專利名稱：用于月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)及其構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于月面巡視器地面試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種用于月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)及其構(gòu)造方法。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)探月工程的開展，月面巡視器的研制成為了整個(gè)探月計(jì)劃的關(guān)鍵。巡視器本身是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，為保證它在月面的正常行駛，必須在地面對(duì)其行走能力，如移動(dòng)性能、路徑規(guī)劃及自主導(dǎo)航等功能加以綜合驗(yàn)證，以考察巡視器的工作可靠性。為了充分考核巡視器的行走性能，需要搭建相應(yīng)的月壤月貌模擬系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)月表/月海/月陸等區(qū)域的月壤環(huán)境的模擬。迄今為止，國(guó)外已建成多個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)，如前蘇聯(lián)為L(zhǎng)unokhod的研制建設(shè)了環(huán)形土壤通道模擬試驗(yàn)場(chǎng)(長(zhǎng)70m、寬4m)和綜合形貌模擬試驗(yàn)場(chǎng)(長(zhǎng)50m,寬50m),實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形坑、 溝壑和巖石等模擬。美國(guó)為Apollo的LRV地面試驗(yàn)建立了一個(gè)空間環(huán)境模擬室(SESL)和高大的人造艙，模擬月球庇護(hù)所和月球太空艙外環(huán)境。此外，國(guó)外還根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康难兄屏硕喾N模擬月壤，如JSC-I，MLS, LSS等系列。在模擬月壤的研制方面，國(guó)內(nèi)多家機(jī)構(gòu)開展了大量的研究，研制出了多種模擬月壤，用于開展科學(xué)研究、土槽試驗(yàn)以及試驗(yàn)場(chǎng)的研究。其中在巡視器原理樣機(jī)研制階段建立了一個(gè)月面巡視探測(cè)器室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)(試驗(yàn)區(qū)占地約525m2)，利用模擬月壤根據(jù)已知的月面形貌數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)造。但是，現(xiàn)有的月壤月貌模擬方法及系統(tǒng)存在以下問題模擬月壤的性能；目前模擬月壤的種類繁多，一般均是根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康奶厥庋兄频模?不能完全滿足月面巡視器地面行走試驗(yàn)中對(duì)模擬月壤各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求；模擬月壤制備方法目前多數(shù)模擬月壤的配比方法和制備工藝不適合大規(guī)模制備，如某些模擬月壤需要添加劑，在使用量較大時(shí)，成本高，且很難保證模擬月壤的均勻性。模擬月壤整備方法目前模擬月壤相關(guān)的整備方法主要是針對(duì)土槽試驗(yàn)等小規(guī)模試驗(yàn)需求提出的，當(dāng)模擬月壤的區(qū)域較大時(shí)，現(xiàn)有整備方法不能滿足模擬月壤大規(guī)模的快速鋪設(shè)整備要求，且無(wú)法保證整備后模擬月壤性能一致性的要求?；谏鲜鲈?，需要綜合考慮月面巡視器地面行走試驗(yàn)中多種試驗(yàn)類型及工況對(duì)月壤月貌的要求，研制一種適用于巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)非常必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)及其構(gòu)造方法，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)月球表面的月壤環(huán)境以及相應(yīng)地形地貌的模擬，滿足了巡視器地面行走試驗(yàn)中多種試驗(yàn)類型及工況對(duì)模擬月壤性能和地形地貌的綜合需求。本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)采用了如下的技術(shù)方案
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用于月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)，包括模擬月壤水平區(qū)、模擬月壤坡道區(qū)、模擬月坑，模擬月巖以及綜合模擬月面區(qū)，這些區(qū)域均采用模擬真實(shí)月壤力學(xué)性能的模擬月壤來構(gòu)建，其中，模擬月壤水平區(qū)內(nèi)包含至少兩種以上的模擬月壤，以用于研究巡視器在不同性能指標(biāo)的模擬月壤上的行走能力；模擬月壤坡道區(qū)內(nèi)包含至少兩種角度以上的坡度，以用于研究巡視器在不同坡度上的行走能力；模擬月坑和月巖根據(jù)試驗(yàn)需要和場(chǎng)地規(guī)劃，在模擬月壤水平區(qū)和坡道區(qū)隨機(jī)分布，以用于驗(yàn)證巡視器的越坑和越障能力， 綜合模擬月面區(qū)主要由模擬月壤構(gòu)成，包含斜面、模擬月坑以及模擬月巖的多種月面典型形貌，且隨機(jī)分布，可用于驗(yàn)證巡視器移動(dòng)性能、自主導(dǎo)航和路徑規(guī)劃等能力。其中，模擬月壤是同質(zhì)材料火山灰制成的。其中，模擬月壤是不同粒徑大小的火山灰材料混合制成的，且根據(jù)真實(shí)月壤粒徑的統(tǒng)計(jì)范圍(附圖I)確定各種月貌下的火山灰材料的粒徑配比曲線。其中，各區(qū)域內(nèi)的模擬月壤的平均厚度不小于30cm。一種用于月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)的構(gòu)造方法，包括以下步驟I)模擬月禳的制備采用同質(zhì)材料火山灰，進(jìn)行烘干、機(jī)械粉碎，篩分，并根據(jù)不同月面模擬區(qū)域?qū)δM月壤的需求按不同比例來混配不同粒徑的火山灰顆粒，其中粒徑級(jí)配是主要的控制參數(shù)以符合月壤的真實(shí)性能；2)月壤月貌模擬系統(tǒng)的構(gòu)建按照巡視器著陸區(qū)附近的月面形貌的整體布局要求，分別構(gòu)建模擬月壤水平區(qū)、 模擬月壤坡道區(qū)、模擬月坑，模擬月巖以及綜合模擬月面區(qū)，這些區(qū)域均采用模擬真實(shí)月壤力學(xué)性能的模擬月壤來構(gòu)建，構(gòu)建步驟包括初始鋪裝、逐層壓實(shí)、基本形貌整備、表層整備、 模擬月面整備和表面修飾，從而形成月壤月貌模擬系統(tǒng)。其中，模擬月壤水平區(qū)內(nèi)包含至少兩種以上的模擬月壤，以用于研究巡視器在不同性能指標(biāo)的模擬月壤上的行走能力；模擬月壤坡道區(qū)內(nèi)包含至少兩種角度以上的坡度， 以用于研究巡視器在不同坡度上的行走能力；模擬月坑和月巖根據(jù)試驗(yàn)需要和場(chǎng)地規(guī)劃， 在模擬月壤水平區(qū)和坡道區(qū)隨機(jī)分布，以用于驗(yàn)證巡視器的越坑和越障能力，綜合模擬月面區(qū)主要由模擬月壤構(gòu)成，包含斜面、模擬月坑以及模擬月巖的多種月面典型形貌，且隨機(jī)分布。優(yōu)選地，不同粒徑的火山灰的配比方式為粒徑Imm以下的質(zhì)量百分比為83. 74 100% ;粒徑O. 25mm以下的質(zhì)量百分比為59. 42 86. I % ;粒徑O. Imm以下的質(zhì)量百分比為39. 38 70. 97% ;粒徑O. 075mm以下的質(zhì)量百分比為32. 89 64. 3% ;粒徑O. Olmm以下的質(zhì)量百分比為O 15. 83% (圖I所示)。本發(fā)明的月壤月貌綜合模擬系統(tǒng)，針對(duì)巡視器的需求，采用了不同粒徑大小配比的多種同質(zhì)火山灰材料的模擬月壤，基本上覆蓋了目前我們所了解到的真實(shí)月壤粒徑統(tǒng)計(jì)范圍，同時(shí)通過逐層壓實(shí)的方法完成場(chǎng)地面積約800m2的月壤月貌綜合模擬系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)月面力學(xué)環(huán)境的模擬，并兼顧了空間幾何形貌和光學(xué)環(huán)境的特征。


圖I為真實(shí)月壤粒徑統(tǒng)計(jì)分布曲線，本發(fā)明中各種模擬月壤的粒徑級(jí)配曲線需落在該圖中兩條線之間。圖2為本發(fā)明一實(shí)施方式的用于月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)的區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖2對(duì)本發(fā)明的用于月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)作進(jìn)一步的說明。如圖2所示，本發(fā)明一實(shí)施方式的用于月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)，具體來說，整個(gè)系統(tǒng)由東側(cè)半徑15m的半圓形區(qū)域和西側(cè)15mX 30m的矩形區(qū)域組成， 系統(tǒng)中模擬月壤的平均厚度為O. 5m。東側(cè)半圓形區(qū)域中由北向南依次分布由模擬月壤2構(gòu)建的8m寬，6. 5m長(zhǎng)的8°坡，7m寬，6. 5m長(zhǎng)的15°坡和5m寬，5m長(zhǎng)的20°坡3個(gè)模擬月壤坡道區(qū)；西側(cè)由北向南7m寬的區(qū)域?yàn)槟M月壤2水平區(qū)；南側(cè)由西向東依次分布3m寬，7m 長(zhǎng)的模擬I水平區(qū)，3m寬，7m長(zhǎng)的模擬月壤3水平區(qū)和3m寬，6m長(zhǎng)的模擬月壤4水平區(qū)； 中心20mX20m為模擬月壤2構(gòu)建的綜合模擬月面區(qū)；模擬月坑和模擬月巖隨機(jī)分布在水平區(qū)，坡道區(qū)和綜合模擬月面區(qū)，其中，模擬月壤水平區(qū)用于研究巡視器在不同性能指標(biāo)的模擬月壤上的行走能力；模擬月壤坡道區(qū)內(nèi)用于研究巡視器在不同坡度上的行走能力；模擬月坑和月巖用于驗(yàn)證巡視器的越坑和越障能力，綜合模擬月面區(qū)主要由模擬月壤構(gòu)成，包含斜面、模擬月坑以及模擬月巖的多種月面典型形貌，且隨機(jī)分布。用于構(gòu)建本發(fā)明實(shí)施方式之一的月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)的構(gòu)造方法，主要包括以下步驟I)模擬月壤的制備采用同質(zhì)材料火山灰，進(jìn)行烘干、機(jī)械粉碎，篩分，并根據(jù)不同月面模擬區(qū)域?qū)δM月壤的要求按不同比例來混配不同粒徑的火山灰顆粒，其中粒徑級(jí)配是主要的控制參數(shù)以符合月壤的真實(shí)性能；2)月壤月貌模擬系統(tǒng)的構(gòu)建按照巡視器著陸區(qū)附近的月面形貌的整體布局要求，分別構(gòu)建模擬月壤水平區(qū)、 模擬月壤坡道區(qū)、模擬月坑，模擬月巖以及綜合模擬月面區(qū)，這些區(qū)域均采用模擬真實(shí)月壤力學(xué)性能的模擬月壤來構(gòu)建，構(gòu)建步驟包括初始鋪裝、逐層壓實(shí)、基本形貌整備、表層整備、 模擬月面整備和表面修飾，從而形成月壤月貌模擬系統(tǒng)。以圖2所示的月壤月貌模擬系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)中采用了 4種模擬月壤，其中模擬月壤I，模擬月壤2，模擬月壤3和模擬月壤4用于構(gòu)建模擬月壤水平區(qū)和模擬月坑；模擬月壤 2同時(shí)用于構(gòu)建模擬月壤坡道區(qū)和綜合模擬月面區(qū)；并采用模擬月壤2同質(zhì)的火山灰材料構(gòu)建模擬月巖。模擬月壤的制備以模擬月壤2為例，按照Imm以下100%，O. 25mm以下93. 6%，
O.Imm以下62. 4%, O. 075mm以下56. I %, O. Olmm以下10%的粒徑級(jí)配設(shè)計(jì)方案,對(duì)同質(zhì)材料火山灰(火山灰)按照烘干、機(jī)械粉碎和篩分，混合和檢測(cè)從而完成模擬月壤2的制備， 制備后的模擬月壤2隨機(jī)抽樣的均勻性結(jié)果與設(shè)計(jì)值誤差小于9%。系統(tǒng)的構(gòu)建以圖2所示系統(tǒng)為例，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，按照預(yù)期位置將模擬月壤I 4號(hào)分別按照初始鋪裝、逐層壓實(shí)(三層鋪裝壓實(shí))、基本形貌整備(基本幾何尺寸的確定)、表層整備(翻松、刮平)、模擬月面整備(月坑構(gòu)造和月巖埋放)和表面修飾依次完成各模擬月壤區(qū)域的構(gòu)建，構(gòu)建好的月壤月貌模擬系統(tǒng)隨機(jī)抽樣的容重相對(duì)誤差小于10%。盡管上文對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
給予了詳細(xì)描述和說明，但是應(yīng)該指明的是， 我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.用于月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)，包括模擬月壤水平區(qū)、模擬月壤坡道區(qū)、模擬月坑，模擬月巖以及綜合模擬月面區(qū)，這些區(qū)域均采用模擬真實(shí)月壤力學(xué)性能的模擬月壤來構(gòu)建，其中，模擬月壤水平區(qū)內(nèi)包含至少兩種以上的模擬月壤，以用于研究巡視器在不同性能指標(biāo)的模擬月壤上的行走能力；模擬月壤坡道區(qū)內(nèi)包含至少兩種角度以上的坡度，以用于研究巡視器在不同坡度上的行走能力；模擬月坑和月巖根據(jù)試驗(yàn)需要和場(chǎng)地規(guī)劃，在模擬月壤水平區(qū)和坡道區(qū)隨機(jī)分布，以用于驗(yàn)證巡視器的越坑和越障能力，綜合模擬月面區(qū)主要由模擬月壤構(gòu)成，包含斜面、模擬月坑以及模擬月巖的多種月面典型形貌，且隨機(jī)分布，以用于驗(yàn)證巡視器移動(dòng)性能、自主導(dǎo)航和路徑規(guī)劃的綜合能力。
2.如權(quán)利要求I所述的用于月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)，其中，每種模擬月壤是同質(zhì)材料火山灰制成的。
3.如權(quán)利要求I所述的用于月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)，其中，模擬月壤是不同粒徑大小的同質(zhì)材料火山灰混合制成的，且根據(jù)真實(shí)月壤粒徑的統(tǒng)計(jì)范圍確定各種月貌下的同質(zhì)材料火山灰的粒徑配比曲線。
4.如權(quán)利要求I所述的用于月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)，其中，各區(qū)域內(nèi)的模擬月壤的平均厚度不小于30cm。
5.一種用于月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)的構(gòu)造方法，包括以下步驟1)模擬月壤的制備采用同質(zhì)材料火山灰，進(jìn)行烘干、機(jī)械粉碎，篩分，并根據(jù)不同月面模擬區(qū)域?qū)δM月壤的性能要求按不同比例來混配不同粒徑的火山灰顆粒，其中粒徑級(jí)配是主要的控制參數(shù)以符合月壤的真實(shí)性能；2)月壤月貌模擬系統(tǒng)的構(gòu)建按照巡視器著陸區(qū)附近的月面形貌的整體布局要求，分別構(gòu)建模擬月壤水平區(qū)、模擬月壤坡道區(qū)、模擬月坑，模擬月巖以及綜合模擬月面區(qū)，這些區(qū)域均采用模擬真實(shí)月壤力學(xué)性能的模擬月壤來構(gòu)建，構(gòu)建步驟包括初始鋪裝、逐層壓實(shí)、基本形貌整備、表層整備、模擬月面整備和表面修飾，從而形成月壤月貌模擬系統(tǒng)。
6.如權(quán)利要求5所述的用于月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)的構(gòu)造方法，其中，模擬月壤水平區(qū)內(nèi)包含至少兩種以上的模擬月壤，以用于研究巡視器在不同性能指標(biāo)的模擬月壤上的行走能力；模擬月壤坡道區(qū)內(nèi)包含至少兩種角度以上的坡度，以用于研究巡視器在不同坡度上的行走能力；模擬月坑和月巖根據(jù)試驗(yàn)需要和場(chǎng)地規(guī)劃，在模擬月壤水平區(qū)和坡道區(qū)隨機(jī)分布，以用于驗(yàn)證巡視器的越坑和越障能力，綜合模擬月面區(qū)主要由模擬月壤構(gòu)成，包含斜面、模擬月坑以及模擬月巖的多種月面典型形貌，且隨機(jī)分布， 以用于驗(yàn)證巡視器移動(dòng)性能、自主導(dǎo)航和路徑規(guī)劃的綜合能力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于月面巡視器地面行走試驗(yàn)的月壤月貌模擬系統(tǒng)，包括模擬月壤水平區(qū)、模擬月壤坡道區(qū)、模擬月坑，模擬月巖以及綜合模擬月面區(qū)，這些區(qū)域均采用模擬真實(shí)月壤力學(xué)性能的模擬月壤來構(gòu)建。也公開了一種該系統(tǒng)的構(gòu)建方法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明針對(duì)巡視器的需求，采用了不同粒徑大小配比的同質(zhì)材料火山灰的模擬月壤，基本覆蓋了目前我們所了解到的真實(shí)月壤粒徑統(tǒng)計(jì)范圍，同時(shí)通過逐層壓實(shí)的方法完成場(chǎng)地面積約800m2的月壤月貌綜合模擬系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)月面力學(xué)環(huán)境的模擬，并兼顧了空間幾何形貌和光學(xué)環(huán)境的特征。
文檔編號(hào)G01M99/00GK102589910SQ20111042911
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者何玲, 黨兆龍, 馮咬齊, 孫繼鵬, 李建橋, 楊艷靜, 樊世超, 賈陽(yáng) 申請(qǐng)人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所