蠕动掘进式潜入器潜入特性研究

摘要

本课题来源于我国载人航天预先研究项目“月面人机联合探测方案研究”。项目要求能够在月面预定深度处针对月壤剖面化学成分、机械力学特性、温度场分布等科学目标长期地实施探测任务。针对该探测任务，在调研国内外地外天体探测相关资料的基础上，提出了蠕动掘进潜入式探测系统方案。探测系统由蠕动掘进式潜入器本体和月表设备组成。在月表设备的辅助下，蠕动掘进式潜入器利用蠕动运动的原理对月壤实施下潜。潜入到预定深度后，利用内置的探测仪器对科学目标进行探测。本课题重点对蠕动掘进式潜入器潜入特性开展了研究。
　　建立了蠕动掘进式潜入器运动模型。利用土力学中地基沉陷的理论，分析获得了负载与月壤沉陷量的关系。将月壤沉陷量带入运动模型中，考虑蠕动掘进式潜入器的构型约束条件，计算获得了蠕动掘进式潜入器极限潜入深度。以极限潜入深度为指标，评估了蠕动掘进式潜入器的潜入能力。
　　利用摩尔库伦破坏准则、朗肯被动土压力理论，建立了掘进头切削原生月壤的负载模型。参考螺旋输送及螺旋挤压理论，建立了排壤螺旋输送月壤负载模型。掘进头切削、螺旋排壤负载模型分别为掘进头、排壤螺旋的结构设计以及动力参数匹配提供理论基础。利用离散元仿真手段，分析了月壤颗粒在缓存区的填充特性。以填充特性为基础，建立了缓存区月壤堆积负载模型，此模型可指导缓存区结构设计以及蠕动掘进式潜入器蠕动行程的选择。
　　研制了蠕动掘进式潜入器试验样机，开发了蠕动掘进式潜入器潜入特性试验系统。开展了掘进头切削负载特性试验、排壤螺旋输土负载特性试验，试验结果验证了掘进头切削负载、排壤螺旋输土负载理论模型的正确性；开展了缓存区填充及负载特性试验，测量了缓存区月壤堆积对主掘进单元产生的附加阻力矩，利用附加阻力矩分析了缓存区负载特性；此外，还开展了定姿单元的定姿能力测试试验，获得了定姿单元的定位能力。

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第1章 绪 论

1.1课题来源及研究的目的和意义

1.2国内外行星探测潜入器研究综述

1.3课题主要研究内容

第2章 蠕动掘进式潜入器潜入能力分析

2.1引言

2.2潜入器潜入原理分析

2.3蠕动掘进潜入式探测装置方案设计

2.4间歇排壤式潜入器潜入能力分析

2.5连续排壤式潜入器潜入能力分析

2.6间歇、连续排壤式潜入器方案比较分析

2.7本章小结

第3章 潜入机具与月壤相互作用模型研究

3.1引言

3.2掘进头掘进负载特性分析

3.3螺旋排壤负载特性分析

3.4缓存区填充特性及负载分析

3.5本章小结

第4章 蠕动掘进式潜入器本体研制

4.1引言

4.2蠕动掘进式潜入器方案设计

4.3蠕动掘进式潜入器结构设计

4.4蠕动掘进式潜入器本体研制

4.5本章小结

第5章 蠕动掘进式潜入器潜入特性试验研究

5.1引言

5.2蠕动掘进式潜入器潜入特性试验系统研制

5.3掘进头掘进负载特性试验验证

5.4螺旋排壤负载特性试验验证

5.5缓存区填充及负载特性试验研究

5.6定姿单元定姿能力测试试验

5.7本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

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