用于月面巡视器地面行走试验的月壤月貌模拟系统及其构造方法

摘要

本发明公开了一种用于月面巡视器地面行走试验的月壤月貌模拟系统，包括模拟月壤水平区、模拟月壤坡道区、模拟月坑，模拟月岩以及综合模拟月面区，这些区域均采用模拟真实月壤力学性能的模拟月壤来构建。也公开了一种该系统的构建方法。与现有技术相比，本发明针对巡视器的需求，采用了不同粒径大小配比的同质材料火山灰的模拟月壤，基本覆盖了目前我们所了解到的真实月壤粒径统计范围，同时通过逐层压实的方法完成场地面积约800m

说明书

技术领域

本发明属于月面巡视器地面试验领域，具体涉及一种用于月面巡视器地面 行走试验的月壤月貌模拟系统及其构造方法。

背景技术

随着我国探月工程的开展，月面巡视器的研制成为了整个探月计划的关 键。巡视器本身是一个复杂的系统，为保证它在月面的正常行驶，必须在地面 对其行走能力，如移动性能、路径规划及自主导航等功能加以综合验证，以考 察巡视器的工作可靠性。为了充分考核巡视器的行走性能，需要搭建相应的月 壤月貌模拟系统以实现对月表/月海/月陆等区域的月壤环境的模拟。

迄今为止，国外已建成多个试验场，如前苏联为Lunokhod的研制建设了 环形土壤通道模拟试验场(长70m、宽4m)和综合形貌模拟试验场(长50m， 宽50m)，实现对环形坑、沟壑和岩石等模拟。美国为Apollo的LRV地面试 验建立了一个空间环境模拟室(SESL)和高大的人造舱，模拟月球庇护所和 月球太空舱外环境。此外，国外还根据不同的试验目的研制了多种模拟月壤， 如JSC-1，MLS，LSS等系列。

在模拟月壤的研制方面，国内多家机构开展了大量的研究，研制出了多种 模拟月壤，用于开展科学研究、土槽试验以及试验场的研究。其中在巡视器原 理样机研制阶段建立了一个月面巡视探测器室内试验场(试验区占地约 525m²)，利用模拟月壤根据已知的月面形貌数据进行构造。

但是，现有的月壤月貌模拟方法及系统存在以下问题：

模拟月壤的性能；目前模拟月壤的种类繁多，一般均是根据试验目的特殊 研制的，不能完全满足月面巡视器地面行走试验中对模拟月壤各项性能指标的 要求；

模拟月壤制备方法：目前多数模拟月壤的配比方法和制备工艺不适合大规 模制备，如某些模拟月壤需要添加剂，在使用量较大时，成本高，且很难保证 模拟月壤的均匀性。

模拟月壤整备方法：目前模拟月壤相关的整备方法主要是针对土槽试验等 小规模试验需求提出的，当模拟月壤的区域较大时，现有整备方法不能满足模 拟月壤大规模的快速铺设整备要求，且无法保证整备后模拟月壤性能一致性的 要求。

基于上述原因，需要综合考虑月面巡视器地面行走试验中多种试验类型及 工况对月壤月貌的要求，研制一种适用于巡视器地面行走试验的月壤月貌模拟 系统非常必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于月面巡视器地面行走试验的月壤月貌模 拟系统及其构造方法，该系统实现了对月球表面的月壤环境以及相应地形地貌 的模拟，满足了巡视器地面行走试验中多种试验类型及工况对模拟月壤性能和 地形地貌的综合需求。

本发明目的的实现采用了如下的技术方案：

用于月面巡视器地面行走试验的月壤月貌模拟系统，包括模拟月壤水平 区、模拟月壤坡道区、模拟月坑，模拟月岩以及综合模拟月面区，这些区域均 采用模拟真实月壤力学性能的模拟月壤来构建，其中，模拟月壤水平区内包含 至少两种以上的模拟月壤，以用于研究巡视器在不同性能指标的模拟月壤上的 行走能力；模拟月壤坡道区内包含至少两种角度以上的坡度，以用于研究巡视 器在不同坡度上的行走能力；模拟月坑和月岩根据试验需要和场地规划，在模 拟月壤水平区和坡道区随机分布，以用于验证巡视器的越坑和越障能力，综合 模拟月面区主要由模拟月壤构成，包含斜面、模拟月坑以及模拟月岩的多种月 面典型形貌，且随机分布，可用于验证巡视器移动性能、自主导航和路径规划 等能力。

其中，模拟月壤是同质材料火山灰制成的。

其中，模拟月壤是不同粒径大小的火山灰材料混合制成的，且根据真实月 壤粒径的统计范围(附图1)确定各种月貌下的火山灰材料的粒径配比曲线。

其中，各区域内的模拟月壤的平均厚度不小于30cm。

一种用于月面巡视器地面行走试验的月壤月貌模拟系统的构造方法，包括 以下步骤：

1)模拟月禳的制备

采用同质材料火山灰，进行烘干、机械粉碎，筛分，并根据不同月面模拟 区域对模拟月壤的需求按不同比例来混配不同粒径的火山灰颗粒，其中粒径级 配是主要的控制参数以符合月壤的真实性能；

2)月壤月貌模拟系统的构建

按照巡视器着陆区附近的月面形貌的整体布局要求，分别构建模拟月壤水 平区、模拟月壤坡道区、模拟月坑，模拟月岩以及综合模拟月面区，这些区域 均采用模拟真实月壤力学性能的模拟月壤来构建，构建步骤包括初始铺装、逐 层压实、基本形貌整备、表层整备、模拟月面整备和表面修饰，从而形成月壤 月貌模拟系统。

其中，模拟月壤水平区内包含至少两种以上的模拟月壤，以用于研究巡视 器在不同性能指标的模拟月壤上的行走能力；模拟月壤坡道区内包含至少两种 角度以上的坡度，以用于研究巡视器在不同坡度上的行走能力；模拟月坑和月 岩根据试验需要和场地规划，在模拟月壤水平区和坡道区随机分布，以用于验 证巡视器的越坑和越障能力，综合模拟月面区主要由模拟月壤构成，包含斜面、 模拟月坑以及模拟月岩的多种月面典型形貌，且随机分布。

优选地，不同粒径的火山灰的配比方式为粒径1mm以下的质量百分比为 83.74～100％；粒径0.25mm以下的质量百分比为59.42～86.1％；粒径0.1mm以 下的质量百分比为39.38～70.97％；粒径0.075mm以下的质量百分比为 32.89～64.3％；粒径0.01mm以下的质量百分比为0～15.83％(图1所示)。

本发明的月壤月貌综合模拟系统，针对巡视器的需求，采用了不同粒径大 小配比的多种同质火山灰材料的模拟月壤，基本上覆盖了目前我们所了解到的 真实月壤粒径统计范围，同时通过逐层压实的方法完成场地面积约800m²的月 壤月貌综合模拟系统建设，实现月面力学环境的模拟，并兼顾了空间几何形貌 和光学环境的特征。

附图说明

图1为真实月壤粒径统计分布曲线，本发明中各种模拟月壤的粒径级配曲 线需落在该图中两条线之间。

图2为本发明一实施方式的用于月面巡视器地面行走试验的月壤月貌模 拟系统的区域结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图2对本发明的用于月面巡视器地面行走试验的月壤月貌模 拟系统作进一步的说明。

如图2所示，本发明一实施方式的用于月面巡视器地面行走试验的月壤月 貌模拟系统，具体来说，整个系统由东侧半径15m的半圆形区域和西侧15m× 30m的矩形区域组成，系统中模拟月壤的平均厚度为0.5m。东侧半圆形区域 中由北向南依次分布由模拟月壤2构建的8m宽，6.5m长的8°坡，7m宽， 6.5m长的15°坡和5m宽，5m长的20°坡3个模拟月壤坡道区；西侧由北向 南7m宽的区域为模拟月壤2水平区；南侧由西向东依次分布3m宽，7m长的 模拟1水平区，3m宽，7m长的模拟月壤3水平区和3m宽，6m长的模拟月 壤4水平区；中心20m×20m为模拟月壤2构建的综合模拟月面区；模拟月坑 和模拟月岩随机分布在水平区，坡道区和综合模拟月面区，其中，模拟月壤水 平区用于研究巡视器在不同性能指标的模拟月壤上的行走能力；模拟月壤坡道 区内用于研究巡视器在不同坡度上的行走能力；模拟月坑和月岩用于验证巡视 器的越坑和越障能力，综合模拟月面区主要由模拟月壤构成，包含斜面、模拟 月坑以及模拟月岩的多种月面典型形貌，且随机分布。

用于构建本发明实施方式之一的月面巡视器地面行走试验的月壤月貌模 拟系统的构造方法，主要包括以下步骤：

1)模拟月壤的制备

采用同质材料火山灰，进行烘干、机械粉碎，筛分，并根据不同月面模拟 区域对模拟月壤的要求按不同比例来混配不同粒径的火山灰颗粒，其中粒径级 配是主要的控制参数以符合月壤的真实性能；

2)月壤月貌模拟系统的构建

按照巡视器着陆区附近的月面形貌的整体布局要求，分别构建模拟月壤水 平区、模拟月壤坡道区、模拟月坑，模拟月岩以及综合模拟月面区，这些区域 均采用模拟真实月壤力学性能的模拟月壤来构建，构建步骤包括初始铺装、逐 层压实、基本形貌整备、表层整备、模拟月面整备和表面修饰，从而形成月壤 月貌模拟系统。

以图2所示的月壤月貌模拟系统为例，该系统中采用了4种模拟月壤，其 中模拟月壤1，模拟月壤2，模拟月壤3和模拟月壤4用于构建模拟月壤水平 区和模拟月坑；模拟月壤2同时用于构建模拟月壤坡道区和综合模拟月面区； 并采用模拟月壤2同质的火山灰材料构建模拟月岩。

模拟月壤的制备：以模拟月壤2为例，按照1mm以下100％，0.25mm以 下93.6％，0.1mm以下62.4％，0.075mm以下56.1％，0.01mm以下10％的粒 径级配设计方案，对同质材料火山灰(火山灰)按照烘干、机械粉碎和筛分， 混合和检测从而完成模拟月壤2的制备，制备后的模拟月壤2随机抽样的均匀 性结果与设计值误差小于9％。

系统的构建：以图2所示系统为例，根据设计方案，按照预期位置将模拟 月壤1～4号分别按照初始铺装、逐层压实(三层铺装压实)、基本形貌整备(基 本几何尺寸的确定)、表层整备(翻松、刮平)、模拟月面整备(月坑构造和月 岩埋放)和表面修饰依次完成各模拟月壤区域的构建，构建好的月壤月貌模拟 系统随机抽样的容重相对误差小于10％。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指 明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修 改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发 明的保护范围之内。