月壤剖面探测机器人技术

第1章月壤剖面探测概述

1.1概述

1.2月球环境

1.3月壤剖面

1.4月壤剖面探测技术综述

第2章月壤剖面蠕动掘进式潜探技术

2.1概述

2.2蠕动掘进式潜探器设计

2.3潜探器与月壤相互作用力学模型

2.4潜探器参数优化及掘进潜入试验

2.5原位月壤力学参数辨识方法与试验

第3章月壤剖面钻进采样技术·

3.1概述

3.2月壤在排屑空间内流动模型

3.3钻杆结构参数设计

3.4钻头排屑构型设计

第4章 月岩钻进技术

4.1概述

4.2月岩单刃切削负载建模及试验

4.3模拟月岩切削破碎行为数值分析

4.4低作用力高效能模拟月岩钻进取芯钻头设计

4.5模拟月岩冲击钻进负载特性研究

第5章 贯入式月壤剖面探测技术

5.1概述

5.2贯入器贯入原理及其效能影响因素

5.3冲击作动式贯入器设计

5.4冲击传递及贯入效能试验

参考文献

名词索引

附录部分彩图

1.1概述

认识地球形成演化规律，拓展生存空间是全人类共同关注的话题。对地球以外的天体开展探测活动，可以从太阳系的宏观视角深入认识地球的演化规律，并通过开发利用地外资源解决人类可持续发展问题，进而拓展人类的生存空间。目前，地外天体探测已经作为人类航天活动的重要方向和空间科学与技术创新的重要途径，是当前和未来航天领域的发展重点之一。

月球是离地球最近的地外天体，也是地球的卫星。覆盖在月球表面的月壤物质，其综合物性蕴藏了月壤演化、成因等诸多历史信息，一直是人类地外天体探测的主要目标。我国地外天体探测技术的快速发展，积累了大量月壤物质组成和地形地貌的探测数据，促进了天体化学、行星科学及比较行星学等多门学科对星体的形成演化的认识，但是月壤剖面组构及其综合特性的全局认知缺失限制了这一核心基础科学问题的进一步深入和拓展。因此，探测月壤剖面是基础科学问题研究和工程应用技术攻关的迫切需求，同时是面向人类探索地外水、寻找地外生命存在依据和探究行星基础科学问题的需要。

（1)探索地外水、寻找地外生命存在依据的需要。水是太阳系形成演化过程中的重要参与者，从最初的太阳星云到太阳系各天体的形成，从地球到八大行星的演化，从地球岩浆演化到全球气候变化，再从有机物的形成到生命的出现，这些行星科学、地球科学和生命科学的核心问题都与水息息相关。自20世纪60年代以来，人类针对月球、火星等地外天体是否存在水、水以何种形态存在、储藏丰度如何等科学问题开展了持续性探索，利用地基遥感、星载遥感、着陆就位探测等方式，已初步探明月球极区和火星地下均存在水冰物质。随着天体水科学问题研究的深入以及深空探测技术的发展，地外天体水冰物质的原位精准勘查已经成为深空探测领域的前沿和热点问题。受遥感等探测方式远距离、非接触测量原理的制约，目前的探测结果还比较粗略，无法精确获取含水冰月壤的综合物性以及水冰物质在纵深剖面中的分布规律及其同位素特征等数据。而这些信息恰恰是未来星球基地建设和水资源开发与原位利用的前提及依据，也是理解太阳系天体水的来源、早期地球及行星差异演化、生命起源演化等核心科学问题的关键证据。因此，开展月壤水冰在纵深剖面分布特性的精准勘查，为揭示天体中水的来源问题提供科学证据，同时进一步满足天体水资源开发与原位利用的工程需求。

（2）探究行星基础科学问题的需要。月壤演化、太空风化、星体表面热辐射和传输过程是行星科学研究的重要内容，体现了星体形成后经历的长达约30亿年的历史变迁。太阳系固体星球在完成早期的吸积增生和熔融分异后，形成一个由不同类型岩石组成的固体壳层，这一岩石壳层在随后的几十亿年中不断经受陨石的撞击、太阳风粒子和高能宇宙射线的轰击等太空风化的作用，岩体被撞击破碎、挖掘混合及辐射改造，在不同星体上形成了性质特征各异的土壤。这些月壤在没有生物扰动的情况下完整地保存了星体演化后期的重要过程信息。月壤的颗粒大小、颗粒形态、密度和孔隙度、堆积组构特征等机械物理特性都是由星体自身环境条件以及月壤形成过程中的各种物理和化学风化过程所决定的。在星体的演化过程中，来自外部的太阳辐射和来自星体内部的热流是月壤层的两个热源，决定着月壤层内部的温度变化，与星体水的储存和逃逸密不可分。月壤的热物理特性是理解和认识星体表面热辐射及传输过程的重要参数，受月壤颗粒大小、颗粒形态、密度和孔隙度、堆积组构特征等的影响。因此，对于基础科学问题，随着对月壤演化、太空风化、星体表面热辐射和传输过程研究的深入，迫切需要针对地外天体的月壤剖面开展探测与研究，这将对月壤综合物性的有限认识进行拓展，将月壤物性静态、准静态参数拓展到包含反映动态特性较完备的参数体系。

自20世纪60年代以来，人类已经对月球相继开展了多次探测活动，通过遥感探测、就位探测以及采样返回物的地面测分析，为人类认知月壤剖面提供了基础依据。月壤剖面具有大纵深的特点，探测点的月壤物理组构难以精确预估。月壤物质形态尺度差异大、分布不规律，可能包含高密度月壤颗粒聚合物、块状岩石、冰壤混合物、纯冰等多种形态。同时月面工作环境、系统质量/动力、遥操作、无人自主作业等条件限制也为月壤剖面探测机具设计带来了挑战。

本书主要内容包括月壤性质及其模拟、机土作用力学基础、探测原理及系统方案设计、作业机具优化设计、作业工况辨识及智能控制、随钻智能传感及月壤特性参数反演、数据关联比对与推演以及地面演示验证试验等，内容设置兼顾学术研究与工程实施，实现技术体系的全面覆盖，系统性较强，将为我国实施地外天体剖面智能探测任务提供方案借鉴和技术支撑。