次表层月壤蠕动掘进式潜探技术研究

论文摘要

星壤的物理形态、化学成分、地质结构及地表热流等科学目标,是提升人类星球演化与生命起源科学认知及未来星球活动与资源利用的重要依据。相较于浅表层星壤的单点探测数据,获取次表层月壤科学目标的大尺度纵深分布特性更加具有科学意义。针对次表层月壤剖面大深度潜入的目标,常规连续钻杆的钻进方案在质量、功耗、系统复杂程度、传感搭载能力上具有明显不足。综合考虑次表层月壤作业环境特点,提出蠕动掘进式潜探器（本文简称为“潜探器”）方案,实现对月壤剖面的自主潜入作业,并可通过潜探器本体搭载的科学仪器或潜入作业进程反馈信息实施次表层月壤的原位探测。本文以蠕动掘进式潜探器为研究对象,以月壤剖面自主掘进潜入及月壤力学参数辨识为研究目标,开展次表层月壤蠕动掘进式潜探技术研究,具体内容包括蠕动掘进式潜探器设计、潜探器与月壤相互作用力学模型、潜探器参数优化及掘进潜入试验、原位月壤力学参数辨识方法与试验等。针对月壤剖面大深度潜入探测的目标,研究次表层月壤物理力学特性,开展次表层月壤潜入探测方案分析,提出蠕动掘进式潜探器设计方案,完成潜探器掘进及探测功能设计,分析掘进过程月壤运移原理并确定月壤流量及规程参数匹配。根据轻量化、低功耗设计准则,完成潜探器本体动力布局与传动设计。开展潜探器系统设计与分析,包括考虑排屑效应的锥面螺旋刃掘进头新构型设计、潜探器支撑稳定性分析与抗扭设计、基于单向颗粒流效应的密封设计、潜探器控制系统设计。针对螺旋欠速回转排屑条件,引入月壤间压应力,分析螺旋槽内月壤在运移过程中的运动及受力状态,建立螺旋输送力学模型。基于Janssen粉体应力基本假设,建立缓存区月壤堆积应力分布模型,为潜探器掘进负载模型计算确立了边界条件。推导掘进头掘进切削参数,分析掘进头切削作用下原位月壤的失效模式,基于摩尔-库伦强度理论建立掘进头切削负载模型,并通过掘进切削试验验证负载模型,该模型为高密度月壤力学参数辨识提供了理论基础。建立潜探器掘进全过程负载模型,并开展模型的试验验证工作,该模型为潜探器参数优化、月壤力学参数辨识奠定基础。基于潜探器与月壤相互作用力学模型,分别开展了掘进头、排屑螺旋、缓存区通道等结构参数优化。采用离散元数值仿真手段,以月壤切屑流动性等效为目标建立月壤仿真模型,开展缓存区月壤颗粒流动仿真模拟,分析缓存区月壤流动过程的阻塞效应,以此为依据优化了定姿机构推杆结构参数。基于潜探器掘进负载模型,以掘进负载及功率消耗最优为目标,优化潜探器运动规程参数。基于掘进负载反馈数据,研究掘进故障模式并提出应对策略,实现潜探器的高适应掘进。此外,以潜探器为载体开展掘进潜入全程试验,验证了蠕动式掘进潜入原理可行性,测试获得了潜探器掘进潜入性能。针对高密度模拟月壤对象,基于掘进头切削负载模型,分别利用最小二乘法、牛顿迭代算法构建了模拟月壤抗剪力学参数辨识方法,实现高密度月壤对象的离线辨识。以掘进头为探测工具,基于摩尔-库伦强度理论,开展“回转剪切”试验,利用掘进负载反馈数据,建立了逐渐恒力、连续恒速两种月壤抗剪力学参数辨识方法,实现原位月壤抗剪力学参数在线辨识。以掘进头为探测工具,基于土壤承压理论,开展“压板沉陷”试验,利用沉陷试验反馈负载,建立月壤承压参数辨识方法,实现原位月壤承压力学参数的在线辨识。此外,以潜探器为载体,开展次表层月壤力学参数原位辨识试验,验证了月壤力学参数辨识方法的有效性。通过本文的研究,研制一种针对大深度月壤剖面掘进潜入探测的潜探器,能够实现原位月壤力学参数的科学探测,还可作为科学仪器的搭载平台,进一步丰富探测数据类型,研究成果为我国未来的次表层星壤潜入探测提供技术支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•     1.1.1 课题来源及研究背景
•     1.1.2 研究的目的和意义
•   1.2 星壤原位探测国内外研究现状
•     1.2.1 星壤原位探测科学目标分析
•     1.2.2 星壤钻进探测技术研究现状
•     1.2.3 星壤潜入式探测技术研究现状
•     1.2.4 星壤原位探测技术研究现状
•     1.2.5 分析与启示
•   1.3 本文主要研究内容
• 第2章 蠕动掘进式潜探器设计
•   2.1 引言
•   2.2 月壤物理力学特性分析
•   2.3 潜探器掘-探功能设计方案
•     2.3.1 潜探器技术指标
•     2.3.2 次表层月壤潜入探测方案分析
•     2.3.3 潜探器掘进功能设计方案
•     2.3.4 潜探器探测功能设计方案
•   2.4 蠕动掘进式潜探器系统设计
•     2.4.1 潜探器本体动力布局与传动设计
•     2.4.2 考虑排屑效应的螺旋刃掘进头设计
•     2.4.3 潜探器支撑稳定性分析与抗扭设计
•     2.4.4 基于单向颗粒流效应密封设计
•     2.4.5 变通道长度月壤排屑单元设计
•     2.4.6 潜探器控制系统设计
•   2.5 本章小结
• 第3章 潜探器与月壤相互作用力学模型
•   3.1 引言
•   3.2 蠕动式掘进试验条件
•   3.3 考虑月壤间压应力的螺旋输送力学模型研究
•     3.3.1 螺旋排屑运动模型建立
•     3.3.2 螺旋输送力学模型建立
•     3.3.3 螺旋输送模式分析
•   3.4 缓存区月壤应力分布模型研究
•   3.5 掘进头切削负载模型研究
•     3.5.1 掘进头切削负载建模
•     3.5.2 掘进头切削负载模型参数分析
•     3.5.3 掘进头切削负载试验验证
•   3.6 潜探器掘进负载建模与验证
•     3.6.1 潜探器掘进负载模型建立
•     3.6.2 潜探器掘进负载模型试验验证
•   3.7 本章小结
• 第4章 潜探器参数优化及掘进潜入试验
•   4.1 引言
•   4.2 潜探器结构参数优化
•     4.2.1 掘进头结构参数优化与验证
•     4.2.2 螺旋结构参数优化
•     4.2.3 缓存区通道结构参数优化
•   4.3 潜探器规程参数优化与控制策略研究
•     4.3.1 潜探器规程参数优化
•     4.3.2 潜探器控制策略研究
•   4.4 潜探器掘进潜入试验研究
•     4.4.1 潜探器掘进潜入试验系统
•     4.4.2 潜探器掘进全程试验
•     4.4.3 潜探器掘进负载及功耗分析
•   4.5 本章小结
• 第5章 原位月壤力学参数辨识方法与试验
•   5.1 引言
•   5.2 基于掘进头切削负载模型的月壤抗剪参数辨识
•     5.2.1 基于最小二乘法的参数辨识
•     5.2.2 基于牛顿迭代算法的参数辨识
•   5.3 基于掘进头剪切试验的月壤抗剪参数辨识
•     5.3.1 掘进头负载组成及解耦方法
•     5.3.2 月壤抗剪力学参数辨识方法
•     5.3.3 月壤抗剪力学参数辨识试验及结果分析
•   5.4 基于掘进头沉陷试验的月壤承压参数辨识研究
•     5.4.1 月壤承压力学参数辨识方法
•     5.4.2 月壤承压力学参数辨识试验及结果分析
•   5.5 基于潜探器的原位月壤力学参数辨识试验研究
•     5.5.1 辨识过程操作规程及参数
•     5.5.2 月壤力学参数辨识试验及结果分析
•   5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张伟伟

导师: 唐德威,姜生元

关键词: 次表层月壤,蠕动掘进式潜探器,力学模型,参数优化,月壤力学参数辨识

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 天文学,航空航天科学与工程

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 国家自然科学基金面上项目“蠕动式掘进器潜入特性及原位月壤力学参数辨识方法研究”(51575122),哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室自主研究课题“蠕动掘进式月壤剖面探测机器人潜入特性研究”(SKLRS201616B)

分类号: P184;V476.3

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.000447

总页数: 143

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