一種新型月壤水冰采樣系統設計及試驗驗證

馬如奇，張偉偉，姜水清，姜生元

(1. 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2. 哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室，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,月球極區水冰物質的存在性及來源性問題一直是月球探測備受關注的焦點問題[2-3],各種遙感技術被廣泛應用于月球極區探測,但受月壤礦物組分、基巖分布、地形特征等因素影響,目前的遙感探測數據尚不能給出月球極區存在水冰的直接證據[4-5]。隨著月球探測活動的再次興起,美國、俄羅斯、歐盟等相繼制定了月球極區水冰就位探測計劃,美國“揮發物調查極地探測巡視器”(VIPER)、俄羅斯Luna-25月球探測器等均已進入工程實施階段。我國已成功獲取了月球中低緯度地區月壤樣品,后續亦將對極區永久陰影坑進行就位采樣探測,以期對水冰存在性進行原位證認[6-8]。

月球極區遙感數據表明,永久陰影坑具備水冰長期賦存的溫度及環境條件,且水冰在表層、次表層均有較高分布概率,故水冰就位證認的關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,比較適用于密實度低、內聚力較小的松散星壤樣品采集,如嫦娥五號、“鳳凰號”的采樣機械臂等均采用鏟挖方式[9-10];2)鉆進采樣:是目前地外天體深層采樣的主要方式,其技術原理是利用螺旋鉆具的回轉、沖擊和進給動作,實現鉆進和取樣,技術成熟度較高,但存在質量與體積較大、作業時間長、作業功耗高、作業反力大等劣勢,通常適用于平臺質量較大、土壤密實度相對較高、硬度適中、星表駐留時間長、采樣深度較大的探測任務,嫦娥五號等采用了該種方式,獲取了1 m量級深度的月壤樣品[11-13];3)靜力貫入:以靜力擠壓方式將機具貫入路徑上的星壤向周圍擠壓以達到潛入目的,潛入速度通常較小,比較適用于對大孔隙率、低密實度星壤縱深剖面的長周期原位探測,“洞察號”探測器上的“鼴鼠”即類似此類探測方式[14-16]。從地外天體采樣技術特點及典型應用中可以看出,采樣技術途徑選擇與采樣對象特性緊密相關。

與月球中低緯度采樣任務相比,永久陰影坑獨特的光照條件、深低溫環境對含水月壤特性影響極大,深低溫環境下的含水月壤樣品采集獲取將面臨諸多全新困難:1)探測器飛躍進入永久陰影坑后,受光照條件限制無法獲得能源補充,探測器平臺需在優先維持整器存活的條件下開展采樣探測任務,故對采樣系統的作業功耗與作業時間要求極為苛刻;2)永久陰影坑月壤水冰可視為水冰與不同級配月壤顆粒的粘聚體,在深低溫環境條件下存在冰壤膠結硬化效應,硬度和機械強度很高,常規的鏟挖、鉆進、靜力貫入等技術手段,無法適應月球極區永久陰影坑月壤水冰采樣探測任務面臨的輕量化、低功耗、需快速完成任務等工程需求。

針對永久陰影坑采樣探測任務面臨的上述工程難題,本文設計了全新的次表層高硬度月壤低耗快速采樣系統:基于化學能能量密度高、能量釋放快的特點,通過化學能向動能的高效轉化,以動能侵徹方式實現對次表層高硬度月壤水冰物質的快速暴露,并采用機械臂與采樣工具實現暴露區孔洞側壁及孔底樣品的精確采集。該采樣系統對次表層高硬度月壤剖面的成孔與暴露方式,與傳統采樣方式具有原理性區別,可有效解決高強度月壤水冰對象的快速獲取難題,目前該技術國外尚無相關報道[17],具有獨特的新穎性和實用性。本文重點闡述動能侵徹造孔方式的實現原理、樣機研制及試驗效果。

1 采樣系統設計

1.1 采樣系統組成

采樣系統主要由采樣機械臂、侵徹單元、采樣單元三部分組成。其中,侵徹單元負責月壤剖面的低耗、快速、高效造孔;采樣單元布置在采樣機械臂末端,既可直接對表層低硬度月壤進行采集,也可進入侵徹空洞內實施月壤水冰樣品的定點采集;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判載荷對采樣區月壤樣品是否含水進行快速預判[18];采樣機械臂負責侵徹單元與采樣單元精確定位及樣品向探測器平臺科學分析載荷設備的精準轉移。采樣系統組成及典型作業過程如圖1中所示。

圖1 采樣系統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

根據采樣系統的組成及典型工作過程,在探測器系統飛躍進入永久陰影坑后,在永久陰影坑內的就位采樣探測任務可劃分為采樣區域選址、次表層樣品暴露、暴露區樣品采集、月壤樣品轉移釋放、月壤樣品原位分析等共計5個子任務段:

1)預判選址:根據遙感數據分析,月壤水冰在永久陰影坑表層及次表層均有分布,但并非連續分布,具有一定的隨機性;故探測器進入永久陰影坑后,需要在光譜等科學載荷的預判下進行采樣選址,盡可能選擇有價值的區域開展采樣探測;

2)侵徹成孔:選址確定后,機械臂運動至目標采樣位置并觸月支撐以保持構型,為侵徹單元建立工作條件;侵徹單元作動并將其內置爆燃劑的化學能轉換為侵徹體動能,侵徹體以動能侵徹方式完成對冰壤膠結體的撞擊破碎,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建開放的次表層采樣孔道;與此同時,侵徹單元的結構部分反向飛離機械臂,以消除侵徹單元工作過程中后坐力對采樣機械臂的影響;

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

4)樣品轉移:機械臂攜帶采樣單元運動至探測器平臺科學分析載荷接樣口,由采樣單元將采集暫存的月壤樣品精準釋放進載荷設備,實現月壤樣品的轉移與釋放;

5)樣品分析:科學載荷在收到月壤樣品后對樣品進行預處理,并對樣品的含水特性及其他揮發份進行進一步的精確分析。

上述永久陰影坑月壤水冰就位采樣探測任務的在軌工作流程可以看出,采樣系統獲取月壤樣品的關鍵是侵徹單元以動能侵徹方式對可能存在的次表層高強度月壤水冰進行侵徹破壞,快速、低耗的暴露次表層月壤水冰,以達到為采樣單元構建開放式采樣區域的目的。為此,本文將重點對基于動能侵徹的采樣區域快速構建技術進行研究與驗證。

2 侵徹單元設計

2.1 侵徹單元組成

侵徹單元主要由侵徹體、作動模塊、結構模塊等組成,如圖2中所示。其中,作動模塊包括機電接口、點火器、高能爆燃劑及相關密封組件;結構模塊為中空管狀結構,主要由高硬度合金鋼身管及碳纖維增強層組成;侵徹體安裝在結構模塊內部。

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:作動電流經機電接口傳輸至點火器后引發點火器點火,點火器點火后即可引爆其內部預置的高能爆燃劑,爆燃劑高速燃燒產生的高壓氣體推動侵徹體在結構模塊內加速后射出,并對采樣區域可能存在的高硬度月壤水冰物質進行侵徹破碎,以實現對次表層月壤樣品的快速暴露。因侵徹體動能完全來源于侵徹單元預置的爆燃劑化學能,故可大幅降低采樣系統對探測器平臺的電能需求,有效緩解了探測器平臺進入永久陰影坑后能源無法補給的工程難題。

2.2 侵徹體設計

侵徹體的幾何形狀是影響其侵徹潛入效能的主要因素?？紤]尖卵形結構的侵徹體在侵徹過程中阻力較小,在同樣出射速度下可達到更大的侵徹深度,有利于實現更深層月壤水冰的侵徹暴露,故本文將侵徹體頭部形狀設計為尖卵狀,其侵徹頭部CRH(曲徑比)設計為2?？紤]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生偏轉而影響侵徹效能,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性能,本文采用有限元方法計算了不同長徑比(侵徹體長度l與直徑d的比值)下侵徹體在侵徹過程中的偏轉特性(如圖3),以對侵徹體的長徑比進行優化設計。從計算數據可以看出:隨著侵徹體長徑比的增加,侵徹體的偏轉角隨之變小,且當長徑比達到5后,長徑比增加時對偏轉角的影響甚微,在綜合考慮侵徹體尺寸及減重需求的基礎上,確定侵徹體長徑比為5;為保證侵徹體在對高強度月壤水冰侵徹過程中不發生碰撞變形失效或結構分解,侵徹體選用高強、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,優化后的侵徹體直徑為15 mm,根據長徑比計算侵徹體長度為75 mm。

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

2.3 作動模塊設計

作動模塊主要由機電接口、點火器、高能爆燃劑及密封組件等組成,作為整個侵徹單元的能量來源,在作動模塊設計時應該綜合考慮如下各項需求:1)作動模塊需有足夠的能量,以為侵徹體提供足夠的侵徹動能;2)爆燃劑需具有高能量密度,以減少爆燃劑藥用量,減小作動模塊體積及自身重量;3)作動模塊需具有極高的可靠性,需確保整個任務過程中不存在意外點火。

針對上述需求,本文采用高燃速與高火藥力的鈍感型發射藥作為作動模塊的爆燃劑,爆燃劑的主要成分及能量示性數如表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Table 2 Energy parameters of the propellant

在侵徹單元工作過程中,爆燃劑的化學能轉化為侵徹體動能及系統內能,即作動模塊爆燃劑裝藥量是影響侵徹體侵徹速度的關鍵因素,故需對作動模塊爆燃劑的裝藥量進行精確設計。根據侵徹單元內彈道運動特性,建立侵徹體速度與時間、侵徹體膛內行程與速度關系如式(1)與式(2)所示。

(1)

(2)

式中:S為結構模塊內腔面積;P為彈道膛壓值;m為侵徹體質量;φ為侵徹體質量修正系數,取1～1.3;tp為靜力燃燒開始算起的時間;ν為任意瞬時的侵徹體運動速度。

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能,故需對侵徹體侵徹速度、膛壓、結構尺寸進行綜合設計。本文根據布拉文內彈道計算經驗公式及氣體狀態能量轉換基本方程,建立了侵徹單元內彈道學基本方程,如式(3),將式(1)(2)代入式(3)中,可得式(4)。

(3)

(4)

根據爆燃劑特性參數與侵徹單元結構參數,采用四階龍格庫塔迭代算法對其內彈道學方程進行求解,得到侵徹單元內彈道特性曲線如圖4所示。依據內彈道特性曲線,綜合考慮后確定侵徹體膛內行程長度L為200 mm、發射藥裝藥量為24 g,此時侵徹體速度約為350 m/s。

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

2.4 結構模塊設計

結構模塊是整個侵徹單元的結構主體,在侵徹單元工作過程中,作動模塊運動密封組件與結構模塊共同行成封閉腔體,爆燃劑燃燒產生的高壓氣體推動密封組件與侵徹體在結構模塊腔管內加速運動,即在工作過程中結構模塊需承受極高的膛壓,故結構模塊的設計重點是結構安全性設計。為保證結構模塊在較輕質量需求下能夠可靠承受作動膛壓,結構模塊采用了雙層結構:為適應侵徹單元作動過程中高溫、高摩擦工況,結構模塊內層結構選用了超高強度鋼(40CrNi2SiMoVA)材料;為減輕結構模塊整體重量,外層設計了碳纖維包覆層,以進一步增強結構模塊結構強度?？紤]模塊的結構安全裕度,根據圖4中的內彈道P-L曲線,在作動模塊設計參數下,侵徹單元膛壓不超過450 MPa,計算可得優化后的結構模塊標稱內徑為15 mm,外徑為30 mm,結構包絡長度為350 mm。

2.5 侵徹深度預計

侵徹深度是影響次表層月壤樣品暴露深度的關鍵影響因素,故是侵徹單元工作效率的主要評價指標。本文根據經典終點彈道學理論,采用Forrestal公式侵徹深度進行計算,如式(5)所示。

(5)

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

S=82.6(fc/106)-0.544

(6)

根據式(5)與式(6),計算可得在350 m/s的侵徹速度下,侵徹單元對不同強度月壤的侵徹深度曲線如圖5所示。

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

3 試驗驗證

3.1 樣機研制

在對采樣系統總體方案及侵徹單元進行設計的基礎上,為驗證侵徹單元設計可行性及工程實用性,本文設計并研制了3套侵徹單元工程樣機,未包覆碳纖維增強層的侵徹單元實物如圖6所示。侵徹單元整體重量約1.24 kg,包絡尺寸為Φ40×350 mm,爆燃劑標準裝藥量為24 g,理論最小侵徹深度可達187 mm,樣機詳細設計參數如表3所示。

圖6 侵徹單元實物圖Fig.6 Physical prototype of the penetration unit

表3 侵徹單元設計參數Table 3 Design parameters of the penetration unit

3.2 月壤水冰力學特性測試

力學特性是影響月壤水冰就位采樣的關鍵特性,也是直接影響侵徹單元侵徹效能的關鍵因素。故為準確驗證侵徹單元的設計可行性及工程實用性,需獲取較為準確的月壤水冰機械特性,為此本文對月壤水冰的機械特性進行了試驗研究。

月壤水冰的抗侵徹破壞特性可用其單軸抗壓強度表征,其影響因素主要包括月壤的礦物組成、粒徑級配、密實度、含水率、溫度等。與中低緯度干月壤的聚集狀態不同,月壤水冰可視為水與不同級配月壤顆粒的混合物,其在極區深低溫環境條件下存在冰壤膠結硬化效應,力學特性較干月壤得到大幅增強。為更準確獲取月壤水冰力學特性,本文根據月球極區月壤礦物組成以斜長巖為主的特點,采用斜長巖與玄武巖質模擬月壤按照7∶3的比例制備了密實度為99%的不同含水率、不同溫度條件下的模擬月壤水冰樣本,并對樣本的無側限壓單軸抗壓強度進行試驗研究,樣本單軸抗壓強度測試過程如圖7所示,模擬月壤水冰樣本具體參數如表4所示。

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

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

試驗過程中,在深低溫條件下模擬月壤水冰均表現為脆性破壞,測試數據統計結果如圖8中所示。從試驗結果可以看出: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度隨溫度降低而增大,但當溫度低于100 K后,溫度對月壤水冰的單軸抗壓強度影響逐漸趨緩,40 K與80 K的模擬月壤水冰單軸抗壓強度相當,本文中對模擬月壤水冰試驗結論與國外相關科研機構一致?？紤]LCROSS撞擊任務對極區水冰含量的分析預測值為5.6±2.9wt%,故本文選10wt%含水率的模擬月壤水冰力學特性作為侵徹單元侵徹效能驗證依據,其單軸抗壓強度約為30 MPa。

圖8 模擬月壤水冰單軸抗壓強度測試數據Fig.8 UCS test data of simulated lunar water ice

3.3 力學等效靶體測試

根據月壤水冰力學特性研究結果,月壤水冰力學特性與賦存溫度強相關,當模擬月壤水冰單軸抗壓強度為30 MPa時,要求賦存環境溫度低至40 K?？紤]侵徹單元侵徹試驗空間需求較大,在大尺度空間內構建40 K深低溫環境極其困難,且侵徹單元侵徹性能主要受模擬月壤力學特性影響,故本文基于力學特性等效性的原理,在避免構建超低溫環境的同時對侵徹單元的侵徹效能進行試驗驗證?？紤]月球極區模擬月壤水冰和混凝土材料的力學特性較為相似,其破壞特性均可采用Mohr-Coulmb屈服準則進行描述,因此本文采用單軸抗壓強度為30 MPa的混凝土靶體代替深低溫月壤水冰開展侵徹試驗。為確保力學特性等效準確性,試驗前對混凝土靶體的單軸抗壓強度進行取樣測試,試驗狀態如圖9所示。

圖9 混凝土單軸抗壓強度測試照片Fig.9 Photo ofthe lunar water ice prediction sensor

試驗共獲取靶體在3個不同區域的試樣,各試樣單軸抗壓強度測試結果如表5所示,混凝土靶體平均單軸抗壓強度值為31.98 MPa,略大于40 K時模擬月壤水冰單軸抗壓強度強度測試值,能夠達到力學等效的試驗目標。

表5 靶體單軸抗壓強度測試值Table 5 USC testing data of the penetrating target

3.4 侵徹試驗

侵徹單元侵徹試驗在室外靶場進行,試驗系統組成及布局如圖10中所示。侵徹單元實彈侵徹試驗系統主要由侵徹單元、混凝土靶體、攝像系統、高速攝影系統、侵徹單元點火裝置、數據采集系統及其他試驗輔助工裝組成。

圖10 侵徹單元試驗系統Fig.10 Testing system of the penetration unit

侵徹試驗共進行3次,試驗后靶體狀態如圖11所示。試驗后依據高速攝像測量系統對侵徹體的發射速度進行計算,并對靶體侵徹破碎區域面積、侵徹深度、侵徹形狀等進行測量,測試結果如表6所示。侵徹試驗表明:1)在侵徹單元爆燃劑實際裝藥量為28 g時,侵徹體的實際出射速度可達353.13 m/s,與設計的侵徹速度(350 m/s)相符合;2)侵徹單元對混凝土靶體的實際侵徹深度最大約為234 mm,較理論預計侵徹深度偏大,經分析主要是實際裝藥量略大于設計值及混凝土靶體與模擬月壤水冰細觀力學特性差異等因素所致;3)侵徹體表面存在摩擦劃痕但結構完整,具備對較高硬度模擬月壤水冰進行侵徹成孔的能力;侵徹體及結構模塊未發生結構變形或結構破壞,侵徹體能夠可靠承受動能撞擊,結構模塊能夠可靠承受工作膛壓;4)混凝土靶體表面呈現脆性破碎,其破碎面積可達147 mm×130 mm,對次表層物質的暴露效果較好;5)侵徹單元實際工作時間均小于1 s,對次表層物質的暴露效率遠高于鏟挖、鉆進、靜力貫入等采樣方式。

表6 侵徹試驗數據Table 6 Testing data of the penetration unit

圖11 侵徹試驗后靶體狀態Fig.11 Target state after penetration test

侵徹單元在工作過程中,侵徹體以動能侵徹方式實現對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建開放的次表層采樣區域;與此同時,侵徹單元的結構部分反向飛離機械臂,以消除侵徹單元工作過程中后坐力對采樣機械臂的擾動。在侵徹單元侵徹性能驗證試驗中,在模擬工裝接口處安裝有力傳感器,數據采集系統實時采集侵徹單元對試驗工裝的力擾動,測試結果如圖12中所示。試驗過程中,前兩次結構部分正常拋射,第三次因試驗工裝接口變形導致結構部分未正常拋射。從測試數據可以看出,在侵徹單元正常工作時,工作過程中的力擾動持續時間約200 ms,最大擾動力不超過150 N;而結構拋射失效時,擾動力將大幅增加。

圖12 侵徹單元力擾動測試Fig.12 Force disturbance test of the penetration unit

侵徹試驗結后,對靶體表面破碎區域進行清理,并采用硅膠對侵徹單元的成孔特性進行倒模驗證,如圖13所示。根據倒模形狀可確認侵徹體在侵徹過程中未發生偏轉,侵徹體長徑比參數較為合理。

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

4 結 論

針對月球極區永久陰影坑內高硬度、高強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采樣的新方法,研制了工程樣機并驗證了30 MPa模擬樣本的侵徹試驗。相比于傳統的鏟挖、鉆進等采樣方式,具有輕量化、低能耗、高效率等突出優勢,特別適用于高硬度月壤對象的快速突破與采樣?？v觀國際發展趨勢和國家后續月球探測和資源利用創新發展需求,結合本文的研究過程和試驗結果,獲得如下結論:

1) 動能侵徹能夠實現對高強度月壤對象的快速、低耗侵徹造孔,可用于月球極區永久陰影坑月壤水冰采樣探測。永久陰影坑內無光照且溫度極低,月壤水冰硬度和機械強度較高,鏟挖、鉆進等常規采樣方式突破能力有限,存在采不動、時間長、功耗大等問題,難以滿足任務對采樣效率、采樣時間、采樣功耗的要求。通過本文的研究表明,爆燃劑化學能能量密度極高,爆燃后可獲得閾值極高的動能,故侵徹單元可在毫秒級時間內實現對高硬度月壤的快速侵徹,構造出開放的暴露孔洞,為機械臂及采樣工具建立較為寬裕的采樣條件;技術具有獨特的新穎性及較好的工程可行性與實用性。

2) 通過侵徹單元與機械臂的接口設計及侵徹單元結構反向拋射設計,可有效減小侵徹單元對機械臂的作用反力。在試驗系統中,本文設計的侵徹單元通過彈性夾持式接口安裝,為侵徹單元提供機械夾持及滑環式點火;爆燃劑起爆瞬間,侵徹體向前飛出侵徹至月壤剖面,結構體從彈性夾持接口中脫離并反向拋射,侵徹單元給機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彈性夾持接口的優化設計予以控制,以滿足機械臂在軌安全作業需求,具有較好的工程應用潛力。

3) 通過調整侵徹體構型、結構單元尺寸、爆燃劑劑量等設計參數,侵徹單元可適應月壤組構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、密實度等均存在不確定性,且不同含水率、不同密實度月壤水冰的強度與可侵徹性也存在較大差異,通過調整爆燃劑劑量及優化設計參數,可有效消除月壤機械特性與賦存特性差異性對侵徹效能的影響。