基於地面機器系統的表層月壤沉陷行為研究

《基於地面機器系統的表層月壤沉陷行為研究》是依託吉林大學，由李建橋擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於地面機器系統的表層月壤沉陷行為研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李建橋
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

星球表面巡視探測是深空探測發展的必然選擇，對於低重力環境下無人駕駛的巡視探測器，防止因沉陷導致探測器失效至關重要。根據就位地貌信息和輪轍形態，快速判斷探測器是否將要發生沉陷是可行的方法，建立月壤/車輪沉陷模型，是評估探測器的月面通過性、決定探測器車輪動作、選擇探測器避障行駛路徑急需的關鍵技術。研究表層月壤沉陷行為還可以為在地面再現探測器就位情況，進行排障模擬演習試驗提供具有力學相似性的模擬月面整備技術指標。 在前期相關研究基礎上，本項目採用地面機器系統理論方法，重點研究月球表層月壤的沉陷行為。設計低重力模擬試驗裝置，製備不同比重的模擬月壤，實現低重力環境模擬；開展土槽滑轉沉陷試驗和模型車試驗，研究沉陷規律；分析輪轍圖像信息，提取輪轍的沉陷特徵參數；建立月壤/車輪沉陷模型，研究不同條件下的沉陷行為，提出表層月壤沉陷行為預測方法，為我國探月工程和深空探測提供技術方法和基礎數據，具有重要的意義。

結題摘要

研究星球探測器與星球土壤的相互作用規律，對探月工程以及其他深空探測的在軌探測器作業能力評估和控制方案決策具有理論意義和技術需求。 採用地面機器系統理論方法，設計了多種可傾斜式低重力模擬試驗裝置，分離出傾斜狀態下重力垂直傾斜方向的側向力對軸向力的影響，得到土槽條件下剔除側向力噪聲後的正向力分布規律，實現了重力環境近似模擬；研製了高精度輕載土槽測試系統，開展滑轉條件下輪壤相互作用試驗研究，基於傳統沉陷模型和輪壤接觸應力分布線性化公式，結合土槽試驗結果，建立了適合滑轉條件的沉陷模型，能準確預測輕載荷條件下車輪沉陷；研製出土槽試驗輪轍圖像數字信息系統，採集實時車輪沉陷數值，並提取輪轍表觀沉陷值及輪轍空間幾何的特徵參數，通過研究試驗因數對車輪沉陷的影響規律，以及車輪實際沉陷和表觀沉陷的對應關係，為通過輪轍表觀沉陷預測車輪實際沉陷提供依據。通過輪壤作用關係的線性化推導和簡化，建立了簡潔的掛鈎牽引力模型用於星球車在軌沉陷預估，利用土槽試驗進行模型修正，建立了用於星球車在軌沉陷預估的模型，提出了表層月壤沉陷行為預測方法，既可以為星球車在沉陷前進行預警評估，也可為發生沉陷後的地面模擬脫困試驗提供沉陷狀態數據。提出適用於模型篩網輪的壓力沉陷模型，基於土壤參數和輪土接觸等效面積，預測篩網輪在壓力作用下的沉陷行為，為進一步評估月球或者火星巡視探測器的通過性，預防車輪過度下陷提供了理論技術方法。 研究結果表明，月壤的力學特性受重力環境、整備方法等可以引起其顆粒堆積狀態改變的因素影響，鬆散態和細顆粒不利於巡視器的通過性。掛鈎牽引力模型的擬合值與土槽實測值的誤差小於9%；沉陷模型利用月球車位姿、質心等參數並結合月球車的車轍信息，計算出輪上載荷和滑轉率，能夠較好地反映篩網輪沉陷行為，置信度均為0.99，相關係數均在0.9以上，其計算快速準確，可用於月球車在軌評估車輪前方月壤的力學特性和通過性能評估。