亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        宇航員手持式高頻沖擊采樣裝置的設計研究

        2015-04-18 09:11:49陳化智姜生元張明張玉良沈毅全齊全梁魯張志賢
        深空探測學報 2015年2期

        陳化智,姜生元,張明,張玉良,沈毅,全齊全,梁魯,張志賢

        (1.哈爾濱工業(yè)大學 機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室,哈爾濱 150080; 2.北京衛(wèi)星制造廠,北京 100080;3.中國空間技術研究院 載人航天總體部,北京 100094)

        宇航員手持式高頻沖擊采樣裝置的設計研究

        陳化智1,姜生元1,張明2,張玉良2,沈毅1,全齊全1,梁魯3,張志賢3

        (1.哈爾濱工業(yè)大學 機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室,哈爾濱 150080; 2.北京衛(wèi)星制造廠,北京 100080;3.中國空間技術研究院 載人航天總體部,北京 100094)

        獲取具有原態(tài)層理信息的月壤剖面樣品是我國載人登月人工采樣任務的重要目標之一。對比國外地外天體采樣技術,提出了一種適合宇航員手持操作的高頻沖擊式采樣裝置。采樣裝置采用高頻沖擊作用下顆粒的單向運移原理,可保證樣品的原態(tài)層理信息,降低了采樣功耗,提高了取芯率;取芯機構表面的各向異性摩擦形貌增強了顆粒單向運移效果,提高了采樣效率;改變沖擊頻率進行取芯試驗,得到了沖擊頻率與表面形貌對取芯率的影響規(guī)律,為我國載人登月人工采樣裝置的設計研究提供技術參考。

        人工采樣;高頻沖擊;單向運移;應力波

        0 引 言

        月球是距離地球最近的地外天體,有著豐富的礦物資源,所以月球將會是人類對地外天體資源開發(fā)的第一站[1-2]。對月壤樣品進行分析,可以獲得月球的土壤結構及礦物元素信息,為開展月球資源開采工程作鋪墊,因此,宇航員在月面上獲取具有原態(tài)層理信息的月壤剖面樣品是載人登月任務中的重要項目之一。

        獲取具有層理信息的月壤樣品有兩種方式:一種是以前蘇聯(lián)Luna系列探測器[3]為代表的無人回轉鉆取采樣;另一種是美國Apollo載人登月任務[4]中的沖擊貫入式人工采樣,即通過宇航員手動敲擊取芯管獲取月壤樣品。

        對做回轉運動的空心鉆桿施加軸向力使之持續(xù)鉆進,通過鉆桿外壁的螺旋槽排屑,而樣品則保存在鉆桿內部。這種回轉鉆取采樣方式可以獲取保持一定層理信息的樣品,但鉆桿的回轉運動使鉆桿內壁附近的樣品顆?;旌掀饋?,無法保持原態(tài)的層理信息。此外,排屑槽堵塞時,將使功耗急劇增加,且容易發(fā)生故障。與回轉鉆取采樣方式相比,沖擊貫入式取芯對樣品層理信息的保持性更加良好。然而,低頻沖擊作用下,取芯管附近的月壤顆粒受擠壓致密產(chǎn)生力鏈,導致月壤顆粒與取芯管表面的摩擦力增大,增加了能量的消耗并阻礙樣品的采集。高頻動態(tài)沖擊產(chǎn)生的應力波可以破壞力鏈的形成,降低了采樣需求的能量,并能夠驅使取芯管表面的月壤顆粒向月面定向運動,若采用具有各向異性摩擦表面形貌的取芯管,則能夠增強月壤顆粒的運移效果,從而提高取芯率。

        因此,為降低采樣工具的能耗,提高取芯率,并獲取良好層理信息的月壤樣品,應采用高頻動態(tài)沖擊貫入的方式進行采樣。本文對沖擊貫入式取芯涉及的應力波傳遞特性[5-6]、顆粒單向運移機理和各向異性摩擦表面形貌特征三項關鍵技術進行了分析。針對月面人工采樣裝置的高取芯率、高層理信息保持性等性能要求,設計了一種便于宇航員操作的月壤采集裝置。利用該采樣裝置的原理樣機開展變頻率模擬采樣試驗研究,分析了在恒定鉆壓力下沖擊頻率與表面形貌對取芯率的影響規(guī)律。本文的研究內容可為我國未來擬開展的人工采樣裝置的設計提供參考。

        1 高頻沖擊貫入式取芯過程分析

        沖擊貫入式取芯一般是指手動敲擊薄壁取芯管,將其打入地面,樣品直接存儲在取芯管中的一種取芯方式。由于手動敲擊的頻率較低,每次敲擊時月壤幾乎無動態(tài)響應,因此稱之為靜態(tài)沖擊貫入式取芯,這種取芯方式廣泛應用于地質勘探任務中。

        然而,靜態(tài)沖擊貫入式取芯雖然能獲取具有良好層理信息的樣品,但無法保證100%的取芯率,即取芯管內的樣品長度低于取芯管進入地面的深度,甚至低于50%。以下將對靜態(tài)沖擊貫入式取芯過程進行分析。

        取芯管在瞬態(tài)沖擊力FIM的作用下貫入月面深度為HIM,月壤的壓縮性使其受到取芯管的擠壓后體積減小,與管壁間的摩擦阻力FIF增大。此外,月壤的顆粒形態(tài)導致顆粒之間在受力作用下發(fā)生自鎖效應,形成“力鏈”,進一步阻礙了顆粒的流動。此時留存于取芯管內的樣品長度HSM低于貫入深度。當沖擊力不足以克服摩擦阻力時,繼續(xù)施加沖擊,貫入深度將不再增加。研究資料表明,“力鏈”的分布及強弱與取芯管的長徑比LTC/DTC有關,長徑比越大,“力鏈”分布越廣泛,強度越大。取芯過程如圖1所示。

        圖1 靜態(tài)沖擊貫入式取芯Fig.1 Static impact type penetration coring

        高頻沖擊可以解決以上問題。如圖2所示,對取芯管施加較高頻率的沖擊,取芯管中的沖擊能量破壞了“力鏈”的形成,使取芯管管壁附近的月壤變得疏松,減小了月壤顆粒與管壁間的摩擦阻力。同時,取芯管表面的松散月壤顆粒在沖擊應力波的驅動下向月表方向做定向運動,外壁附近的顆粒被排出到月表,內壁附近的顆粒則被向上輸送,使樣品長度與取芯管的貫入深度保持一致,實現(xiàn)“無滑差”取芯。此外,對取芯管表面進行處理,形成各向異性摩擦表面形貌,使月壤顆粒在運移方向上受到的摩擦阻力較小,反方向受到的摩擦阻力較大,則將增強單向運移效果,提高取芯效率。

        圖2 高頻沖擊貫入式取芯Fig.2 High-frequency impact type penetration coring

        因此,為在保持月壤樣品原態(tài)層理信息的基礎上提高取芯率,降低采樣功耗,應采樣高頻沖擊貫入式取芯方法。同時,在采樣器設計的過程中要考慮到取芯管中應力波的傳遞特性、顆粒單向運移特性以及取芯管表面的各向異性摩擦形貌。

        2 采樣裝置的方案設計

        2.1 采樣裝置的設計要求

        宇航員操作的沖擊貫入式月壤采樣器應具備以下幾個特點:

        1)系統(tǒng)構造要簡單,功耗低。過于復雜的機構在工作過程中容易出現(xiàn)故障,而過高的驅動能量在月面環(huán)境下無法提供。

        2)沖擊頻率與沖擊功可以調節(jié)。采集不同深度的月壤需要的能量不同,實時調整沖擊頻率能夠提高采樣效率;此外,高取芯率下采集的樣品才能夠最大程度地保持層理信息。

        3)取芯管可以自由組接。采集深層樣品需要增加取芯管的長度,過長的取芯管不便于運輸和宇航員操作,故需要多段取芯管組接完成。

        采樣裝置的特點及技術指標如圖3所示。

        圖3 采樣裝置的特點及技術指標Fig.3 Characteristics and technical indexes of sampling device

        本設計為地面環(huán)境試驗使用,可暫不考慮功耗限制條件。為保障輸出動力充足,以及后續(xù)研究的需要(提高采樣深度,破碎巖石等),參考Apollo月表鉆機的功率參數(shù)(約456W)[4],確定出本采樣裝置的設計參數(shù)如表1所示。

        表1 采樣裝置的設計參數(shù)

        2.2 采樣裝置的系統(tǒng)組成及工作原理

        采樣裝置由沖擊驅動機構、取芯機構、取芯接口和支撐單元4部分組成,如圖4所示。沖擊驅動機構為采樣裝置提供沖擊動力;取芯機構包括組接桿、取芯管以及組接接口,用于獲取月壤樣品;取芯接口連接沖擊驅動機構與取芯機構;支撐單元為其他機構提供支撐,并為宇航員提供手持操作的接口。

        圖4 沖擊貫入式月壤采樣器的工作原理Fig.4 Working principle of sampling device

        采樣工作過程中,宇航員為采樣器提供向下的鉆壓力,同時,沖擊驅動機構對取芯管施加一定頻率的沖擊,產(chǎn)生的應力波經(jīng)由取芯接口傳遞到組接桿和取芯管。當沖擊應力超過月壤的固結強度時,密實的原態(tài)月壤便會被破碎。同時,在沖擊作用下取芯管外表面的各向異性摩擦表面形貌將促進取芯管附近的月壤顆粒向上運動并排到月表,內表面的形貌破壞顆粒與管壁間力鏈的形成,使樣品保持原有狀態(tài)進入到取芯管中。在鉆壓力和沖擊力的作用下,取芯管持續(xù)深入月面。當?shù)谝桓⌒竟苓_到預定的采樣深度后將其取出,組接第二根并繼續(xù)采集樣品。采樣結束將各段取芯管封裝,完成采樣任務。

        3 采樣裝置的結構設計

        根據(jù)采樣器的設計方案,對沖擊驅動機構、取芯機構、取芯接口以及支撐單元進行詳細結構設計,滿足功能和研制要求,并將各單元進行系統(tǒng)集成,完成沖擊貫入式月壤采樣器的結構設計。

        3.1 沖擊驅動機構

        沖擊驅動機構由激振電機、傳動齒輪、凸輪機構和導向機構組成,如圖5所示。為降低機構的復雜程度,將傳動大齒輪與圓柱凸輪設計成集成式。

        圖5 沖擊驅動機構的組成Fig.5 Composition of impact drive mechanism

        傳動齒輪安裝于齒輪箱內部,兩端由軸承支撐,齒輪箱由上蓋和下蓋組成;激振電機固定于齒輪箱上蓋,電機輸出軸通過平鍵與小齒輪連接,將驅動力矩經(jīng)齒輪傳遞于與大齒輪一體式的圓柱凸輪上,從而驅動凸輪轉動;作為從動件的激振塊在凸輪的推動下向上運動,壓縮激振彈簧使之儲存能量,當激振塊上的滾子越過到凸輪輪廓的最高位置時,激振彈簧釋放能量,使激振塊迅速復位完成一次激振。

        3.2 取芯機構

        取芯機構承受來自激振塊的沖擊能量,并以應力波的形式在整套機構內傳遞,完成對月壤的剪切與采集,包括取芯管、組接桿以及組接接口,為防止在轉移過程中樣品泄漏,在取芯管前端安裝有防漏膜瓣,各結構如圖6所示。

        圖6 取芯機構的組成Fig.6 Composition of coring mechanism

        組接接口承接組接桿與取芯管,為簡化結構的復雜度,利用取芯管尾端和組接桿前端組成,故不單獨設計。微觀形貌不便于制造和研究,因而采樣機械加工方法在取芯管與組接桿表面加工出鋸齒形形貌,鋸齒形貌截面的后傾角取75°,橫向長度0.5 mm,徑向高度0.3 mm。防漏膜瓣的主體由8片0.15 mm厚的彈簧鋼片構成,采樣時受月壤擠壓力FTB而展開,采樣結束后在樣品的重力作用下返回原狀。

        3.3 取芯接口

        取芯接口由導套和直線軸承組成,如圖7所示。由于取芯管尾部結構裝配空間所限,普通直線軸承難以滿足要求,故而采用鋼球保持架替代。鋼球保持架安裝在導套內,長度小于取芯管軸頸段長度δ=2 mm,可滿足取芯管做小幅度運動,以便獲取最大的沖擊能量。

        圖7 取芯接口Fig.7 Interface of coring mechanism

        3.4 支撐單元

        支撐單元由支撐架、上支撐板、下支撐板和把手組成,如圖8所示,其中支撐架由30 mm×30 mm×2.5 mm的方鋼管焊接而成,以保證結構的強度和剛度。理論上支撐單元不承受過大的載荷和振動,但實際操作中會不可避免,因此,在把手上增加橡膠套以減緩振動對操作者的影響。

        圖8 支撐單元Fig.8 Supporting mechanism

        3.5 采樣裝置的系統(tǒng)集成

        將各功能單元集成一體,完成采樣裝置的全部設計工作,圖9所示為采樣裝置的三維模型與原理樣機。樣機包絡尺寸1 185 mm×650 mm×320 mm,重16.7 kg。

        圖9 采樣裝置集成系統(tǒng)及原理樣機Fig.9 Integrated system and principle prototype of sampling device

        4 采樣試驗研究

        利用采樣裝置原理樣機開展采樣試驗研究,采集對象為吉林省靖宇縣的紅色火山灰配制的模擬月壤。試驗內容如下:

        1)沖擊功設定為3.5 J,調整激振電機轉速,使沖擊頻率達到5 Hz,以具有各向異性摩擦表面形貌的取芯管(特制取芯管,圖10所示)為試驗對象進行采樣試驗,測量貫入深度LTS與樣品長度lTS,計算取芯率

        (1)

        增加沖擊頻率,每5 Hz重復試驗一次,直至增加到60 Hz為止,記錄每次試驗結果。

        2)以表面光滑的取芯管(圖10)為試驗對象,保持貫入深度LTS相同,重復步驟1),記錄試驗結果。(注:光滑取芯管與特制取芯管的結構和尺寸均相同,僅表面形貌不同)

        將試驗結果進行整理,繪制沖擊頻率-取芯率變化曲線,如圖11所示。

        圖10 特制取芯管與光滑取芯管Fig.10 Specially made coring tube and smooth coring tube

        圖11 采樣試驗結果Fig.11 Results of sampling experiment

        光滑取芯管與特制取芯管的取芯率變化趨勢相同。在激振頻率低于45 Hz時,取芯管中傳遞的能量較小,模擬月壤顆粒的運動幅度小,特制取芯管的各向異性摩擦表面形貌對顆粒下落的阻礙效果較強,因而特制取芯管的取芯率高于光滑取芯管的取芯率;隨著激振頻率的增加,取芯管中傳遞的能量較大,模擬月壤顆粒的運動幅度增大,逐漸超過特制取芯管表面形貌的幾何尺寸,各向異性摩擦表面形貌對顆粒下落的阻礙效果減弱,所以兩種取芯管的取芯率差異逐漸減小,甚至相同。

        5 結 論

        本文針對我國未來開展的載人登月人工采樣任務設計了一種宇航員手持式采樣裝置,用以采集原態(tài)的深層月壤樣品。主要工作與結論如下:

        1)針對靜態(tài)沖擊貫入法取芯率低的問題,提出了高頻沖擊貫入式取芯方法,并指出了該方法所涉及的關鍵科學問題:應力波的傳遞特性、顆粒的單向運移特性及各向異性摩擦表面形貌特征。

        2)基于高頻沖擊貫入式取芯的原理,設計了一種適用于宇航員手持操作的高頻沖擊貫入式采樣裝置。該采樣裝置在工作過程中可改變沖擊頻率(0~60 Hz)與沖擊功(2~4 J),以適應不同工作環(huán)境。組接式的取芯管能夠獲取深層的月壤樣品。

        3)通過模擬采樣試驗發(fā)現(xiàn),該采樣器在一定頻率范圍內(0~45 Hz),取芯率隨沖擊頻率的增加而提高,超過該頻率后則有所降低,即存在一個最優(yōu)頻率(45 Hz)。取芯管的各向異性摩擦表面形貌在低于最優(yōu)頻率時可提高取芯率,最大提高量近10%。增加沖擊頻率,提升效果逐漸降低。

        載人登月人工采樣任務中,采樣裝置不但能采集具有原態(tài)層理信息的月壤樣品,而且要便于宇航員操作。故要求采樣裝置的結構簡單,質量輕,對宇航員的反作用力小。高頻沖擊式采樣裝置可以滿足以上要求。因此,高頻沖擊式采樣裝置在我國載人登月人工采樣任務中有著廣闊的應用前景。在今后的研究工作中,將開展高頻沖擊式采樣裝置的優(yōu)化設計,實現(xiàn)低功耗、輕量化、高取芯率的目標。

        [1] 彭兢,黃昊,向開恒,等.月球無人采樣返回任務概念設想[J].航天器工程,2010,19(5):99-104. [Peng J, Huang H, Xiang K H, et al. Conception design of a lunar robotic sampling and return mission[J]. Spacecraft Engineering, 2010,19(5):99-104.]

        [2] 歐陽自遠.我國月球探測的總體科學目標與發(fā)展戰(zhàn)[J].地球科學進展,2004,19(3):351-358.[Ouyang Z Y. Scientific objectives of chinese lunar exploration project and development strategy[J]. Advance in Earth Sciences, 2004,19(3):351-358.]

        [3] Kashkarov L L, Genayeva L I, Lavrukhina A K. The radiation history of material returned by the Soviet automatic stations Luna 16 and Luna 20, according to track studies[J]. NASA Special Publication, 1977(370):745-754.

        [4] 楊帥,孫京,殷參,等.地外星體土壤取樣機構技術[J].航天器工程,2011,20(4):137-146. [Yang S, Sun J, Yin S, et al. Soil sampling technology on extraterrestrial bodies[J]. Spacecraft Engineering, 2011,20(4):137-146.]

        [5] 王禮立.應力波基礎[M].國防工業(yè)出版社,2005. [Wang L L. Foundation of stress waves[M]. National Defense Industry Press, 2005.]

        [6] Mobarakabadi S, Oskoee E N, Schr?ter M, et al. Granular transport in a horizontally vibrated sawtooth channel[J]. Physical Review E, 2013,88(4):042201.

        [責任編輯:高莎]

        High-Frequency Impact Handheld Sampling Device for Astronaut

        CHEN Huazhi1, JIANG Shengyuan1, ZHANG Ming2, ZHANG Yuliang2, SHEN Yi1, QUAN Qiquan1, LIANG Lu3, ZHANG Zhixian3

        (1.State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China; 2.Beijing Satellite Manufacture Factory, Beijing 100080, China; 3. Institute of Manned Space System Engineering, CAST, Beijing 100094, China)

        Obtaining primary lunar regolith with bedding information is one of the important targets in China’s lunar-landing and manual sampling project. A high-frequency impact handheld sampling device suitable for astronauts is designed comparing with foreign sampling techniques. The sampling device uses particle’s single-direction motion in high-frequency impact, which can keep sample’s primary bedding information, reduce power consumption, and increase coring ratio. Particle’s single-direction moving effect and coring ratio will be increased through anisotropic friction morphology on coring mechanism surface meanwhile. Law of coring ratio affected by impact frequency and surface morphology has been obtained via variable frequency coring experiment, which can be technical reference for the design of manual sampling device in China’s lunar landing project.

        manual sampling; high-frequency impact; single-direction motion; stress wave

        2014-10-16

        2015-02-30

        國家國際科技合作專項項目(2014DFR50250);載人航天領域預先研究項目(050102)

        V19

        A

        2095-7777(2015)02-0131-06

        10.15982/j.issn.2095-7777.2015.02.005

        陳化智(1989—),男,博士研究生。主要研究方向:宇航空間機構及控制。 通信地址:哈爾濱工業(yè)大學科學園3037信箱(150080) 電話:(0451)86413857 E-mail:chen_huazhi@163.com

        亚洲国产香蕉视频欧美| 亚洲国产精品无码一线岛国| 国产又猛又黄又爽| 99精品欧美一区二区三区| 国产精品亚洲综合久久婷婷| 久久精品国产亚洲AV高清y w| 少妇久久一区二区三区| 蜜桃18禁成人午夜免费网站| 日射精情感性色视频| 美女黄18以下禁止观看| 中文字幕人妻丝袜成熟乱| 三级网站亚洲三级一区| 亚洲av无码一区二区三区鸳鸯影院| 亚洲精品无码不卡在线播放he| 国产精品综合日韩精品第一页| 人成视频在线观看免费播放| 日韩精品中文字幕一区二区| 女人高潮久久久叫人喷水| 国产chinese男男gay视频网| 亚洲欧洲日韩另类自拍| 久久精品国产亚洲av试看| 亚洲av无码成人精品国产| 国产精品_国产精品_k频道| 国产主播福利一区二区| 日本女优一区二区在线免费观看| 国产精品日韩av一区二区三区| 色欲综合一区二区三区| 99在线精品免费视频| 久热综合在线亚洲精品| 91情侣视频| 亚洲av中文字字幕乱码软件 | 国产亚洲欧美日韩综合一区在线观看| 加勒比东京热综合久久| 麻豆69视频在线观看| 丰满人妻被黑人猛烈进入| 国产妇女乱一性一交| 久久综合五月天啪网亚洲精品 | 精品的一区二区三区| 亚洲六月丁香色婷婷综合久久| 视频在线国产一区二区| 亚洲最全av一区二区|