人工装置与模拟月壤相互作用的土工离心模型试验研究

论文摘要

我国进行探月工程,对于开发空间资源、维护和平以及增强我国综合国力具有深远的战略意义。月球着陆器着陆冲击、月球车行走、月壤原位勘察测试取样和月球基地建设,都存在人工装置与月壤相互作用的问题。月壤的物理力学性质和工程性质对这些相互作用有重要的影响。在地球上研究这些相互作用问题,需要采用能较好地模拟真实月壤主要物理力学性质的模拟月壤,以及研究不同重力场对模拟月壤工程性质的影响。本文选用吉林靖宇火山灰作为主要原材料,通过化学分析、土粒比重、颗分、最大最小孔隙比、三轴试验等基本物理力学性质试验制备模拟月壤。试验表明:使用球磨机粉碎、过0.16mm筛的靖宇火山灰的平均粒径和抗剪强度指标比月壤小;使用雷蒙磨粉碎、过0.5mm筛的靖宇火山灰能够较好地模拟真实月壤的主要物理力学性质,可用作模拟月壤。通过土工离心模型试验研究不同重力场对推板系统、拉板系统、载荷板系统、贯入系统、冲击系统等月面探测器简化人工装置与模拟月壤相互作用的影响。1g、3g和6g重力场的试验表明:不同重力场对同一尺寸的人工装置的影响较为明显;随着加速度的增大,推板、拉板、贯入器在相同的力作用下,相应的位移均减小,即随着加速度的增大,使推板、拉板、贯入器达到一定的位移所需要的力增大,但力的增大倍数不同于重力场增大倍数;推板被推开时的推力、拉板被拉出时的拉力均与相应的加速度场存在较好的线性关系;相同压力作用下,6g时小贯入器的沉降约为3g时大贯入器沉降的2倍;不同加速度条件下,不同尺寸载荷板试验得到的模拟月壤的变形模量E均在5.1～5.4MPa之间,验证了土工离心模型试验中变形模量E的比尺因数为1;在同一加速度下,大落体冲击历时约为小落体冲击历时的两倍。随着加速度的增大,同一落体的冲击历时、加速度峰值均增大。本文研究结论,可为在地球上研究月面探测器与模拟月壤相互作用提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 模拟月壤的研究现状
• 1.2.2 月球与地球重力场不同对模拟月壤工程性质影响的研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 模拟月壤的制备
• 2.1 概述
• 2.2 模拟月壤材料的选择
• 2.2.1 月壤的化学成分和矿物组成
• 2.2.2 模拟月壤原材料的选择
• 2.3 模拟月壤初始材料的制备
• 2.4 火山灰特性参数测定和评价
• 2.4.1 火山灰试样的化学成分
• 2.4.2 土粒比重
• 2.4.2.1 过0.16mm 筛的黑色靖宇火山灰、红色靖宇火山的土粒比重
• 2.4.2.2 过 0.5mm 筛的黑色靖宇火山灰、金刚砂配合物的颗粒比重
• 2.4.3 粒径级配
• 2.4.4 颗粒形状
• 2.4.5 火山灰试样的密度、孔隙比和相对密度
• 2.4.6 模拟月壤试样的抗剪强度指标
• 2.5 本章小结
• 第3章 几种简化模型与模拟月壤相互作用的离心试验研究
• 3.1 概述
• 3.2 仪器设计
• 3.2.1 模型箱的设计
• 3.2.2 推板系统的设计
• 3.2.3 拉板系统
• 3.2.4 贯入系统的设计
• 3.2.5 载荷板系统的设计
• 3.2.6 冲击系统的设计
• 3.2.7 加压系统
• 3.3 试验方案
• 3.3.1 推板试验方案
• 3.3.2 拉板试验方案
• 3.3.3 贯入试验方案
• 3.3.4 载荷板试验方案
• 3.3.5 冲击试验方案
• 3.4 试验过程
• 3.4.1 试验准备工作
• 3.4.2 试验步骤
• 3.5 试验结果及分析
• 3.5.1 推板试验结果及分析
• 3.5.2 拉板试验结果及分析
• 3.5.3 贯入试验结果及分析
• 3.5.4 载荷板试验结果及分析
• 3.5.5 冲击试验结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 结论与建议
• 4.1 结论
• 4.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果