调节粒径分布提高月壤种植潜力研究

【目的】月壤是月球岩石在遭受物理风化作用后形成的颗粒极细的碎屑物质,其保肥能力和透气性较差,且缺乏植物生长所需的有机养分及营养元素,并不是一种优质的栽培基质。通过研究月壤物理结构调整对月壤原位资源化利用的可行性,为太空农业种植提供有效手段。【方法】本研究基于嫦娥五号(CE-5)取回的月壤样本组分数据,选用玄武岩制备模拟月壤。根据嫦娥5号和Apollo飞船的月壤样本粒径分布数据,在月壤粒径分布合理的范围内,分别添加质量百分数为10%、20%和30%的大粒径玄武岩颗粒(1000~500μm),形成了3个模拟月壤M1、M2和M3,以CE-5真实月壤粒径分布的模拟月壤M0作为对照,向模拟月壤中加入氮、磷、钾营养元素,进行生菜种植试验和室内模拟淋溶试验。【结果】随着大粒径颗粒占比的增加,模拟月壤容重从M0的1.85 g/cm^(3)减小至M3的1.80 g/cm^(3),田间持水量下的通气孔隙度从7.62%上升至11.68%,M3的通气孔隙度达到M0的153.38%。室内模拟淋溶试验显示,随着大粒径颗粒占比的增加,淋溶液中的铵态氮、全氮和全磷均呈先下降后上升的趋势,即保肥效果随着大粒径颗粒占比的增加呈先上升后下降的趋势,以M2保肥性能最好,渗滤液中的铵态氮和全氮淋失量分别比M0低58.10%和21.67%。M2处理的生菜生长状况也相对最好,地上和地下部分干重分别高于M097.60%和39.20%。【结论】通过向模拟月壤中添加大粒径颗粒来优化其粒径分布,可改善模拟月壤的物理结构特性,增大通气孔隙度,降低容重,提高其保肥能力及种植潜力,以M2模拟月壤的保肥效果及生菜生物量最佳,可以最大限度的实现月壤资源的原位化利用。

地球天梯爬升机构运行能耗计算方法研究

目前针对地球天梯系统常态运行过程中爬升机构的运行能耗研究较少,尚未提出合理的能耗计算方法。为此,基于动车组牵引/制动性能计算方法,综合考虑地球引力、空气阻力、科里奥利力、机械摩擦力及外太空真空环境等因素,分析了地球天梯爬升机构运行环境及受力,建立了地球天梯爬升机构运行能耗模型。通过求解爬升过程的启动牵引力、最大功率得到了功率分布曲线,并发现爬升机构的启动牵引力及最大功率均与阻力呈正相关关系;对地球天梯运行过程进行了分解,通过分段积分得到了地球天梯系统的爬升过程总能耗。研究结果可用于辅助确定地球天梯系统的供能方案及电机选型,也可为地球天梯系统的后续研究提供参考。

轴向敲击式钻取采样装置方案研究

针对地外行星浅表层钻探采样对采样装置低功耗、小尺度的需求,提出一种轴向敲击式钻取采样装置设计方案:将增力机构与棘轮棘条机构结合,通过对钻取采样过程的钻进阻力实时检测,实现钻取采样钻进速度及钻进力的控制;将轴向进给电机的输出扭矩通过增力机构传递至钻杆,实现增力效果,降低了钻取采样功耗。该方案的可行性通过设计示例得到了验证,可作为未来地外行星采样装置设计的借鉴。

利用熔岩管道建设月球农场的初步构想

总结了月球熔岩管道的天然优势和地外农场的研究进展,概括了月球农场建立所涉及的原位资源利用关键技术,梳理了利用熔岩管道建设月球农场的基本思路,并提出了基于月球熔岩管道的月球农场布局规划,总结了月球农场建设所面临的科学难题,为利用熔岩管道建设月球农场的研究提供参考。

轮腿式机器人轮-腿高效移动策略优化

复杂地形下的高效移动策略是轮腿式机器人研制过程中的技术难点。本文在常规移动策略的基础上,通过引入关节空间状态量描述支腿相对于机身的位姿,引入位姿转换量描述相邻时序的位姿状态量间的运动过程,进而建立起移动策略与时间和能耗的数学模型,并以移动时间最短和能耗最低为目标,建立了移动策略的优化模型,通过优化迭代形成轮-腿高效移动策略。复杂地形下的越障仿真表明,机器人采用轮-腿高效移动策略可实现越障功能,与常规移动策略相比,移动时间及能耗均明显降低,验证了轮-腿高效移动策略的有效性。

星表移动探测机器人研究现状综述

星表移动探测机器人是多学科、高新技术的结晶,用于非结构化环境中的星球表面探测,能有效减轻人类工作强度、保护人身安全以及代替人类完成恶劣环境下的科研探测工作,有着巨大的经济和社会效益。本文对已发射的探测器进行了统计,系统梳理了成功着陆月球、火星的探测机器人的技术参数、结构与机构组成等,综合对比了各国在星表移动探测机器人研制方面的技术状态。结合国内外的研究现状和成果,重点针对星表移动探测机器人移动系统的研究进行了梳理,将星表移动探测机器人从运动形式上划分为轮式、腿式、履带式及其他类型4种形式,对每类机器人的研究进展、技术参数、结构与机构形式、运动形态等进行了系统回顾和详细分析。结合星表移动探测机器人面临的探测任务及发展方向,对星表移动探测机器人未来发展趋势进行了展望。

航天器大尺度部件折叠展开原理分析及应用

围绕航天器向大尺度、远距离发展所涉及的大尺度部件在轨展开技术中新工艺、新材料、新结构等,对现有航天器大尺度部件的折展机构进行了统计与分析,系统梳理了在轨航天器折展机构的技术参数、结构与组成等。介绍了折纸艺术、自回弹材料与记忆合金等新工艺、新材料在航天器太阳帆板、天线等大尺度部件上的应用。重点分析并梳理了新型结构的特性及其工作原理,包括:充气展开式、单轴旋转式、径向扩展式、单元重构式、延长伸展式等。最后,结合即将开展的载人登月与月球基地建设、太阳系探测等深空探测任务,对在轨航天器大尺度部件的折展结构与机构的发展趋势进行了展望。

化学淋洗对土壤团聚体稳定性及其重金属赋存形态的影响

为探究重金属在土壤非均质体系中的淋洗特性,分别考察了3种化学淋洗剂乙二胺四乙酸(EDTA)、柠檬酸和三氯化铁(FeCl_(3))等对粒径为0.25~2.00 mm、0.05~<0.25 mm和<0.05 mm的土壤团聚体淋洗过程中团聚体结构、重金属Pb和Cd质量分数及其赋存形态影响。结果表明,不同粒径团聚体中重金属的淋洗效率存在显著差异(P<0.05),小粒径(<0.05 mm)的团聚体上Pb和Cd具有更高的淋洗效率。淋洗后较小粒径团聚体上残渣态Cd所占比例升高,但有效态的Pb所占比例增加。淋洗后团聚体的平均直径分别减小了77.25%、80.98%和49.15%,团聚体解体可能增加土壤对Pb和Cd的专性吸附能力。淋洗剂FeCl_(3)相较于EDTA和柠檬酸,对水稳性团聚体具有较低的结构破坏作用,同时具有较好的重金属淋洗效果,有利于土壤后续的安全再利用。

多因素影响下的地球天梯海上平台偏移范围分析

地球天梯海上平台偏移范围会影响地球天梯的稳定性与定位精度,而目前地球天梯海上平台质量、绳索几何参数等因素对海上平台偏移范围的影响研究不足。基于以往的天梯系统动力学模型并根据非线性方程线性化的原则和近似求解方法,计算了海上平台偏移范围。计算结果表明,一方面风速与风向会增大海上平台偏移范围与幅值,另一方面海上平台质量和绳索几何参数的合理选取可控制海上平台偏移变化范围,实现偏移范围最小。研究结果可为天梯系统设计分析提供参考。

模块化轮腿式月面机器人方案设计

针对传统月面轮腿式机器人受限于结构及尺寸的问题,引入模块化设计观点,基于图论理论建立了机器人构型与模块之间的数学关系。以直线运动车身动态平稳度为评价标准,通过机器人足式运动学分析,以直线型与环形六支链轮腿式月面机器人为例,进行了机器人构型设计。仿真结果表明,直线型构型机器人在足式直线运动步态下更加平稳,可作为模块化可重构轮腿式月面机器人的设计参考。

月球生命保障前沿基地探究

月球是人类进行深空探测和太空探索的前哨站。在月球建立生命保障前沿基地可为人类移居月球提供食物保障。文章介绍了近年来国内外主要的探月工程,系统总结了人类在空间站、月球、生命保障系统等发展太空农业的现状。围绕月球生命保障前沿基地发展面临的挑战,文章提出了发掘及利用月球南极资源、创制适于月球生长的功能植物品种、建立基于月球熔岩洞穴的生命保障前沿基地等建议,以期为中国太空农业发展提供参考。

自重构机器人探索地外熔岩管的应用前景

月球和火星等行星表面上的熔岩管被视为人类科学考察基地和生态维持区域的优先选址。然而,熔岩管内部存在的塌物等障碍为熔岩管的无人化探索和改造带来了极大的挑战。模块化自重构机器人以其多功能性和可复用性等优势,成为在不可预测的非结构化环境中越障和操作物体的理想选择。文章简要介绍了模块化自重构机器人概况,重点讲述了该类机器人在熔岩管内移动与越障、采样与操作、辅助支撑这3个场景中的软硬件研究和应用前景。最后针对自重构机器人建设地外熔岩管基地所面临的挑战提出发展建议。

适用于月面极端地形的爬-滚机器人设计及爬行滚动特性分析

面向月面极端环境科学探测任务,提出一种兼有快速通过性和良好环境适应性的爬行滚动一体化机器人设计方案,通过机器人6条腿的形态变化,使机器人具有爬行和滚动两种运动模式。在对爬-滚机器人构型分析的基础上,建立了单腿正逆运动学模型,以运动学为基础,基于足端轨迹规划设计了爬行模式下机器人直行、原地转向步态;结合非结构地形的特殊性,通过尺寸和力约束条件分析了机器人滚动模式下的最大爬坡角和最大越障高度。基于ADAMS软件对机器人爬行模式直行、原地转向,滚动模式爬坡、越障等运动行为进行了模拟,并搭建了机器人移动试验平台,对机器人样机在实验室环境中进行了测试,仿真和试验结果表明机器人在爬行模式下具有良好的移动性能,在滚动模式下具有一定的爬坡和越障能力,爬行、滚动模式运动特性分析能准确地评价机器人性能,证明了该设计方案的适用性和可行性,为后续特种探测机器人的研究提供借鉴。