小行星探测器用超声波钻进锚固装置研制

发布时间：2020-06-05 11:20

【摘要】：小行星形成于太阳系初期,保留了太阳系形成初期物质的物理和化学性质,同时蕴藏着丰富的矿物资源,因此近年来,国际上掀起了对小行星探测的热潮,日本和美国相继开展了小行星表面采样探测任务。由于小行星表面引力微弱、形貌特征复杂、表面物质强度未知,小行星探测器多采用“一触即离”方式获取样品,虽然可以成功获得小行星表层及次表层的物质样品,但样品量较少,科学研究意义受到限制。为获得足够的小行星表层及次表层物质,探测器需长时间在小行星表面锚固以达到采样并返回地球的目的。本文将以我国的小行星探测任务需求为牵引,结合国内外现有的弱引力锚固技术方面的研究成果,完成小行星探测器锚固装置的方案设计和样机研制,并利用离散单元法对锚固力的影响因素进行仿真分析,最后通过试验验证锚固装置的可行性。根据已开展的对小行星的地面观测和着陆探测研究结果,确定小行星表面的形貌特征、星壤强度、温度变化范围以及引力等环境条件,并提出锚固装置的功能要求;对目前国内外弱引力下探测器锚固方案进行对比分析及优选,并完成小行星探测器锚固方案的构型设计。在锚固装置方案设计的基础上,对小行星探测器锚固装置的机械结构、控制系统进行详细设计,并完成小行星探测器锚固装置原理样机的研制。利用Box-Behnken方法在EDEM中设计虚拟物料堆积实验,匹配锚固介质颗粒间的摩擦因数、恢复系数;通过虚拟单轴压缩试验,获得抗压强度不同的两种模拟风化层材料的黏结接触模型参数;开展锚固介质材料、锚固角度、锚固深度对锚固力影响的离散元仿真研究,分析锚固介质强度、锚固角度、锚固深度对锚固力的影响规律。搭建了锚固力测量试验台,开展锚固装置在不同锚固介质表面、不同锚固角度、不同锚固时间条件下的锚固试验,验证了所研制的锚固装置工作的可行性。
【图文】：

锚固装置,探测器,彗星,鱼叉

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文了应对 67P 彗星表面微弱的引力和未知的风化层强度，“罗塞塔”号带的小型登陆器“菲莱”采用了“冰螺钉”与“鱼叉式”锚组合的锚“菲莱”与彗星表面接触时，“冰螺钉”在惯性作用下推入彗星表面供初始锚固力，如图 1-3(a)所示。“鱼叉式”锚则在探测器登陆后自动器固定在彗星表面，如图 1-3(b)所示。“冰螺钉”无法穿透坚硬的材式”锚在松软的材料中无法提供足够的锚固力。

示意图,鱼叉,锚结,示意图

”锚在松软的材料中无法提供足够的锚固力。(a) “冰螺钉” (b) “鱼叉式”锚图 1-3 “菲莱”探测器锚固装置[19]证探测器锚固的可靠性，“菲莱”携带了两个设计有可伸缩倒刺其中一个“鱼叉式”锚作为备份[34]。“鱼叉式”锚由鱼叉、火工发绕机构组成，如图 1-4 所示。在鱼叉射入彗星表面后，缠绕机构部的线缆在 8 s 内张紧至 30 N，使探测器固定在彗星表面[35,36]。
【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】：2019
【分类号】：V476.4

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