基于顆粒單向流動效應(yīng)的手持式月壤取心裝置設(shè)計

陳化智，劉榮凱，馬 超，姜生元

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

引 言

月球存在豐富的礦物資源和能源，若加以開發(fā)利用，可有效緩解未來全球性資源與能源的緊張態(tài)勢[1-5]。通過對月壤樣品進行分析，可以了解月球的地質(zhì)構(gòu)造及所蘊含的礦物元素信息，為合理開發(fā)和利用月球資源奠定基礎(chǔ)。因此，宇航員在月面上獲取具有原態(tài)層理信息的月壤剖面樣品是載人登月任務(wù)中的重要工作之一。

在人類的探月史上，前蘇聯(lián)和美國分別以無人鉆取和人工鉆取、敲擊貫入的方法成功獲取到了月壤剖面樣品[6-7]。根據(jù)返回的樣品判斷，鉆取方式采集的樣品其層理性較差，而美國“阿波羅”（Apollo）登月任務(wù)的宇航員通過敲擊薄壁取心管獲取的樣品能基本保持原態(tài)層理信息[8]。然而，由于月壤的壓縮性和顆粒形態(tài)的不規(guī)則性，取心管在貫入過程中將引起月壤顆粒之間擠密互鎖、滑行困難，并增強了顆粒與管內(nèi)外壁之間的接觸應(yīng)力，嚴重時會在管內(nèi)形成“土塞”，即管內(nèi)樣品的長度達到極限，不會隨著貫入深度的增加而增大。這將導(dǎo)致月壤在管內(nèi)的填充率降低、取心管的貫入和拔出過程受阻[9]。由此可見，取心管界面處接觸應(yīng)力的增加是降低取心性能的主要原因。

降低取心管界面處接觸應(yīng)力最直接有效的方法是將該處的月壤顆粒排出到月面。通過引入非對稱摩擦功能界面，能夠在振動條件下實現(xiàn)顆粒的單向輸送（流動）效果[10]?；谠撛?，以低功耗、高層理品質(zhì)為核心目標，本文提出了一種宇航員手持操作的月壤剖面樣品采集裝置的設(shè)計方案。利用離散單元法數(shù)值模擬軟件EDEM針對其取心性能開展了仿真研究，為取心裝置的優(yōu)化設(shè)計提供支持。

1 基于顆粒單向流動效應(yīng)的取心原理

如圖1所示，在軸線方向上對取心管施加振幅為Ac、頻率為fc的振動，則取心管在軸向壓力及振動的耦合作用下逐漸潛入到月壤中。由于取心管內(nèi)外壁具有非對稱的摩擦[11]效應(yīng)（依靠表面微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)），促使與之接觸的月壤顆粒在非對稱摩擦驅(qū)動力的作用下向上流動，最終被排出到月表并堆積在取心管附近，形成積屑域。因管壁附近的月壤（流動域）處于流動狀態(tài)，其密實度將低于未受擾動的原態(tài)月壤，與管壁的接觸應(yīng)力也相應(yīng)地有所降低，避免了管內(nèi)土塞的形成。因而，采樣阻力減小的同時，取心率（管內(nèi)樣品長度hsam與貫入深度hlim的比率）也得到了提高。

以取心管外側(cè)流動域月壤為例，其在一個振動周期內(nèi)的運動過程如圖2所示。質(zhì)量為Δms的流動域月壤顆粒集合微元（以下簡稱微元）在運動過程中受到自身重力Δmsg，上下表面月壤的擠壓應(yīng)力σz、σz+ dσz，側(cè)壁的擠壓應(yīng)力σr以及與取心管壁、外側(cè)月壤的摩擦力Fs1（或Fs2）、Fs3的綜合作用。假設(shè)流動域月壤的密度為ρs，外邊界半徑為rb，橫截面積為As、周長為ls，微元高度為dz，與取心管外壁的當(dāng)量滑動摩擦系數(shù)為μ1、μ2，與原態(tài)月壤的當(dāng)量滑動摩擦系數(shù)為μ3，建立力學(xué)平衡方程

圖1 基于顆粒單向流動效應(yīng)的取心物理模型Fig. 1 Sketch of coring based on particle directional flow method

圖2 顆粒單向流動流程及力學(xué)模型Fig. 2 Process and mechanical model of particle directional flow

其中：j為1或2。將Δms=ρsAsdz，As=π（rb2-rc2），ls=π（rb+rc）代入式（1）中，整理可得

其中：Rs=1/（rb?rc）為取心管外側(cè)流動域影響因子。式中“±”及“j”的選取根據(jù)微元與取心管的相對運動狀態(tài)進行判定[12]。

當(dāng)物體表面具有非對稱的楔形微結(jié)構(gòu)（微凸體）時，另一物體在其表面往復(fù)滑動時受到的切向阻力（當(dāng)量摩擦力）是不相等的[13]。假設(shè)切向阻力與法向力滿足經(jīng)典庫倫摩擦定律，則當(dāng)量摩擦系數(shù)與微凸體傾斜角有如圖3所示的關(guān)系。

圖3 楔形微凸體及當(dāng)量摩擦系數(shù)Fig. 3 Wedge-shaped asperity and equivalent friction coefficient

若當(dāng)量摩擦系數(shù)取值合理，則顆?？梢园l(fā)生逆重力方向的單向流動。顆粒的位移z隨時間t（用周期數(shù)表示）的變化關(guān)系[12]如圖4所示。

圖4 顆粒單向流動位移曲線Fig. 4 Particle displacement in directional flow process

根據(jù)上述原理可知，影響顆粒單向流動性能的因素除非對稱摩擦功能界面形貌參數(shù)之外，還涉及到取心管的振動參數(shù)。因此，為取心管提供振動的作動單元是取心裝置的關(guān)鍵設(shè)計部分。

2 取心裝置的設(shè)計概述

月球表面為高真空、低重力、大溫差的苛刻環(huán)境，宇航員需要穿戴宇航服進行操控作業(yè)，在很大程度上影響了操作的靈活度和范圍。因此，需要所設(shè)計的取心裝置滿足結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的要求。取心管的振幅和頻率均對顆粒的單向流動性能有較大影響，這需要激振驅(qū)動部件輸出的振幅和頻率能夠解耦可調(diào)。此外，由于取心作業(yè)的目的是獲取管內(nèi)月壤樣品并確保其層理信息，而不關(guān)注管外月壤的狀態(tài)，故可考慮采用雙管作業(yè)的方式：外層空心螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)排屑，內(nèi)層具有非對稱摩擦功能界面的取心管振動取心。該方式一方面可以減小取心管的制作難度（僅處理內(nèi)表面即可）；另一方面若振動引起的顆粒單向流動性較差，外螺旋鉆桿也仍然具有排屑功能，在一定程度上降低了取心阻力。

取心裝置由激振驅(qū)動機構(gòu)、回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)、封口機構(gòu)、操控架、螺旋鉆桿、取心管和控制單元組成，如圖5所示。激振驅(qū)動機構(gòu)與內(nèi)層的取心管連接，而回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)與外層的螺旋鉆桿連接，封口機構(gòu)位于取心管和螺旋鉆桿的末端?？刂茊卧c取心裝置本體通過線纜連接，實現(xiàn)相關(guān)信號的采集與控制。為滿足振動參數(shù)解耦和調(diào)控方便的需求，選擇電磁式激振器作為取心管的激振驅(qū)動源。

圖5 取心裝置的系統(tǒng)組成Fig. 5 Components of lunar regolith corer

激振器結(jié)構(gòu)組成見圖6，輸出的振動頻率和振幅由輸入交變電流的頻率和幅值決定，其關(guān)系如式（3）所示。其中：m為可動部件質(zhì)量；B為磁場強度；L為線圈長度；I0為交變電流峰值；F0為激振力峰值；k與c分別為系統(tǒng)的等效彈簧剛度及阻尼。當(dāng)其它系統(tǒng)參數(shù)給定時，激振器輸出的振幅、頻率及輸入的電流峰值之間有圖7所示的關(guān)系。由圖7可直觀地了解到，當(dāng)輸出振幅確定時，激振器的輸入電流隨著激振頻率的升高而顯著增加。因此，在選取激振器的型號時，要考慮其最大輸入電流是否能滿足取心管最大振幅及頻率的設(shè)計要求。

圖6 電磁式激振器的組成結(jié)構(gòu)Fig. 6 Components of electromagnetic vibrator

圖7 激振器的輸入?輸出特性Fig. 7 Input and output characteristic of the vibrator

在取心作業(yè)過程中，宇航員手持操控架對取心裝置施加一定的軸向壓力，激振驅(qū)動機構(gòu)為取心管提供激勵，結(jié)合管內(nèi)壁的非對稱摩擦功能界面，將與管壁接觸的月壤顆粒向上輸送，中心部位的月壤即為所需的樣品。與此同時，回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)使螺旋鉆桿排屑，進一步降低取心阻力。取心管的振動參數(shù)及螺旋鉆桿的轉(zhuǎn)速由控制單元調(diào)控。獲取到樣品后，螺旋鉆桿反向轉(zhuǎn)動，使封口機構(gòu)閉合，防止樣品脫落。最后向上提拉出取心裝置，拆卸取心管，完成取心作業(yè)。其中封口機構(gòu)通過平面凸輪驅(qū)動多組葉片的旋轉(zhuǎn)來控制取心管端口的開合，其組成及封口流程如圖8所示。

圖8 封口機構(gòu)及封口流程Fig. 8 Sealing mechanism and sealing procedure

凸輪支座及開合導(dǎo)套與取心管連接，無法產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動。開合導(dǎo)套設(shè)計有與葉片相配合的導(dǎo)向槽，使葉片既可以繞導(dǎo)套軸線旋轉(zhuǎn)，又能夠沿徑向滑動。平面凸輪安裝于凸輪支座中，可以繞軸線旋轉(zhuǎn)。輪齒與平面凸輪外輪廓嚙合，其轉(zhuǎn)軸為扭轉(zhuǎn)彈簧。扭轉(zhuǎn)彈簧安裝于扭簧支座內(nèi)，扭簧支座與螺旋鉆桿連接。封口時，回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機驅(qū)動螺旋鉆桿反向轉(zhuǎn)動，通過扭簧和輪齒撥動平面凸輪旋轉(zhuǎn)，從而使葉片封閉取心管端口，防止樣品脫落。封口機構(gòu)的底部安裝有密封毛氈，避免月壤顆粒進入其中而引發(fā)故障。

取心裝置的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 取心裝置的主要性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of lunar regolith corer

取心管的振幅為空載狀態(tài)下的數(shù)值，當(dāng)取心管貫入月壤中時，振幅將會降低，具體振幅值可由加速度計測量。表1中的極限取心深度為取心管的設(shè)計長度，實際深度由工況決定。

3 取心性能仿真研究

本文利用離散單元法數(shù)值模擬軟件EDEM對取心裝置的采樣性能進行研究。仿真中設(shè)置的月壤顆粒，其材料及細觀力學(xué)參數(shù)已通過與三軸壓縮試驗結(jié)果的匹配驗證[14]。顆粒粒徑3 mm，數(shù)量1.5萬個，仿真時間為10 s。螺旋鉆桿及取心管的材料為7075鋁合金，長度均為240 mm，結(jié)構(gòu)與其他尺寸參數(shù)如圖9所示。

圖9 螺旋鉆桿與取心管的構(gòu)型及尺寸Fig. 9 Spiral drilling pipe and coring pipe structures and size

取心管內(nèi)表面的微凸體構(gòu)型及尺寸如圖10所示，單位為mm。

圖10 微凸體的構(gòu)型及尺寸Fig. 10 Wedge-shaped asperity structure and size

為體現(xiàn)該裝置與傳統(tǒng)靜壓貫入取心器在取心性能上的差異，另設(shè)表面無微凸體的取心管作為對照組。各管的運動參數(shù)見表2。

表2 螺旋鉆桿與取心管的仿真運動參數(shù)Table 2 Spiral drilling pipe and coring pipe kinematics parameters in simulation

圖11所示為仿真前后顆粒的分布狀態(tài)。經(jīng)測量可得，第1組仿真結(jié)束后的取心率為95.7%，第2組的為72.9%?？梢?，與傳統(tǒng)靜壓貫入相比，采用回轉(zhuǎn)與振動相結(jié)合的方式能獲得更多的樣品，且能保持一定的層理信息。

圖11 仿真前后顆粒的分布狀態(tài)Fig. 11 Particles distribution before simulation and after simulation

圖12所示為取心過程中螺旋鉆桿和取心管在軸線方向上（z向）受到的阻力。隨著貫入深度的增加，阻力逐漸增大，在仿真結(jié)束時刻（t= 10 s），靜壓貫入受到的阻力約為回轉(zhuǎn)振動的12倍。該結(jié)果表明，通過使管壁附近的顆粒向上運移，原位月壤顆粒對螺旋鉆桿和取心管的阻礙作用大幅降低。兩種取心方式的功耗變化如圖13所示。雖然回轉(zhuǎn)振動取心的軸向阻力遠小于靜壓貫入式取心的阻力，但由于在軸向進給之外增加了回轉(zhuǎn)運動和軸向振動，使得總功耗增大。這其中回轉(zhuǎn)運動引起的功耗要大于軸向振動的功耗，如圖14所示，在最后時刻二者相差10倍左右。

圖12 軸向阻力與采樣時間的關(guān)系Fig. 12 Relationship between axial resistance and time

圖13 取心總功耗與時間的關(guān)系Fig. 13 Relationship between power consumption and time

圖14 取心功耗軸向分量與回轉(zhuǎn)分量的變化Fig. 14 Relationship between axial component and rotary component of power consumption and time

由此可見，螺旋鉆桿的回轉(zhuǎn)運動會提高取心功耗，但在取心裝置提供的動力范圍內(nèi)，為降低軸向壓力（出于月面低重力環(huán)境的考慮）并提高取心率，應(yīng)開啟回轉(zhuǎn)模式。此外，回轉(zhuǎn)功耗與轉(zhuǎn)速有密切關(guān)聯(lián)，也可以通過改變螺旋鉆桿的轉(zhuǎn)速來適當(dāng)降低。

4 結(jié) 論

本文以我國未來載人登月人工采樣任務(wù)為背景，針對傳統(tǒng)貫入式取心方式存在的貫入阻力大、取心率低等問題，提出了一種基于顆粒單向流動效應(yīng)的解決方法。文中闡述了結(jié)合振動及非對稱摩擦功能界面實現(xiàn)顆粒單向流動的基本原理。根據(jù)這一原理，提出了一種適合宇航員手持操作的取心裝置設(shè)計方案，并對關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)組成進行了詳細說明。取心裝置有回轉(zhuǎn)及振動兩種工作模式，以振動模式為主進行取心，回轉(zhuǎn)模式用以輔助降低采樣阻力及配合完成封口工作。

此外，利用離散單元法數(shù)值模擬軟件EDEM針對取心裝置的取心性能開展了仿真研究。仿真結(jié)果表明，在相同條件下與靜壓貫入的方式相比，取心率提高了22.8%，軸向阻力約降低為1/12，但總功耗增加1倍，其中回轉(zhuǎn)運動為主要因素。因此，考慮到月面低重力環(huán)境，在取心裝置所能提供的動力范圍內(nèi)，可適當(dāng)開啟回轉(zhuǎn)模式。

在后續(xù)工作中，將針對取心管的表面形貌參數(shù)、振動參數(shù)以及螺旋鉆桿的轉(zhuǎn)速對取心性能的影響進行重點研究，為取心裝置的優(yōu)化設(shè)計提供支持。