,弹载记录仪可对不同强度成层模拟样本靶标进行辨识;在弹道终点处,距侵彻器约20 mm范围内的颗粒类模拟样本靶标表现为扰动破碎,中值粒径最多降低约70%。可为探月四期探测工程探测器设计提供参考。