双体振贯月壤采样器结构设计与样机实验

2003年中国开始了探月工程计划,设定了“绕、落、回”三步走研究战略,现阶段已经正式进入探月工程三步走战略中最关键的最后一步。对比以往的太空采集样品的方式与技术,提出了一种新的驱动方式和适合机械臂末端采样器执行机构。采样器的驱动装置通过高频振动冲击月球表面土壤进行指定深度的钻探取样,由于微粒在高频冲击的条件下具备单方向移动特性,通过这一运动特性,贯入式采样可以保证月壤本身的土壤层次顺序,得到月球完备的土壤层理信息。通过改变驱动装置的频率和电流幅值进行实验,得到其对采样速度的影响规律。

月壤取芯钻具热特性有限元分析

根据取芯钻具的特点、使用情况以及空间环境要求,在简化模型的基础上,利用有限元分析方法研究了月壤取芯钻具的热特性。首先计算了取芯钻具在飞行阶段高、低温存储环境影响下的变形和应力分布;其次计算了取芯钻具在工作阶段不同钻进条件下的变形及应力分布情况,提取了关键点的温度和位移参数;最后研究了取芯软袋与取芯管之间的间隙变化情况。根据有限元分析得到的数据结果,证明了各部位选择的材料以及配合间隙等满足要求,可为未来工程应用提供理论依据。

一种月壤采样冲击机构的优化设计

凸轮是月壤采样冲击机构的关键零件。通过冲击机构寿命试验发现,凸轮防扭轴存在出现疲劳破坏的风险。基于冲击机构多体动力学仿真、静力学分析和瞬态力学分析,对凸轮进行优化设计,并通过对凸轮材料热处理工艺进行分析,采用更加合理的热处理手段。在论证充分和工艺成熟的基础上,冲击机构所有优化均以变动量最小、系统安全可靠、驱动功耗小和机构轻量化设计为原则。通过仿真分析和试验验证表明,优化后的冲击机构满足功能性能指标要求及寿命要求,优化措施有效。

一种月壤采样器钻机的研制

依据探月三期获取深度2m保持层理月壤的要求,研制了钻取式月壤采样器。钻机作为月壤采样器的重要执行部件,具有回转、冲击和回转-冲击复合三种工作模式,为有效可靠的取芯采用了千瓦量级回转驱动部件。研制过程中考虑月昼温度较高,将钻机热适应性作为关键特性,并按照有关标准规范和钻进规程,开展了热设计、热分析和热真空环境验证热真空试验。经地面、热真空和联试试验表明,钻机具有适应多种复杂月壤钻取的能力,取样效果好。