一種新型月壤水冰采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

馬如奇，張偉偉，姜水清，姜生元

(1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

0 引 言

從1961年Watson等[1]首次提出月球上可能存在水冰以來,月球極區(qū)水冰物質(zhì)的存在性及來源性問題一直是月球探測(cè)備受關(guān)注的焦點(diǎn)問題[2-3],各種遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于月球極區(qū)探測(cè),但受月壤礦物組分、基巖分布、地形特征等因素影響,目前的遙感探測(cè)數(shù)據(jù)尚不能給出月球極區(qū)存在水冰的直接證據(jù)[4-5]。隨著月球探測(cè)活動(dòng)的再次興起,美國(guó)、俄羅斯、歐盟等相繼制定了月球極區(qū)水冰就位探測(cè)計(jì)劃,美國(guó)“揮發(fā)物調(diào)查極地探測(cè)巡視器”(VIPER)、俄羅斯Luna-25月球探測(cè)器等均已進(jìn)入工程實(shí)施階段。我國(guó)已成功獲取了月球中低緯度地區(qū)月壤樣品,后續(xù)亦將對(duì)極區(qū)永久陰影坑進(jìn)行就位采樣探測(cè),以期對(duì)水冰存在性進(jìn)行原位證認(rèn)[6-8]。

月球極區(qū)遙感數(shù)據(jù)表明,永久陰影坑具備水冰長(zhǎng)期賦存的溫度及環(huán)境條件,且水冰在表層、次表層均有較高分布概率,故水冰就位證認(rèn)的關(guān)鍵是獲取永久陰影坑表層及次表層月壤樣品。地外天體次表層采樣方式主要包括鏟挖采樣、鉆進(jìn)采樣、靜力貫入等:1)鏟挖采樣:通過鏟挖方式分層逐步暴露次表層物質(zhì),比較適用于密實(shí)度低、內(nèi)聚力較小的松散星壤樣品采集,如嫦娥五號(hào)、“鳳凰號(hào)”的采樣機(jī)械臂等均采用鏟挖方式[9-10];2)鉆進(jìn)采樣:是目前地外天體深層采樣的主要方式,其技術(shù)原理是利用螺旋鉆具的回轉(zhuǎn)、沖擊和進(jìn)給動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)和取樣,技術(shù)成熟度較高,但存在質(zhì)量與體積較大、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、作業(yè)功耗高、作業(yè)反力大等劣勢(shì),通常適用于平臺(tái)質(zhì)量較大、土壤密實(shí)度相對(duì)較高、硬度適中、星表駐留時(shí)間長(zhǎng)、采樣深度較大的探測(cè)任務(wù),嫦娥五號(hào)等采用了該種方式,獲取了1 m量級(jí)深度的月壤樣品[11-13];3)靜力貫入:以靜力擠壓方式將機(jī)具貫入路徑上的星壤向周圍擠壓以達(dá)到潛入目的,潛入速度通常較小,比較適用于對(duì)大孔隙率、低密實(shí)度星壤縱深剖面的長(zhǎng)周期原位探測(cè),“洞察號(hào)”探測(cè)器上的“鼴鼠”即類似此類探測(cè)方式[14-16]。從地外天體采樣技術(shù)特點(diǎn)及典型應(yīng)用中可以看出,采樣技術(shù)途徑選擇與采樣對(duì)象特性緊密相關(guān)。

與月球中低緯度采樣任務(wù)相比,永久陰影坑獨(dú)特的光照條件、深低溫環(huán)境對(duì)含水月壤特性影響極大,深低溫環(huán)境下的含水月壤樣品采集獲取將面臨諸多全新困難:1)探測(cè)器飛躍進(jìn)入永久陰影坑后,受光照條件限制無法獲得能源補(bǔ)充,探測(cè)器平臺(tái)需在優(yōu)先維持整器存活的條件下開展采樣探測(cè)任務(wù),故對(duì)采樣系統(tǒng)的作業(yè)功耗與作業(yè)時(shí)間要求極為苛刻;2)永久陰影坑月壤水冰可視為水冰與不同級(jí)配月壤顆粒的粘聚體,在深低溫環(huán)境條件下存在冰壤膠結(jié)硬化效應(yīng),硬度和機(jī)械強(qiáng)度很高,常規(guī)的鏟挖、鉆進(jìn)、靜力貫入等技術(shù)手段,無法適應(yīng)月球極區(qū)永久陰影坑月壤水冰采樣探測(cè)任務(wù)面臨的輕量化、低功耗、需快速完成任務(wù)等工程需求。

針對(duì)永久陰影坑采樣探測(cè)任務(wù)面臨的上述工程難題,本文設(shè)計(jì)了全新的次表層高硬度月壤低耗快速采樣系統(tǒng):基于化學(xué)能能量密度高、能量釋放快的特點(diǎn),通過化學(xué)能向動(dòng)能的高效轉(zhuǎn)化,以動(dòng)能侵徹方式實(shí)現(xiàn)對(duì)次表層高硬度月壤水冰物質(zhì)的快速暴露,并采用機(jī)械臂與采樣工具實(shí)現(xiàn)暴露區(qū)孔洞側(cè)壁及孔底樣品的精確采集。該采樣系統(tǒng)對(duì)次表層高硬度月壤剖面的成孔與暴露方式,與傳統(tǒng)采樣方式具有原理性區(qū)別,可有效解決高強(qiáng)度月壤水冰對(duì)象的快速獲取難題,目前該技術(shù)國(guó)外尚無相關(guān)報(bào)道[17],具有獨(dú)特的新穎性和實(shí)用性。本文重點(diǎn)闡述動(dòng)能侵徹造孔方式的實(shí)現(xiàn)原理、樣機(jī)研制及試驗(yàn)效果。

1 采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 采樣系統(tǒng)組成

采樣系統(tǒng)主要由采樣機(jī)械臂、侵徹單元、采樣單元三部分組成。其中,侵徹單元負(fù)責(zé)月壤剖面的低耗、快速、高效造孔;采樣單元布置在采樣機(jī)械臂末端,既可直接對(duì)表層低硬度月壤進(jìn)行采集,也可進(jìn)入侵徹空洞內(nèi)實(shí)施月壤水冰樣品的定點(diǎn)采集;此外,采樣單元具備暫存不小于1.5 cm3樣品的能力,并可利用集成的含水預(yù)判載荷對(duì)采樣區(qū)月壤樣品是否含水進(jìn)行快速預(yù)判[18];采樣機(jī)械臂負(fù)責(zé)侵徹單元與采樣單元精確定位及樣品向探測(cè)器平臺(tái)科學(xué)分析載荷設(shè)備的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)移。采樣系統(tǒng)組成及典型作業(yè)過程如圖1中所示。

圖1 采樣系統(tǒng)組成及典型工作過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the composition and typical working process of the sampling system

1.2 在軌工作流程

根據(jù)采樣系統(tǒng)的組成及典型工作過程,在探測(cè)器系統(tǒng)飛躍進(jìn)入永久陰影坑后,在永久陰影坑內(nèi)的就位采樣探測(cè)任務(wù)可劃分為采樣區(qū)域選址、次表層樣品暴露、暴露區(qū)樣品采集、月壤樣品轉(zhuǎn)移釋放、月壤樣品原位分析等共計(jì)5個(gè)子任務(wù)段:

1)預(yù)判選址:根據(jù)遙感數(shù)據(jù)分析,月壤水冰在永久陰影坑表層及次表層均有分布,但并非連續(xù)分布,具有一定的隨機(jī)性;故探測(cè)器進(jìn)入永久陰影坑后,需要在光譜等科學(xué)載荷的預(yù)判下進(jìn)行采樣選址,盡可能選擇有價(jià)值的區(qū)域開展采樣探測(cè);

2)侵徹成孔:選址確定后,機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)采樣位置并觸月支撐以保持構(gòu)型,為侵徹單元建立工作條件;侵徹單元作動(dòng)并將其內(nèi)置爆燃劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為侵徹體動(dòng)能,侵徹體以動(dòng)能侵徹方式完成對(duì)冰壤膠結(jié)體的撞擊破碎,快速暴露次表層高硬度月壤水冰樣品,以為采樣單元快速構(gòu)建開放的次表層采樣孔道;與此同時(shí),侵徹單元的結(jié)構(gòu)部分反向飛離機(jī)械臂,以消除侵徹單元工作過程中后坐力對(duì)采樣機(jī)械臂的影響;

3)樣品采集:在采樣機(jī)械臂的輔助下,采樣單元對(duì)侵徹單元構(gòu)建的暴露區(qū)域進(jìn)行二次清除處理,并利用集成的傳感器對(duì)暴露區(qū)域月壤的含水特性進(jìn)行初判,對(duì)高含水概率的月壤樣品進(jìn)行定點(diǎn)采集,并暫存采集的月壤樣品;

4)樣品轉(zhuǎn)移:機(jī)械臂攜帶采樣單元運(yùn)動(dòng)至探測(cè)器平臺(tái)科學(xué)分析載荷接樣口,由采樣單元將采集暫存的月壤樣品精準(zhǔn)釋放進(jìn)載荷設(shè)備,實(shí)現(xiàn)月壤樣品的轉(zhuǎn)移與釋放;

5)樣品分析:科學(xué)載荷在收到月壤樣品后對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理,并對(duì)樣品的含水特性及其他揮發(fā)份進(jìn)行進(jìn)一步的精確分析。

上述永久陰影坑月壤水冰就位采樣探測(cè)任務(wù)的在軌工作流程可以看出,采樣系統(tǒng)獲取月壤樣品的關(guān)鍵是侵徹單元以動(dòng)能侵徹方式對(duì)可能存在的次表層高強(qiáng)度月壤水冰進(jìn)行侵徹破壞,快速、低耗的暴露次表層月壤水冰,以達(dá)到為采樣單元構(gòu)建開放式采樣區(qū)域的目的。為此,本文將重點(diǎn)對(duì)基于動(dòng)能侵徹的采樣區(qū)域快速構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行研究與驗(yàn)證。

2 侵徹單元設(shè)計(jì)

2.1 侵徹單元組成

侵徹單元主要由侵徹體、作動(dòng)模塊、結(jié)構(gòu)模塊等組成,如圖2中所示。其中,作動(dòng)模塊包括機(jī)電接口、點(diǎn)火器、高能爆燃劑及相關(guān)密封組件;結(jié)構(gòu)模塊為中空管狀結(jié)構(gòu),主要由高硬度合金鋼身管及碳纖維增強(qiáng)層組成;侵徹體安裝在結(jié)構(gòu)模塊內(nèi)部。

圖2 侵徹單元組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of the penetration unit

侵徹單元的工作過程為:作動(dòng)電流經(jīng)機(jī)電接口傳輸至點(diǎn)火器后引發(fā)點(diǎn)火器點(diǎn)火,點(diǎn)火器點(diǎn)火后即可引爆其內(nèi)部預(yù)置的高能爆燃劑,爆燃劑高速燃燒產(chǎn)生的高壓氣體推動(dòng)侵徹體在結(jié)構(gòu)模塊內(nèi)加速后射出,并對(duì)采樣區(qū)域可能存在的高硬度月壤水冰物質(zhì)進(jìn)行侵徹破碎,以實(shí)現(xiàn)對(duì)次表層月壤樣品的快速暴露。因侵徹體動(dòng)能完全來源于侵徹單元預(yù)置的爆燃劑化學(xué)能,故可大幅降低采樣系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器平臺(tái)的電能需求,有效緩解了探測(cè)器平臺(tái)進(jìn)入永久陰影坑后能源無法補(bǔ)給的工程難題。

2.2 侵徹體設(shè)計(jì)

侵徹體的幾何形狀是影響其侵徹潛入效能的主要因素。考慮尖卵形結(jié)構(gòu)的侵徹體在侵徹過程中阻力較小,在同樣出射速度下可達(dá)到更大的侵徹深度,有利于實(shí)現(xiàn)更深層月壤水冰的侵徹暴露,故本文將侵徹體頭部形狀設(shè)計(jì)為尖卵狀,其侵徹頭部CRH(曲徑比)設(shè)計(jì)為2。考慮月壤水冰可能具有不均勻特性,侵徹體在侵徹的過程中易產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)而影響侵徹效能,為確保侵徹體在侵徹過程中具有較好的抗月壤各向異性力擾動(dòng)性能,本文采用有限元方法計(jì)算了不同長(zhǎng)徑比(侵徹體長(zhǎng)度l與直徑d的比值)下侵徹體在侵徹過程中的偏轉(zhuǎn)特性(如圖3),以對(duì)侵徹體的長(zhǎng)徑比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。從計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出:隨著侵徹體長(zhǎng)徑比的增加,侵徹體的偏轉(zhuǎn)角隨之變小,且當(dāng)長(zhǎng)徑比達(dá)到5后,長(zhǎng)徑比增加時(shí)對(duì)偏轉(zhuǎn)角的影響甚微,在綜合考慮侵徹體尺寸及減重需求的基礎(chǔ)上,確定侵徹體長(zhǎng)徑比為5;為保證侵徹體在對(duì)高強(qiáng)度月壤水冰侵徹過程中不發(fā)生碰撞變形失效或結(jié)構(gòu)分解,侵徹體選用高強(qiáng)、高韌的鎳鎢合金材料;綜合考慮侵徹體與采樣單元的尺寸匹配性,優(yōu)化后的侵徹體直徑為15 mm,根據(jù)長(zhǎng)徑比計(jì)算侵徹體長(zhǎng)度為75 mm。

圖3 不同長(zhǎng)徑比侵徹特性分析Fig.3 Analysis of the penetration characteristics with different length-diameter ratios

2.3 作動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

作動(dòng)模塊主要由機(jī)電接口、點(diǎn)火器、高能爆燃劑及密封組件等組成,作為整個(gè)侵徹單元的能量來源,在作動(dòng)模塊設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該綜合考慮如下各項(xiàng)需求:1)作動(dòng)模塊需有足夠的能量,以為侵徹體提供足夠的侵徹動(dòng)能;2)爆燃劑需具有高能量密度,以減少爆燃劑藥用量,減小作動(dòng)模塊體積及自身重量;3)作動(dòng)模塊需具有極高的可靠性,需確保整個(gè)任務(wù)過程中不存在意外點(diǎn)火。

針對(duì)上述需求,本文采用高燃速與高火藥力的鈍感型發(fā)射藥作為作動(dòng)模塊的爆燃劑,爆燃劑的主要成分及能量示性數(shù)如表1及表2所示。

表1 爆燃劑主要成分Table 1 Main components of the propellant

表2 爆燃劑能量示性數(shù)Table 2 Energy parameters of the propellant

在侵徹單元工作過程中,爆燃劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為侵徹體動(dòng)能及系統(tǒng)內(nèi)能,即作動(dòng)模塊爆燃劑裝藥量是影響侵徹體侵徹速度的關(guān)鍵因素,故需對(duì)作動(dòng)模塊爆燃劑的裝藥量進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。根據(jù)侵徹單元內(nèi)彈道運(yùn)動(dòng)特性,建立侵徹體速度與時(shí)間、侵徹體膛內(nèi)行程與速度關(guān)系如式(1)與式(2)所示。

(1)

(2)

式中:S為結(jié)構(gòu)模塊內(nèi)腔面積;P為彈道膛壓值;m為侵徹體質(zhì)量;φ為侵徹體質(zhì)量修正系數(shù),取1～1.3;tp為靜力燃燒開始算起的時(shí)間;ν為任意瞬時(shí)的侵徹體運(yùn)動(dòng)速度。

侵徹單元的膛壓值過大不利于侵徹單元工作過程的安全性,膛壓值過小則不足以為侵徹體提供足夠侵徹動(dòng)能,故需對(duì)侵徹體侵徹速度、膛壓、結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。本文根據(jù)布拉文內(nèi)彈道計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式及氣體狀態(tài)能量轉(zhuǎn)換基本方程,建立了侵徹單元內(nèi)彈道學(xué)基本方程,如式(3),將式(1)(2)代入式(3)中,可得式(4)。

(3)

(4)

根據(jù)爆燃劑特性參數(shù)與侵徹單元結(jié)構(gòu)參數(shù),采用四階龍格庫塔迭代算法對(duì)其內(nèi)彈道學(xué)方程進(jìn)行求解,得到侵徹單元內(nèi)彈道特性曲線如圖4所示。依據(jù)內(nèi)彈道特性曲線,綜合考慮后確定侵徹體膛內(nèi)行程長(zhǎng)度L為200 mm、發(fā)射藥裝藥量為24 g,此時(shí)侵徹體速度約為350 m/s。

圖4 侵徹單元內(nèi)彈道特性曲線Fig.4 Internal ballistic characteristic curves of the penetration unit

2.4 結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)模塊是整個(gè)侵徹單元的結(jié)構(gòu)主體,在侵徹單元工作過程中,作動(dòng)模塊運(yùn)動(dòng)密封組件與結(jié)構(gòu)模塊共同行成封閉腔體,爆燃劑燃燒產(chǎn)生的高壓氣體推動(dòng)密封組件與侵徹體在結(jié)構(gòu)模塊腔管內(nèi)加速運(yùn)動(dòng),即在工作過程中結(jié)構(gòu)模塊需承受極高的膛壓,故結(jié)構(gòu)模塊的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)。為保證結(jié)構(gòu)模塊在較輕質(zhì)量需求下能夠可靠承受作動(dòng)膛壓,結(jié)構(gòu)模塊采用了雙層結(jié)構(gòu):為適應(yīng)侵徹單元作動(dòng)過程中高溫、高摩擦工況,結(jié)構(gòu)模塊內(nèi)層結(jié)構(gòu)選用了超高強(qiáng)度鋼(40CrNi2SiMoVA)材料;為減輕結(jié)構(gòu)模塊整體重量,外層設(shè)計(jì)了碳纖維包覆層,以進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)模塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。考慮模塊的結(jié)構(gòu)安全裕度,根據(jù)圖4中的內(nèi)彈道P-L曲線,在作動(dòng)模塊設(shè)計(jì)參數(shù)下,侵徹單元膛壓不超過450 MPa,計(jì)算可得優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模塊標(biāo)稱內(nèi)徑為15 mm,外徑為30 mm,結(jié)構(gòu)包絡(luò)長(zhǎng)度為350 mm。

2.5 侵徹深度預(yù)計(jì)

侵徹深度是影響次表層月壤樣品暴露深度的關(guān)鍵影響因素,故是侵徹單元工作效率的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文根據(jù)經(jīng)典終點(diǎn)彈道學(xué)理論,采用Forrestal公式侵徹深度進(jìn)行計(jì)算,如式(5)所示。

(5)

式中:D為侵徹深度;m為彈體質(zhì)量;d為彈體直徑;ρ為靶體密度;N為彈形系數(shù);V為侵徹速度;S為靶體強(qiáng)度系數(shù);fc為靶體單軸抗壓強(qiáng)度。按照摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則,S與靶體單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系可近似由式(6)描述。

S=82.6(fc/106)-0.544

(6)

根據(jù)式(5)與式(6),計(jì)算可得在350 m/s的侵徹速度下,侵徹單元對(duì)不同強(qiáng)度月壤的侵徹深度曲線如圖5所示。

圖5 不同強(qiáng)度月壤水冰侵徹深度Fig.5 Penetration depth of lunar soil with different UCS

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 樣機(jī)研制

在對(duì)采樣系統(tǒng)總體方案及侵徹單元進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,為驗(yàn)證侵徹單元設(shè)計(jì)可行性及工程實(shí)用性,本文設(shè)計(jì)并研制了3套侵徹單元工程樣機(jī),未包覆碳纖維增強(qiáng)層的侵徹單元實(shí)物如圖6所示。侵徹單元整體重量約1.24 kg,包絡(luò)尺寸為Φ40×350 mm,爆燃劑標(biāo)準(zhǔn)裝藥量為24 g,理論最小侵徹深度可達(dá)187 mm,樣機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

圖6 侵徹單元實(shí)物圖Fig.6 Physical prototype of the penetration unit

表3 侵徹單元設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design parameters of the penetration unit

3.2 月壤水冰力學(xué)特性測(cè)試

力學(xué)特性是影響月壤水冰就位采樣的關(guān)鍵特性,也是直接影響侵徹單元侵徹效能的關(guān)鍵因素。故為準(zhǔn)確驗(yàn)證侵徹單元的設(shè)計(jì)可行性及工程實(shí)用性,需獲取較為準(zhǔn)確的月壤水冰機(jī)械特性,為此本文對(duì)月壤水冰的機(jī)械特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

月壤水冰的抗侵徹破壞特性可用其單軸抗壓強(qiáng)度表征,其影響因素主要包括月壤的礦物組成、粒徑級(jí)配、密實(shí)度、含水率、溫度等。與中低緯度干月壤的聚集狀態(tài)不同,月壤水冰可視為水與不同級(jí)配月壤顆粒的混合物,其在極區(qū)深低溫環(huán)境條件下存在冰壤膠結(jié)硬化效應(yīng),力學(xué)特性較干月壤得到大幅增強(qiáng)。為更準(zhǔn)確獲取月壤水冰力學(xué)特性,本文根據(jù)月球極區(qū)月壤礦物組成以斜長(zhǎng)巖為主的特點(diǎn),采用斜長(zhǎng)巖與玄武巖質(zhì)模擬月壤按照7∶3的比例制備了密實(shí)度為99%的不同含水率、不同溫度條件下的模擬月壤水冰樣本,并對(duì)樣本的無側(cè)限壓?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究,樣本單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試過程如圖7所示,模擬月壤水冰樣本具體參數(shù)如表4所示。

圖7 模擬月壤水冰單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.7 UCS test of simulated lunar water ice

表4 模擬月壤水冰參數(shù)Table 4 Parameters of the simulated lunar water ice

試驗(yàn)過程中,在深低溫條件下模擬月壤水冰均表現(xiàn)為脆性破壞,測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8中所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:1)相同溫度條件下,不同含水率樣本的單軸抗壓強(qiáng)度差異較為明顯,且均隨含水率增加而增大;2)模擬月壤水冰單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度降低而增大,但當(dāng)溫度低于100 K后,溫度對(duì)月壤水冰的單軸抗壓強(qiáng)度影響逐漸趨緩,40 K與80 K的模擬月壤水冰單軸抗壓強(qiáng)度相當(dāng),本文中對(duì)模擬月壤水冰試驗(yàn)結(jié)論與國(guó)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)一致。考慮LCROSS撞擊任務(wù)對(duì)極區(qū)水冰含量的分析預(yù)測(cè)值為5.6±2.9wt%,故本文選10wt%含水率的模擬月壤水冰力學(xué)特性作為侵徹單元侵徹效能驗(yàn)證依據(jù),其單軸抗壓強(qiáng)度約為30 MPa。

圖8 模擬月壤水冰單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.8 UCS test data of simulated lunar water ice

3.3 力學(xué)等效靶體測(cè)試

根據(jù)月壤水冰力學(xué)特性研究結(jié)果,月壤水冰力學(xué)特性與賦存溫度強(qiáng)相關(guān),當(dāng)模擬月壤水冰單軸抗壓強(qiáng)度為30 MPa時(shí),要求賦存環(huán)境溫度低至40 K。考慮侵徹單元侵徹試驗(yàn)空間需求較大,在大尺度空間內(nèi)構(gòu)建40 K深低溫環(huán)境極其困難,且侵徹單元侵徹性能主要受模擬月壤力學(xué)特性影響,故本文基于力學(xué)特性等效性的原理,在避免構(gòu)建超低溫環(huán)境的同時(shí)對(duì)侵徹單元的侵徹效能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。考慮月球極區(qū)模擬月壤水冰和混凝土材料的力學(xué)特性較為相似,其破壞特性均可采用Mohr-Coulmb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行描述,因此本文采用單軸抗壓強(qiáng)度為30 MPa的混凝土靶體代替深低溫月壤水冰開展侵徹試驗(yàn)。為確保力學(xué)特性等效準(zhǔn)確性,試驗(yàn)前對(duì)混凝土靶體的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行取樣測(cè)試,試驗(yàn)狀態(tài)如圖9所示。

圖9 混凝土單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試照片F(xiàn)ig.9 Photo ofthe lunar water ice prediction sensor

試驗(yàn)共獲取靶體在3個(gè)不同區(qū)域的試樣,各試樣單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表5所示,混凝土靶體平均單軸抗壓強(qiáng)度值為31.98 MPa,略大于40 K時(shí)模擬月壤水冰單軸抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度測(cè)試值,能夠達(dá)到力學(xué)等效的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

表5 靶體單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試值Table 5 USC testing data of the penetrating target

3.4 侵徹試驗(yàn)

侵徹單元侵徹試驗(yàn)在室外靶場(chǎng)進(jìn)行,試驗(yàn)系統(tǒng)組成及布局如圖10中所示。侵徹單元實(shí)彈侵徹試驗(yàn)系統(tǒng)主要由侵徹單元、混凝土靶體、攝像系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)、侵徹單元點(diǎn)火裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其他試驗(yàn)輔助工裝組成。

圖10 侵徹單元試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.10 Testing system of the penetration unit

侵徹試驗(yàn)共進(jìn)行3次,試驗(yàn)后靶體狀態(tài)如圖11所示。試驗(yàn)后依據(jù)高速攝像測(cè)量系統(tǒng)對(duì)侵徹體的發(fā)射速度進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)靶體侵徹破碎區(qū)域面積、侵徹深度、侵徹形狀等進(jìn)行測(cè)量,測(cè)試結(jié)果如表6所示。侵徹試驗(yàn)表明:1)在侵徹單元爆燃劑實(shí)際裝藥量為28 g時(shí),侵徹體的實(shí)際出射速度可達(dá)353.13 m/s,與設(shè)計(jì)的侵徹速度(350 m/s)相符合;2)侵徹單元對(duì)混凝土靶體的實(shí)際侵徹深度最大約為234 mm,較理論預(yù)計(jì)侵徹深度偏大,經(jīng)分析主要是實(shí)際裝藥量略大于設(shè)計(jì)值及混凝土靶體與模擬月壤水冰細(xì)觀力學(xué)特性差異等因素所致;3)侵徹體表面存在摩擦劃痕但結(jié)構(gòu)完整,具備對(duì)較高硬度模擬月壤水冰進(jìn)行侵徹成孔的能力;侵徹體及結(jié)構(gòu)模塊未發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或結(jié)構(gòu)破壞,侵徹體能夠可靠承受動(dòng)能撞擊,結(jié)構(gòu)模塊能夠可靠承受工作膛壓;4)混凝土靶體表面呈現(xiàn)脆性破碎,其破碎面積可達(dá)147 mm×130 mm,對(duì)次表層物質(zhì)的暴露效果較好;5)侵徹單元實(shí)際工作時(shí)間均小于1 s,對(duì)次表層物質(zhì)的暴露效率遠(yuǎn)高于鏟挖、鉆進(jìn)、靜力貫入等采樣方式。

表6 侵徹試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 Testing data of the penetration unit

圖11 侵徹試驗(yàn)后靶體狀態(tài)Fig.11 Target state after penetration test

侵徹單元在工作過程中,侵徹體以動(dòng)能侵徹方式實(shí)現(xiàn)對(duì)高硬度月壤的成孔侵徹,快速暴露次表層高硬度月壤樣品,以為采樣單元快速構(gòu)建開放的次表層采樣區(qū)域;與此同時(shí),侵徹單元的結(jié)構(gòu)部分反向飛離機(jī)械臂,以消除侵徹單元工作過程中后坐力對(duì)采樣機(jī)械臂的擾動(dòng)。在侵徹單元侵徹性能驗(yàn)證試驗(yàn)中,在模擬工裝接口處安裝有力傳感器,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集侵徹單元對(duì)試驗(yàn)工裝的力擾動(dòng),測(cè)試結(jié)果如圖12中所示。試驗(yàn)過程中,前兩次結(jié)構(gòu)部分正常拋射,第三次因試驗(yàn)工裝接口變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部分未正常拋射。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,在侵徹單元正常工作時(shí),工作過程中的力擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間約200 ms,最大擾動(dòng)力不超過150 N;而結(jié)構(gòu)拋射失效時(shí),擾動(dòng)力將大幅增加。

圖12 侵徹單元力擾動(dòng)測(cè)試Fig.12 Force disturbance test of the penetration unit

侵徹試驗(yàn)結(jié)后,對(duì)靶體表面破碎區(qū)域進(jìn)行清理,并采用硅膠對(duì)侵徹單元的成孔特性進(jìn)行倒模驗(yàn)證,如圖13所示。根據(jù)倒模形狀可確認(rèn)侵徹體在侵徹過程中未發(fā)生偏轉(zhuǎn),侵徹體長(zhǎng)徑比參數(shù)較為合理。

圖13 侵徹體成孔狀態(tài)Fig.13 Perforating state of the penetrator

4 結(jié) 論

針對(duì)月球極區(qū)永久陰影坑內(nèi)高硬度、高強(qiáng)度月壤水冰快速高效采樣難題,本文提出了一種侵徹式造孔與孔內(nèi)采樣的新方法,研制了工程樣機(jī)并驗(yàn)證了30 MPa模擬樣本的侵徹試驗(yàn)。相比于傳統(tǒng)的鏟挖、鉆進(jìn)等采樣方式,具有輕量化、低能耗、高效率等突出優(yōu)勢(shì),特別適用于高硬度月壤對(duì)象的快速突破與采樣。縱觀國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)家后續(xù)月球探測(cè)和資源利用創(chuàng)新發(fā)展需求,結(jié)合本文的研究過程和試驗(yàn)結(jié)果,獲得如下結(jié)論:

1) 動(dòng)能侵徹能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高強(qiáng)度月壤對(duì)象的快速、低耗侵徹造孔,可用于月球極區(qū)永久陰影坑月壤水冰采樣探測(cè)。永久陰影坑內(nèi)無光照且溫度極低,月壤水冰硬度和機(jī)械強(qiáng)度較高,鏟挖、鉆進(jìn)等常規(guī)采樣方式突破能力有限,存在采不動(dòng)、時(shí)間長(zhǎng)、功耗大等問題,難以滿足任務(wù)對(duì)采樣效率、采樣時(shí)間、采樣功耗的要求。通過本文的研究表明,爆燃劑化學(xué)能能量密度極高,爆燃后可獲得閾值極高的動(dòng)能,故侵徹單元可在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)高硬度月壤的快速侵徹,構(gòu)造出開放的暴露孔洞,為機(jī)械臂及采樣工具建立較為寬裕的采樣條件;技術(shù)具有獨(dú)特的新穎性及較好的工程可行性與實(shí)用性。

2) 通過侵徹單元與機(jī)械臂的接口設(shè)計(jì)及侵徹單元結(jié)構(gòu)反向拋射設(shè)計(jì),可有效減小侵徹單元對(duì)機(jī)械臂的作用反力。在試驗(yàn)系統(tǒng)中,本文設(shè)計(jì)的侵徹單元通過彈性夾持式接口安裝,為侵徹單元提供機(jī)械夾持及滑環(huán)式點(diǎn)火;爆燃劑起爆瞬間,侵徹體向前飛出侵徹至月壤剖面,結(jié)構(gòu)體從彈性夾持接口中脫離并反向拋射,侵徹單元給機(jī)械臂的反作用力僅限于夾持摩擦力,且摩擦力大小可通過對(duì)彈性夾持接口的優(yōu)化設(shè)計(jì)予以控制,以滿足機(jī)械臂在軌安全作業(yè)需求,具有較好的工程應(yīng)用潛力。

3) 通過調(diào)整侵徹體構(gòu)型、結(jié)構(gòu)單元尺寸、爆燃劑劑量等設(shè)計(jì)參數(shù),侵徹單元可適應(yīng)月壤組構(gòu)及月壤水冰含水率等不確定性因素的影響。永久陰影坑月壤礦物組成、石塊分布、粒徑分布、密實(shí)度等均存在不確定性,且不同含水率、不同密實(shí)度月壤水冰的強(qiáng)度與可侵徹性也存在較大差異,通過調(diào)整爆燃劑劑量及優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),可有效消除月壤機(jī)械特性與賦存特性差異性對(duì)侵徹效能的影響。