模拟月壤地面力学性质试验研究

掌握与月球车行驶相关的月壤力学性质是我国月球车研制所急需的。在制备了用于月面车辆力学试验用的模拟月壤基础上,通过三轴试验得出模拟月壤的弹性模量为48.8 MPa;通过硬度测量可知,模拟月壤的硬度小于黑壤土,与石英砂接近;通过压板试验可得模拟月壤的变形指数n为1.13,变形模量K为1 056 kN/mn+2,分析可知,随着变形模量和变形指数的增大,其承压能力增大;通过履带板试验可得模拟月壤剪切变形模量k为1.2 cm,分析可知,剪切破坏模量的增大对剪切强度的影响不大,但会使剪切破坏的峰值向后移动;另外,随着内摩擦角? 和黏聚力c的增加,剪切破坏强度增大。以上研究结果可为月球车行走机构优化设计和通过性能评估提供参考和依据。     

含水率和颗粒级配对TJ-1模拟月壤力学性能影响的试验研究

月球探测2期工程中,需在地球上进行探测器软着陆过程及月面巡视探测的模拟试验,上述试验中月壤特性的模拟至关重要。通过试验研制出了适用于上述试验的Tongji-1（简称TJ-1）模拟月壤。但2期工程中可能需用到近千吨的模拟月壤,由于客观条件限制,难以满足含水率为0%、颗粒级配与目标级配完全吻合的技术要求。为此,开展了含水率及颗粒级配对TJ-1模拟月壤力学性能影响的试验研究。根据TJ-1模拟月壤在不同含水率时的力学试验结果,建立了强度参数与含水率的关系式,建议含水率上限值为3%,并通过TJ-1模拟月壤不同颗粒级配曲线下的力学性能测试,得到了级配变化的许可范围。     

我国低钛月海型模拟月壤初始物质选择的地球化学依据

以Apollo14月壤样品和美国JSC-1模拟月壤的地球化学特征为基础,结合我国低钛玄武岩火山的分布,对我国不同地区新生代玄武岩的化学成分、年龄、储量等方面进行对比分析结果表明,滇西北金沙江地区和吉林辉南红旗林场-四海地区的玄武质火山喷发物的化学成分与Apollo14月壤样品和美国JSC-1模拟月壤相似,比较适合用于我国低钛月海玄武岩模拟月壤研制的初始物质。野外地质调查发现,吉林省辉南县金川镇红旗林场—四海一带产出的玄武质火山渣为距今1600 a的该玄武质火山岩的喷发物,其储量大、质地纯、粒度均匀,而且比滇西北金沙江地区最近一期的玄武质火山渣新鲜,最适合作为我国低钛月海玄武岩模拟月壤研制的初始物质。     

模拟月壤的抗剪强度特性试验

对火山玄武岩破碎后形成的6个粒组区间的试样依规范进行直剪试验,得出不同相对密度下的内聚力和内摩擦角试验数据;根据抗剪强度参数的统计结果,按Chauvenet法剔除粗差数据,并评价变异性,以提高数据的准确性和可靠度。对试样在不同的相对密度下和不同粒组区间的力学规律进行对比、研究分析后得出:模拟月壤的内聚力为0.33~5.5kPa,内摩擦角为29.1°~35.65°;抗剪强度参数与颗粒粒径、密度具有较好的线性关系;颗粒粒径决定了密度的变化范围,这导致了抗剪强度参数在密度的一定的范围内随之变化,而总的变化趋势却是由粒径来控制的。根据以上结论,按一定颗粒级配研制模拟月壤混合样,其内聚力为0.16~1.59kPa,内摩擦角为34.8°~45.5°,符合真实月壤的实际情况。可为后续的模拟月壤研制和性能评估提供参考。     

CAS-1模拟月壤

模拟月壤是与月球月壤具有相似的矿物组成、化学成分和物理力学性质的地球物质,是月球样品的地球化学复制品.长白山龙岗火山群金龙顶子火山喷发的四海火山渣具有与阿波罗14号采集的月球样品相似的化学和矿物组成,并含有20%～40 %的玻璃物质.以四海火山渣为初始物质,研制成功CAS-1模拟月壤,并测量了CAS-1模拟月壤的主量和微量元素组成、矿物组成、密度、颗粒形态、粒度分布、抗剪性和复介电常数等参数.结果表明,CAS-1模拟月壤与Apollo 14号采集的月球样品具有相似的化学成分、矿物组成和物理力学性质,是一种理想的低钛玄武岩质模拟月壤.     

模拟月壤表层采样试验研究

月球取样方式可以分为两大类:表层月壤采样和深层月壤采样。表层月壤采样一般使用挖、铲、夹、耙、吸等方式,而深层月壤采样一般使用钻取方式。通过采用和真实月壤特性类似的模拟月壤进行地面表层采样试验,主要针对挖取和铲取的方式,检测采样过程中模拟月壤和机具的相互作用力学参数,研究模拟月壤特性和采样方式对采样过程的影响,为后期进行月球环境下的模拟试验或计算机仿真提供重要的参考。     

CAS-1模拟月壤

模拟月壤是与月球月壤具有相似的矿物组成、化学成分和物理力学性质的地球物质，是月球样品的地球化学复制品。长白山龙岗火山群金龙顶子火山喷发的四海火山渣具有与阿波罗14号采集的月球样品相似的化学和矿物组成，并含有20％～40％的玻璃物质。以四海火山渣为初始物质，研制成功CAS-1模拟月壤，并测量了CAS-1模拟月壤的主量和微量元素组成、矿物组成、密度、颗粒形态、粒度分布、抗剪性和复介电常数等参数。结果表明，CAS-1模拟月壤与Apollo 14号采集的月球样品具有相似的化学成分、矿物组成和物理力学性质，是一种理想的低钛玄武岩质模拟月壤。     

行星式球磨破碎CLRS-1模拟月壤的粒度分布特征

行星式球磨破碎CLRS-1模拟月壤可以获得与月尘粒度分布相似的模拟物质。该方法具有出料物颗粒直径十分细微、损耗率低、操作条件容易控制的特点。本文探讨了CLRS-1模拟月壤研磨后粒度分布受物料比、研磨时间和组分影响。物料比为1∶1∶2时,细化程度最好;随着球磨时间的延长,CLRS-1模拟月壤的中值粒径下降速度减缓,粒径分布范围不断缩小;研磨时间达到6h,物料达到最细,中值粒径约0.30μm。由于主要组分火山玻璃、斜长石和橄榄石之间在硬度方面存在明显差异,CLRS-1模拟月壤经研磨后的粒度分布呈现双峰模式。     

钻进取样试验用模拟月壤

[摘 要]钻具在月壤中进行钻进取样,是一个钻具与月壤相互作用的过程。为获得可靠的月壤钻具,在其研制过程中应在月壤里进行钻进试验。但地球上的真实月壤很珍贵,难以满足钻进试验的需要。采用能够较好地模拟真实月壤主要物理力学特性的模拟月壤,代替真实月壤进行钻进取样试验,是月壤钻具研制的一个必要手段。国外已对月壤进行了大量的研究,并取得了丰富的成果。本文在对真实月壤以及模拟月壤研究进行总结的基础上,对月壤钻具研制中所需的模拟月壤进行了简要的阐述,可供月壤钻具研制参考。     

基于Hapke辐射传输模型的月壤光谱模拟

由于月球采样点较少,月壤真实数据稀缺,限制了对月球科学问题的进一步研究。较全面系统地采集月壤样品在近期很难完成,开展月壤光谱模拟工作是月壤实测光谱的必要有益补充,可以为研究月壤光谱特征提供大量数据。基于Hapke模型,我们选取RELAB光谱库的斜长石、单斜辉石、斜方辉石、橄榄石、单质铁、钛铁矿、火山玻璃、熔融玻璃等典型月壤矿物,运用牛顿插值和最小二乘优化的方法,模拟了LSCC月壤数据的一定粒径、单质铁含量、观测条件及矿物混合比例下的混合光谱。模拟光谱与实测光谱拟合较好,相关系数均大于0.99,均方根误差在10-3数量级;模拟矿物丰度与实测矿物丰度基本一致;模拟SMFe含量与相对成熟度指数Is/FeO线性关系明显;模拟粒径基本落在实测粒径组范围内。最后,文中讨论了光谱吸收中心波长、吸收面积等光谱特征参数的模拟精度,以及高精度模拟光谱时光学常数的计算方法。     

模拟月壤研究进展及CUG-1A模拟月壤

利用我国东北部吉林省辉南县新生代火山岩为初始原料,初步研制了模拟月壤CUG-1A.在研究CUG-1A的化学性质的同时,重点研究了其物理力学性质.数据分析表明,CUG-1A与Apollo14采样点的月壤样品有着相似的化学成分、矿物组成和物理力学性质,是一种理想的低钛型月海月壤的模拟样品.     

Noble Gases in the Lunar Regolith

The most fundamental character of lunar soil is its high concentrations of solar-wind-implanted elements, and the concentrations and behavior of the noble gases He, Ne, Ar, and Xe, which provide unique and extensive information about a broad range of fundamental problems. In this paper, the authors studied the forming mechanism of lunar regolith, and proposed that most of the noble gases in lunar regolith come from the solar wind. Meteoroid bombardment controls the maturity of lunar soil, with the degree of maturation decreasing with grain size; the concentrations of the noble gases would be of slight variation with the depth of lunar soil but tend to decrease with grain size. In addition, the concentrations of noble gases in lunar soil also show a close relationship with its mineral and chemical compositions. The utilization prospects of the noble gas ^3He in lunar regolith will be further discussed.     

月壤及模拟月壤微观结构的研究

为了对比研究月壤与模拟月壤的微观结构,介绍了月壤的形成作用过程和5种基本颗粒类型;通过真实月壤照片,对月壤微观结构进行了分析;利用火山灰为模拟月壤主体材料,对其成分进行了检测;对模拟月壤的火山灰颗粒进行了显微图像分析试验。结果表明,月壤存在胶结物微观颗粒,胶结物颗粒具有分支的组织形态和封闭的气泡,并且有金属铁珠存在;火山灰所含的主要成分及含量与月壤相似,经过粉碎的火山灰试样棱角较为明显,其纵横比峰值略小,稍显长条状,但与月壤比较相近,而复杂度因子则略有欠缺,说明颗粒还不够粗糙和多棱     

月壤中的氦-3

除了极少数非常陡峭的山脉与撞击坑和火山通道的峭壁外，整个月球表面几乎都被一层厚度不等的月尘、岩屑和岩块的混合堆积物即月壤所覆盖。由于月球无大气层等特殊环境，太阳光长驱直入，太阳风粒子直接注入到月壤细小颗粒上使月壤中富含稀有气体等太阳风粒子组分。本文在系统阐述月壤的形成过程与形成机制的基础上，分析了月壤中稀有气体的来源及其浓度与月壤的成熟度、月壤颗粒大小、月壤矿物组成和化学成分的相关关系，进而利用已有的探测数据和分析结果，对月壤中氦-3资源的开发利用前景进行了初步评估。     

Mechanical characteristics of a lunar regolith simulant at low confining pressure

Manned lunar exploration has recently attracted renewed interest. This includes the NASA Constellation program to return humans to the Moon by 2020, the ESA Aurora program which may use the Moon as a way station to prepare for major interplanetary exploration by 2025, and the PRC program to send a human to the Moon by 2030 and build a temporary manned lunar base by 2040. One of the problems demanding a solution is the stresses on the mechanical characteristics of the lunar regolith under the microgravity environment. The gravity on the Moon is about 1/6 that on Earth. The regolith is subject to very low confining stresses under a microgravity environment and the mechanical properties can change correspondingly. Because of the limited amount of lunar regolith brought back to Earth by the Apollo missions, a lunar regolith simulant was developed using silicon carbide to investigate the properties of the lunar regolith. Based on triaxial tests, this study analyzed the mechanical properties of the lunar regolith simulant at low stresses including the shear strength, peak strength and dilatation angle. The research results provide useful information on lunar regolith characteristics for astronauts returning to the Moon and for building a temporary manned lunar base.     

一种静力触探模型箱试验装置的研制及其试验研究

设计了一套静力触探模型箱试验装置,该装置可以在模型箱水平面内任意位置进行贯入试验,贯入速率在一定范围可控,贯入倾角可调节。将该装置用于TJ-1模拟月壤静力触探力学特性的研究,试验结果表明：地基表层模拟月壤发生刺入剪切破坏;贯入阻力随贯入深度的增加而增加;探杆周围同一深度处土体的水平土压力表现出轴对称特征,其值在探头靠近土压力盒过程中逐渐增大至最大值,后随探头远离土压力盒又逐渐减小至0,且不同深度土体水平土压力峰值随贯入深度增加而增大;贯入点正下方土体的垂直土压力随贯入深度的增加而增加,主要影响范围约为距探头200 mm处。基于以上试验研究,表明该模型箱的设计是合理的,且TJ-1模拟月壤力学特性的研究成果能够为将来涉及到TJ-1模拟月壤的航天试验提供必要的技术参考。     

Microscopic contact model of lunar regolith for high efficiency discrete element analyses

The grains of lunar regolith are characterized with rough surfaces, angular shapes and mutual adhesions due to short-range interactions. These features control the macroscopic mechanical behavior of lunar regolith but have not been completely captured by contact models in previous Discrete Element Method (DEM) analyses. In this paper, a simplified two-dimensional microscopic contact model is proposed for high efficiency DEM analyses of lunar regolith. The model consists of three components in the normal, tangential and rolling directions respectively, plus two new parameters. A shape parameter is used to control the rolling resistance ability at the contact area between two particles to capture the features of grain shape and interlocking. The second parameter, micro-separation, which denotes the nominal minimum distance between the molecules of the two contacting particles, is introduced to account for van der Waals force as the major component of the short-range interactions that contribute to the adhesion of regolith grains in lunar environment conditions. The novel model has been implemented in a two-dimensional DEM code for numerical simulations of biaxial compression tests on lunar regolith. The effects of interparticle friction, grain shape, lunar environment conditions and void ratio on the strength of lunar regolith were numerically investigated. The results show that soils in the simulated lunar environment exhibit greater strength and more apparent strain-softening and shear dilatancy than on the Earth. The proposed model can capture the main features of the mechanical behavior of lunar regolith (apparent cohesion and high peak friction angle) and a wide range of strength indices can be obtained by the contact model.