月壤钻探取心机构性能测试系统研制及试验研究

摘要

月球采样技术研究具有重大的科学和应用意义，有希望改善目前地球能源紧缺的现状。月壤钻探取心机构是实现月壤样品采集并回收的重要功能部件，目前采用的取心方式为无滑差软袋取心方式，具有取心率高、低取心功耗、有效保持月壤样品层序信息等优点。受月面采样环境的未知性影响，研制具有模拟月面环境、模拟钻进取心过程、取心特性参数测试的月壤钻探取心机构性能测试系统具有重要的科研和应用价值。本课题针对我国探月工程（三期）研制保障条件建设项目研制了月壤钻探取心机构性能测试系统。
　　明确了取心方案采用无滑差软袋取心方式的取心机构结构组成，主要包括，保持心管、取心软袋、软袋拉绳和封口组件，并分析了无滑差软袋取心原理。研究了取心机构的取心特性参数：取心过程中软袋内翻与封口时提心力参数、取心封口阶段的封口特性参数、取心完成阶段装有月壤样品的取心软袋整形缠绕特性和取心机构取心率参数，并提出了上述取心特性参数的测试方案。
　　以月面钻取采样取心机构为测试对象，模拟真实月面钻取采样环境，设计了一种月壤钻探取心机构性能测试平台。该测试平台结构部分分为钻具驱动单元、整形缠绕单元、模拟低温月壤输送单元、钻头局部加热单元和可翻转台架。利用该系统可以完成月面真实钻取环境的模拟和取心过程的再现。通过各路传感器检测取心机构提心力参数、取心软袋屈曲阻力矩、钻具回转转速、封口闭合力和取心过程中的可视化等参数，完成月壤钻探取心机构的取心状态监测。使用有限元分析软件对测试系统主要部件进行了应力应变计算。完成了主要承力部件的强度和刚度校核，进行了取心机构性能测试系统详细结构设计。
　　设计并搭建了取心机构性能测试平台的控制系统，主要分为硬件系统和软件系统，能够完成各个电机的运动控制以及不同传感器的数据采集，同时可以对采集到的数据进行处理和保存。
　　开展了取心机构性能测试系统的功能测试，包括电机转速测试、电机同步性测试和无滑差软袋取心层序保持性验证，同时验证了不同封口的取心软袋的提心力参数受温度的影响程度。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的背景和意义

1.2 月球采样探测发展概述

1.3 国内外月壤采样试验台研究综述

1.4 本课题主要研究内容

第2章 取心机构及取心特性参数分析

2.1 取心机构组成及工作原理

2.2 取心机构取心过程参数分析

2.3 取心机构取心效果参数分析

2.4 本章小结

第3章 取心机构测试平台结构设计

3.1 测试系统功能与要求

3.2 测试平台工作原理及方案

3.3 钻具回转及月壤筒进给机构设计

3.4 整形缠绕单元结构设计

3.5 提心力测试和软袋外轮廓测试单元设计

3.6 封口闭合力测试单元

3.7 模拟月面环境系统结构设计

3.8 本章小结

第4章 取心机构测试平台控制系统设计

4.1 测试平台控制系统工作原理

4.2 控制系统硬件系统设计

4.3 控制及数据采集软件的设计

4.4 本章小结

第5章 取心机构测试系统试验研究

5.1 取心机构性能测试平台功能测试

5.2 高低温环境取心软袋提心力及封口测试

5.3 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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致谢