钻取采样参数测试平台研制及试验研究

摘要

月球采样具有重大的经济和科学意义,完成月球采样将会为人类开发利用月球资源打下基础。月壤深层采样装置是实现月壤采集必不可少的设备,而钻进式深层采样具有适应性强和功耗低的优点,所以目前国外已成功应用的月球土壤深层采样装置均采用钻进式设计。由于目标月壤特性和成分都无法确定,考虑到外层空间作业能耗限制的问题,研制具有轻量化、低功耗、高效率和高可靠性等特性的月壤钻取采样装置具有重要的学术研究及工程应用价值。本课题针对我国探月三期工程钻取采样装置研制了钻取采样参数测试平台。
　　通过查阅相关方面资料结合前苏联和美国成功的采样返回经验,以真实月壤采集装置原理和结构为基础,基于无滑差软袋取芯机理提出了一种钻取采样参数测试平台的方案。该测试台分为钻具驱动装置、进尺驱动装置,角度调整装置和测试台架四个部分,可以实现回转、激振和进尺三个主要运动。通过检测回转转矩、回转转速、进尺钻压力、进尺位移、激振频率和激振驱动力等参数,完成钻取采样过程的实时状态监测。
　　对钻取采样参数测试平台激振驱动力、激振频率响应特性、进尺特性进行了分析计算。通过建立的凸轮运动受力分析模型,推导出最大驱动力矩与凸轮回转转速的关系公式。使用有限元软件对测试台主要承载部件进行了应力应变分析,完成各部件的强度和刚度校核。开展了钻取采样参数测试平台详细结构设计,绘制测试台二维工程图和三维模型,并完成了机械系统的集成。
　　设计并搭建了钻取采样参数测试平台控制系统。该控制系统由硬件和软件系统组成,能够完成各电机的运动控制及各传感器的数据采集,实现了对被测运动物理量的实时监测和过载限制,并可对采集到的数据进行存储及后处理。
　　开展了钻取采样参数测试平台性能测定和钻取采样负载预估试验,对测试平台主要运动的精度和效率进行了标定,验证了无滑差软袋取芯方案的高取芯率特性,完成了钻取采样负载的摸底和钻进规程的初步制定。