冲击式月壤剖面贯入器潜入负载特性研究

发布时间：2017-09-11 16:21

  本文关键词：冲击式月壤剖面贯入器潜入负载特性研究

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【摘要】：随着深空探测的进展,人类对地外天体的科学考察从星体表面逐渐深入到内部。次表层星壤剖面含有丰富的地质学及星表环境信息,是研究天体起源及演化过程的重要探测目标。冲击式贯入器作为一种轻小型、低功耗的无人自主潜入式探测器,是原位探测次表层月壤剖面的有效手段之一。本文以提高冲击式贯入器潜入能力为目标,重点对冲击式贯入器潜入负载特性开展研究。结合月壤的物理力学性质,分析了月壤剖面冲击挤密潜入原理。根据冲击式贯入器机构组成,将其简化为“质量—弹簧”系统。通过分析贯入器一个工作周期的运动过程与能量传递规律,总结了影响贯入器潜入能力的主要因素。利用摩尔—库仑强度理论与极限平衡条件,建立了潜头挤密潜入原态月壤的负载模型,计算得到锥形、外凸、内凹弧形三种潜头构型对潜入负载特性的影响规律,为潜头构型优化提供理论基础。利用朗肯被动土压力理论,建立了贯入器侧壁摩擦负载模型,指导贯入器壳体结构优化设计。研制了贯入器恒速潜入负载特性试验系统。开展了锥形、外凸、内凹弧形三种构型潜头潜入负载特性试验,试验结果验证了潜头负载模型的正确性;开展了贯入器壳体潜入负载特性试验,分析了壳体构型参数对潜入负载特性的影响。综合负载模型与试验结果,优选出贯入器构型与构型参数。为提高贯入器潜入能力,对贯入器“质量—弹簧”系统参数进行了匹配。利用多体动力学软件对参数匹配结果进行仿真验证,并研究了月面低重力环境对贯入器潜入性能的影响。利用贯入器构型优化结果,遵循轻量化、小型化的设计原则,研制了冲击式贯入器原理样机。利用高速摄像系统开展了贯入器潜入过程动态特性试验研究。搭建了贯入器潜入能力测试系统,验证了贯入器潜入能力。
【关键词】：月壤剖面 原位探测 冲击式贯入器 负载模型
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V476.3
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义9-10
• 1.1.1 课题来源9
• 1.1.2 研究目的和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.2.1 星壤剖面冲击贯入式潜入技术研究进展10-14
• 1.2.2 星壤动力贯入理论研究进展14-15
• 1.2.3 国内外研究现状的分析与启示15
• 1.3 课题主要研究内容15-17
• 第2章 冲击式贯入器工作原理及潜入能力分析17-26
• 2.1 月壤的物理与力学特性17-19
• 2.1.1 月壤物理参数概述17-18
• 2.1.2 月壤力学特性18-19
• 2.2 月壤剖面冲击挤密潜入原理分析19-20
• 2.3 冲击式贯入器机构组成及工作原理20-23
• 2.3.1 冲击式贯入器机构组成20-21
• 2.3.2 冲击式贯入器工作原理21-23
• 2.4 潜入能力影响因素分析23-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第3章 冲击式贯入器潜入负载模型研究26-44
• 3.1 潜头构型及构型参数26-27
• 3.2 贯入器潜头负载模型研究27-36
• 3.2.1 锥形潜头负载模型研究27-31
• 3.2.2 外凸弧形潜头负载模型研究31-34
• 3.2.3 内凹弧形潜头负载模型研究34-36
• 3.3 贯入器侧壁负载模型研究36-37
• 3.4 构型参数对贯入器潜入负载的影响37-43
• 3.4.1 锥形潜头负载分析38-39
• 3.4.2 外凸弧形潜头负载分析39-40
• 3.4.3 内凹弧形潜头负载分析40-41
• 3.4.4 三种构型潜头负载对比分析41-42
• 3.4.5 侧壁摩擦阻力分析42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 贯入器挤密潜入负载特性试验研究44-56
• 4.1 贯入器恒速潜入负载特性试验系统研制44-46
• 4.1.1 试验系统方案设计44-45
• 4.1.2 试验系统搭建45-46
• 4.2 模拟月壤制备方法46-47
• 4.3 潜头负载特性试验验证47-53
• 4.3.1 锥形潜头负载特性试验验证47-49
• 4.3.2 外凸弧形潜头负载特性试验验证49-50
• 4.3.3 内凹弧形潜头负载特性试验验证50-51
• 4.3.4 模拟月壤参数对潜头负载的影响试验51-53
• 4.4 侧壁摩擦负载特性试验验证53-55
• 4.5 贯入器构型参数试验分析55
• 4.6 本章小结55-56
• 第5章 冲击式贯入器原理样机研制及其试验研究56-69
• 5.1 冲击式贯入器参数匹配56-57
• 5.1.1“质量—弹簧”系统参数匹配56-57
• 5.1.2 结构材料匹配57
• 5.2 冲击式贯入器动力学仿真分析57-60
• 5.2.1 动力学仿真建模57-59
• 5.2.2 动态仿真分析59-60
• 5.3 贯入器结构详细设计60-65
• 5.3.1 驱动单元结构设计60-61
• 5.3.2 冲击锤结构设计61-63
• 5.3.3 贯入器壳体单元结构设计63
• 5.3.4 贯入器本体研制63-65
• 5.4 贯入器潜入过程动态特性试验研究65-67
• 5.4.1 贯入器动态特性测试系统搭建65-66
• 5.4.2 贯入器动态特性试验66-67
• 5.5 贯入器潜入能力试验研究67-68
• 5.5.1 贯入器潜入能力测试系统搭建67
• 5.5.2 贯入器模拟潜入试验67-68
• 5.6 本章小结68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-74
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果74-76
• 致谢76

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本文编号：831793