小行星星壤低速侵入過(guò)程力學(xué)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究

張 熇，郭 璠，于 洋，孫啟臣，趙 曾，金敬福，呂 雷

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2.北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100191；3.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；4.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；5.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；6.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

0 引 言

近地小行星探測(cè)是21世紀(jì)國(guó)際深空探測(cè)的熱點(diǎn)之一。目前已探明的近地小行星主要為碎石堆結(jié)構(gòu)，表面通常存在星壤——由微米級(jí)塵埃到厘米級(jí)碎石組成的顆粒態(tài)介質(zhì)。近10年來(lái)隼鳥號(hào)(Hayabusa)、隼鳥2號(hào)(Hayabusa 2)、OSIRIS-REx(Origins,Spectral Interpretation,Resource Identific-ation,Security,Regolith Explorer)等任務(wù)均成功對(duì)顆粒狀星壤實(shí)現(xiàn)了采樣。

在采樣任務(wù)中探測(cè)器須與星壤接觸，因此不可避免地會(huì)對(duì)星壤產(chǎn)生擾動(dòng)。作為顆粒物質(zhì)，小行星星壤與地壤、月壤、火壤等在形貌和組份具有一定的相似性，但由于小行星表面引力微弱，以及顆粒的離散性、顆粒間的摩擦和非彈性碰撞的非線性耗散特性，使得星壤可能會(huì)呈現(xiàn)出介于固體和流體之間的復(fù)雜力學(xué)性質(zhì)。隼鳥號(hào)反演出小行星糸川(Itokawa)的星壤具有較高的強(qiáng)度，使探測(cè)器發(fā)生了反彈[1]。OSIRIS-REx探測(cè)器在采樣過(guò)程中速度幾乎沒(méi)有減小，且星壤受采樣器侵入發(fā)生了劇烈飛濺[2]，表明小行星貝努(Bennu)的星壤強(qiáng)度很低。隼鳥2號(hào)利用攜帶的小型撞擊器(Small carry-on impactor,SCI)在軌實(shí)施了星壤撞擊實(shí)驗(yàn)，推斷小行星龍宮(Ryugu)表面星壤強(qiáng)度極低，約為0.1 Pa～1.3 Pa[3]。這些任務(wù)結(jié)果表明，近地小行星表面的星壤強(qiáng)度存在極大的不確定性，可能很低(如貝努和龍宮)，也可能較高,足以使探測(cè)器反彈(如糸川)。為應(yīng)對(duì)星壤的不確定性，上述采樣任務(wù)均采用一觸即走(touch and go)方式，即探測(cè)器在與星壤接觸僅幾秒后就離開小行星表面，如OSIRIS-REx接觸表面約6 s[4]，隼鳥號(hào)和隼鳥2號(hào)接觸表面僅1 s[5]，這大大限制采樣和原位探測(cè)的科學(xué)產(chǎn)出，也難以支撐未來(lái)小行星原位資源開發(fā)利用等活動(dòng)的開展。

我國(guó)正在針對(duì)一顆直徑約40～100 m的近地小行星2016 HO3，開展近距探測(cè)和采樣返回技術(shù)研究[6]。為實(shí)現(xiàn)樣品的可靠收集，延長(zhǎng)表面停留時(shí)間、確定星壤承載特性及其與探測(cè)器的動(dòng)力學(xué)相互作用，是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。而目前土力學(xué)的常規(guī)宏觀本構(gòu)模型，一般無(wú)法直接用于解決微重力下的星壤響應(yīng)問(wèn)題。顆粒介質(zhì)的動(dòng)力學(xué)研究，在理論和數(shù)值仿真上還存在很多局限性。因此，可依據(jù)獲取的小行星表面遙測(cè)數(shù)據(jù)，推斷其表面物質(zhì)組成，選用合適的模擬星壤原料，制備出物理力學(xué)屬性相似的模擬星壤，引入包括重力水平、粒徑級(jí)配、孔隙率、接觸速度等真實(shí)物理參數(shù)，對(duì)探測(cè)器與星壤顆粒的實(shí)際物理作用過(guò)程開展深入的實(shí)驗(yàn)研究[7]。

1 相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

已有多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)開展了理論和數(shù)值工作研究了小行星表面顆粒物質(zhì)的行為。Ballouz等[8]和Thuillet等[9]分別對(duì)OSIRIS-REx采樣過(guò)程和微型小行星著陸器著陸過(guò)程的星壤響應(yīng)進(jìn)行了分析，但均僅通過(guò)地面重力環(huán)境的實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)。目前專門研究微重力下星壤對(duì)侵入物響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)較少。Brisset等[10-11]以航天飛機(jī)、失重飛機(jī)、落塔等微重力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在不同的微重力水平下開展了厘米尺寸球形物體撞擊毫米至厘米顆粒星壤模擬物的一系列實(shí)驗(yàn)，包括COLLIDE實(shí)驗(yàn)，在航天飛機(jī)和火箭上模擬了<10-4g重力水平，測(cè)試了撞擊物以0.01～1.2 m/s速度撞擊JSC-1，JSC Mars-1和石英砂模擬物的過(guò)程；PRIME實(shí)驗(yàn)，在拋物線飛機(jī)上模擬了<10-2g重力水平，測(cè)試了撞擊物以0.04～2.3 m/s速度撞擊與COLLIDE相同狀態(tài)模擬物的過(guò)程；PRIME-D實(shí)驗(yàn)，在落塔內(nèi)模擬了10-4g重力水平，測(cè)試了撞擊物以0.07～2 m/s速度撞擊奧蓋爾(Orgueil)隕石模擬物的過(guò)程。這些實(shí)驗(yàn)研究了在不同微重力水平下撞擊所產(chǎn)的濺射物的狀態(tài)，結(jié)果表明隨重力水平不同，濺射速度、濺射質(zhì)量以及碰撞恢復(fù)系數(shù)、撞擊穿透深度等均會(huì)發(fā)生變化。Gautier等[12]利用ZARM落塔測(cè)試了4 kg的1U立方星以0.15 m/s速度觸碰碎石模擬物的過(guò)程，測(cè)量出碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.26±0.03。Bui等[13]利用失重飛機(jī)模擬了0倍、1/6倍、1/2倍，1倍和2倍的地球重力加速度環(huán)境，測(cè)量了豐浦砂(Toyoura sand)和月壤模擬物FJS-1的承載強(qiáng)度，結(jié)果表明模擬物的極限抗壓強(qiáng)度隨重力水平的增加而增大，且FJS-1的增大趨勢(shì)較豐浦砂明顯，歸因于兩種模擬物的內(nèi)聚力差異。EMPANADA實(shí)驗(yàn)[14]利用失重飛機(jī)模擬了地球、火星、月球和微重力的不同重力水平，采用光彈性顆粒物理可視化技術(shù)研究了一根柔性探針插入雙粒徑厘米級(jí)球形顆粒床的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，結(jié)果離散發(fā)生的粘滑失效(stick-slip failure)事件的大小和頻率都隨著重力加速度的增大而增加。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明碎石堆小行星星壤的動(dòng)力學(xué)行為與類地行星表面的星壤可能存在顯著區(qū)別。然而，對(duì)研究采樣、著陸等過(guò)程中星壤的響應(yīng)，這些實(shí)驗(yàn)均存在不足。COLLIDE,PRIME和PRIME-D實(shí)驗(yàn)沒(méi)有關(guān)注模擬物的響應(yīng)，所測(cè)試的侵入速度絕大多數(shù)≥0.1 m/s，且撞擊物的質(zhì)量很小，不能真實(shí)反映較大質(zhì)量的探測(cè)器以恒定低速下降的方式接觸星壤的過(guò)程；Bui等進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和EMPANADA實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究的是不同重力水平對(duì)顆粒模擬物響應(yīng)的影響，但實(shí)驗(yàn)中顆粒床采用平面二維設(shè)置，并沒(méi)有研究和排除邊界效應(yīng)(boundary effect)的影響。此外，以往實(shí)驗(yàn)均沒(méi)有關(guān)注星壤的承載特性，而承載特性是決定探測(cè)器采樣與著陸安全的關(guān)鍵參數(shù)。

國(guó)內(nèi)宇航領(lǐng)域在微重力實(shí)驗(yàn)和顆粒研究方面分別取得了一定成果。劉福才等[15]設(shè)計(jì)了一套基于單關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂試驗(yàn)裝置，開展了落塔微重力及地面重力環(huán)境試驗(yàn)，對(duì)比分析了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的差異，辨識(shí)了電機(jī)的摩擦參數(shù)，修正了機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型。耿動(dòng)梁等[16]針對(duì)登月著陸器發(fā)動(dòng)機(jī)羽流與月壤顆粒相互作用問(wèn)題提出了一種新的流固耦合迭代算法，可獲得羽流所揚(yáng)起的月壤顆粒隨時(shí)間的質(zhì)量分布等，并依據(jù)阿波羅任務(wù)的在軌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了算法的正確性。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)小行星星壤特性的研究鮮有報(bào)道，且尚未開展過(guò)相關(guān)的微重力試驗(yàn)。

2 微重力星壤力學(xué)特性落塔實(shí)驗(yàn)

為了在貼近真實(shí)的力學(xué)環(huán)境下探究星壤的響應(yīng)，本文設(shè)計(jì)并開展了微重力星壤力學(xué)特性落塔實(shí)驗(yàn)，基于落塔精確地建立微重力環(huán)境，利用恒速加載的方式模擬探測(cè)器的著陸足墊或采樣裝置與星壤的接觸過(guò)程，并在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量加載力-侵入深度曲線直接獲得星壤的承載特性；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置較大尺寸范圍的模擬星壤以減輕實(shí)驗(yàn)邊界效應(yīng)的影響，并通過(guò)測(cè)量邊界的應(yīng)力狀態(tài)以監(jiān)測(cè)邊界效應(yīng)的變化。本文的星壤研究對(duì)象為無(wú)黏性巖質(zhì)星壤，其常見(jiàn)于近地小行星的表面。OSIRIS-REx觀察到貝努撞擊坑內(nèi)的顆粒存在流動(dòng)過(guò)程[17]，表明星壤黏性很低。由隼鳥2號(hào)的SCI所形成的撞擊坑直徑推測(cè)，龍宮表面的星壤也主要由無(wú)黏性物質(zhì)組成[3]。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1.1落塔

實(shí)驗(yàn)使用中國(guó)科學(xué)院微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的落塔，高116 m，自由落體實(shí)驗(yàn)可獲得3.6 s的微重力時(shí)間。使用單艙模式，微重力水平優(yōu)于10-2g，最多可搭載70 kg實(shí)驗(yàn)載荷。本次實(shí)驗(yàn)使用的落艙如圖1所示，由落艙底部安裝的配電與通信單元為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供供電與無(wú)線通信功能。

2.1.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的布局如圖2所示，主要由真空罐、顆粒床、加載裝置、控制單元、圖像測(cè)量系統(tǒng)和力測(cè)量系統(tǒng)組成。真空罐能提供低于60 Pa的近似真空環(huán)境，可消除空氣的黏性流體效應(yīng)和水蒸氣所產(chǎn)生的顆粒間作用力，降低對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。罐體為圓柱形，柱面為全透明有機(jī)玻璃，可滿足相機(jī)從罐外拍攝的需求。顆粒床能完全貼合并固定在真空罐內(nèi)的底蓋上，避免由于實(shí)驗(yàn)起始時(shí)的重力環(huán)境突變而導(dǎo)致的模擬物漂浮情況[12]，尺寸為400 mm×300 mm×200 mm。加載裝置安裝在真空罐內(nèi)的頂蓋上，由控制單元控制，利用直線電缸提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，能提供持續(xù)、穩(wěn)定的勻速直線下壓運(yùn)動(dòng)，加載行程100 mm，加載速度0～30 mm/s±0.02 mm/s可調(diào)。加載裝置末端裝有圓形的壓盤,模擬探測(cè)器采樣器或足墊外形。圖像測(cè)量系統(tǒng)由2臺(tái)黑白高速相機(jī)、1臺(tái)彩色高速相機(jī)、LED燈和標(biāo)定板組成，能夠從不同角度實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬物的形貌測(cè)量，利用反射鏡縮短成像距離，可滿足落艙的空間約束，分辨率1024×1024，幀率200 fps。力測(cè)量系統(tǒng)由位置傳感器、壓力傳感器、土壓力傳感器、數(shù)據(jù)記錄儀和鋰電池組成。壓力傳感器用于測(cè)量加載力，為應(yīng)變式傳感器，量程50 N,1000 N可選，測(cè)量精度0.2%F.S.；土壓力傳感器用于測(cè)量顆粒床的邊界壓力，為BW箔式微型壓力盒，量程30 kPa，精度0.5%F.S.。數(shù)據(jù)記錄儀負(fù)責(zé)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的力測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，采集頻率900 Hz。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件組成及布局圖Fig.2 Hardware composition and layout of the experiment system

模擬物分為單一粒徑和級(jí)配粒徑兩類。單一粒徑易于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的重復(fù)設(shè)置，便于后續(xù)開展仿真對(duì)比分析，考慮實(shí)驗(yàn)中可能存在的粒徑效應(yīng)[18]，單一粒徑設(shè)置了3 mm±0.6 mm和10 mm±2 mm兩種。級(jí)配粒徑更符合實(shí)際小行星表面情況，主要粒徑的分布區(qū)間為10 mm～50 mm。模擬物重量25 kg，深度為0.12 m～0.16 m(取決于不同的孔隙率狀態(tài))。模擬物狀態(tài)和級(jí)配粒徑尺寸及質(zhì)量占比情況如圖3所示。模擬物顆粒是將200 MPa以上的高強(qiáng)度花崗巖進(jìn)行破碎再分篩獲得，顆粒的三軸尺寸a，b，c(a≥b≥c)通過(guò)抽樣測(cè)量確認(rèn)在統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)上符合b/a≈0.7，c/a≈0.4，接近于小行星風(fēng)化層實(shí)際狀態(tài)[19]。采用分層欠壓法[20]對(duì)顆粒進(jìn)行整備形成顆粒床。

Seguin等[21]的研究表明，地面重力下當(dāng)顆粒床邊長(zhǎng)≥5倍侵入物直徑時(shí)，無(wú)明顯的邊界效應(yīng)，但不能確定微重力下是否適用，因此本實(shí)驗(yàn)將壓盤的尺寸定為?50 mm和?100 mm。Miura等[22]的研究表明當(dāng)土壓力傳感器的直徑與模擬物的中值粒徑的比值>5時(shí)，測(cè)量得到的土壓力誤差可以保證在5%以內(nèi)，因此本實(shí)驗(yàn)針對(duì)粒徑尺寸主要為3 mm的情況，選擇的傳感器的尺寸為?28 mm×10 mm。

2.1.3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制與測(cè)量設(shè)計(jì)

落塔落艙內(nèi)的配電與通信單元為控制單元供電，并在落艙進(jìn)入微重力時(shí)為控制單元提供觸發(fā)信號(hào)。控制單元具備自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制模式,在實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)后能手動(dòng)調(diào)整加載裝置；在實(shí)驗(yàn)中能接收觸發(fā)信號(hào)自動(dòng)按照預(yù)定參數(shù)控制加載裝置，并能實(shí)時(shí)接收位置傳感器和壓力傳感器的測(cè)量信號(hào)，在到達(dá)最大加載行程或超出加載能力時(shí)自動(dòng)停止加載。數(shù)據(jù)記錄儀存儲(chǔ)落艙內(nèi)的加速度測(cè)量數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的位置傳感器、壓力傳感器和土壓力傳感器的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄儀中有統(tǒng)一的時(shí)間戳，確保數(shù)據(jù)采集的時(shí)間關(guān)聯(lián)性。落艙吊入落塔頂端后，在中央控制室完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的狀態(tài)設(shè)置工作，中央控制室可與配電與通信單元進(jìn)行無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)前高速攝像系統(tǒng)的啟動(dòng)。

圖3 實(shí)驗(yàn)中的模擬物狀態(tài)Fig.3 Simulants used in the experiments

實(shí)驗(yàn)的測(cè)量項(xiàng)目如表1所示。在實(shí)驗(yàn)開始前通過(guò)真空計(jì)獲得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的真空度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)壓力傳感器和位置傳感器分別獲得加載過(guò)程的加載力和加載位移，并利用土壓力傳感器獲得顆粒床的邊界應(yīng)力情況，這些數(shù)據(jù)都記錄在數(shù)據(jù)記錄儀中。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用高速相機(jī)的圖像測(cè)量獲得模擬物的形貌變化，數(shù)據(jù)記錄在相機(jī)的內(nèi)存中。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)前，首先在地面完成真空罐的抽真空，通過(guò)控制單元手動(dòng)調(diào)整使壓盤距模擬物上表面約10 mm。然后將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)吊入落艙中，切換為落艙供電，控制單元和數(shù)據(jù)記錄儀加電。之后將落艙升至落塔頂部。隨后,在實(shí)驗(yàn)前倒計(jì)時(shí)2 s時(shí)，在中央控制室通過(guò)無(wú)線打開LED燈和啟動(dòng)高速相機(jī)采集。落艙釋放，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入全自動(dòng)工作，在釋放后約0.2 s，微重力信號(hào)觸發(fā)，加載裝置啟動(dòng)，壓盤開始下壓。釋放后約0.5 s至1 s壓盤為空行程運(yùn)動(dòng)，目的是為了減輕落艙釋放的振動(dòng)對(duì)侵入過(guò)程的影響，同時(shí)也為加載裝置從啟動(dòng)到勻速下壓留有足夠的時(shí)間。隨著壓盤持續(xù)地下壓，加載裝置在釋放后約3 s達(dá)到最大行程或超過(guò)最大加載力而停機(jī)。在釋放后約3.6 s落艙進(jìn)入減速回收過(guò)程，至此單次實(shí)驗(yàn)結(jié)束，并在釋放后約1 h完成落艙的回收工作。

2.3 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

實(shí)驗(yàn)分7個(gè)工況開展，如表2所示，設(shè)置參數(shù)包括顆粒粒徑、孔隙率、壓盤尺寸和加載速度。在實(shí)驗(yàn)前，通過(guò)地面直剪實(shí)驗(yàn)測(cè)量了處于相同壓實(shí)狀態(tài)下的顆粒物的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。由于顆粒為碎裂的花崗巖，認(rèn)為微觀孔隙率可忽略，因此孔隙率約等于宏觀孔隙率。

表1 實(shí)驗(yàn)的測(cè)量參數(shù)匯總Table 1 Summary of experiment measurement parameters

表2 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)設(shè)置匯總Table 2 Summary of parameter settings in experiment conditions

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

高速攝像獲取了模擬物表面在壓盤侵入過(guò)程中的形貌變化，如圖4所示。每張圖的上半部分為黑白相機(jī)1拍攝的圖像，下半部分為彩色相機(jī)拍攝的圖像。模擬物在壓盤侵入過(guò)程中形成了一個(gè)圓形的撞擊坑，其形貌的變化可分為兩個(gè)階段。第一階段，顆粒飛濺過(guò)程：從壓盤接觸模擬物表面(圖4(a))開始，壓盤推動(dòng)其周圍的顆粒沿壓盤徑向向外飛濺，結(jié)束時(shí)，飛濺的顆粒落回模擬物表面，在壓盤的周圍隆起并形成撞擊坑(圖4(b))。第二階段，顆粒滑落過(guò)程：壓盤繼續(xù)下壓，撞擊坑持續(xù)隆起且直徑不斷擴(kuò)大(圖4(c))，撞擊坑邊緣的顆粒不斷向撞擊坑內(nèi)滑落，直至壓盤停止加載。圖4(b)和圖4(c)列中的曲線為撞擊坑的擬合結(jié)果。在該階段侵入的后期，可明顯觀察到表面顆粒存在周期性的振蕩現(xiàn)象。撞擊坑形貌的變化與加載力曲線的趨勢(shì)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，顆粒飛濺過(guò)程對(duì)應(yīng)了曲線初始峰值的產(chǎn)生過(guò)程，在壓力降低到接近為零時(shí)顆粒飛濺結(jié)束，隨后壓力緩慢增大，撞擊坑直徑隨之不斷擴(kuò)大。

圖4 工況2實(shí)驗(yàn)中撞擊坑的形成過(guò)程。Fig.4 Formation of the crater in the No.2 experiment

3.2 重力水平對(duì)承載力的影響

每一個(gè)實(shí)驗(yàn)工況均分別進(jìn)行了重力環(huán)境與微重力環(huán)境實(shí)驗(yàn)。典型工況的加載力-侵入深度曲線如圖5所示。圖6所示為模擬物的變形模量，可反映模擬物抵抗變形的能力。結(jié)果表明，相同星壤級(jí)配、相同壓盤、相同速度下，發(fā)生相同位移時(shí)，星壤的承載力在微重力下比在常重力下降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

圖5 微重力和地面重力條件下工況2和工況3的加載力-侵入深度曲線Fig.5 Loading force vs.intrusion depth curves of the No.2 and No.3 experiments under microgravity and Earth gravity

圖6 地面重力與微重力下模擬物的變形模量對(duì)比Fig.6 Comparison of the deformation modulus of the simulants under the Earth gravity and microgravity

3.3 影響承載強(qiáng)度的因素

依據(jù)初始?jí)毫ζ鹗键c(diǎn)截取了有效數(shù)據(jù)段，繪制的加載力-侵入深度曲線如圖7所示。按粒徑不同，分為兩大類特征：3 mm粒徑的曲線存在明顯的整體趨勢(shì)，有局部的小幅度振蕩。其中低孔隙率的工況1,2,5,6中，載荷在初期具有一個(gè)顯著且短暫的峰值，但迅速降低至幾乎為零，然后隨著侵入深度的增大而緩慢增加；高孔隙率的工況4中，載荷在初期沒(méi)有峰值，一直隨著侵入深度的增大而緩慢增加。10 mm粒徑和級(jí)配粒徑的曲線存在明顯的整體振蕩，每次振蕩都伴隨著一個(gè)載荷峰值的出現(xiàn)，但然后迅速降低至幾乎為零。

利用不同的工況，比較加載力-侵入深度曲線隨單一工況參數(shù)的變化規(guī)律。為便于對(duì)比，對(duì)曲線進(jìn)行了歸一化處理，結(jié)果如圖8所示，橫坐標(biāo)為模擬物沉降深度H與壓盤半徑r的比值，縱坐標(biāo)為壓盤接觸區(qū)域的模擬物平均承載強(qiáng)度。

(1)加載速度影響：在不同的加載速度下，初期載荷峰值均在H/r=0.1～0.2階段出現(xiàn)。隨著侵入速度的增加，初期的載荷峰值增大，但后期載荷的上升速度反而降低。

(2)孔隙率影響：低孔隙率模擬物的載荷在初期存在明顯的峰值和降為零的特征，但高孔隙率模擬物不存在峰值;同時(shí),低孔隙率模擬物后期的載荷上升速度明顯高于高孔隙率模擬物。

(3)粒徑影響：隨著粒徑尺寸的增大，曲線表現(xiàn)出的整體振蕩特征越來(lái)越明顯，振蕩的峰值也越來(lái)越大。

圖7 各實(shí)驗(yàn)工況的加載力-侵入深度曲線Fig.7 Loading force vs.intrusion depth curves in the 7 experiments

圖8 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的單一變量對(duì)比(速度、孔隙率、粒徑和侵入物尺寸)Fig.8 Univariate comparison of the experimental data (i.e.,speed,porosity,particle size and intruder size)

(4)侵入物尺寸影響：初期峰值的出現(xiàn)位置和峰值大小基本相同，但后期隨著侵入深度的增加，100 mm壓盤的載荷上升速度幾乎為50 mm壓盤的2倍。

3.4 邊界效應(yīng)

在模擬物的制備過(guò)程中，土壓力傳感器的測(cè)量數(shù)值會(huì)受到制備過(guò)程影響；在進(jìn)入微重力后，模擬物內(nèi)部應(yīng)力的突然釋放，也會(huì)使邊界壓力發(fā)生明顯的變化，因此在實(shí)驗(yàn)中難以通過(guò)土壓力傳感器準(zhǔn)確地獲得邊界壓力的絕對(duì)值，但可以依據(jù)壓力測(cè)量值的相對(duì)變化，獲得不同位置邊界效應(yīng)隨侵入深度的變化情況。為此對(duì)侵入前的壓力傳感器數(shù)值進(jìn)行了歸零分析，繪制了每個(gè)工況各測(cè)點(diǎn)的壓力變化與侵入深度的關(guān)系如圖9所示。依據(jù)傳感器精度為0.15 kPa，在圖中用虛線標(biāo)出，可區(qū)分邊界效應(yīng)可忽略和不可忽略的區(qū)間。結(jié)果表明，工況5和工況6在壓盤侵入的初期邊界壓力就急劇增大，存在明顯的邊界效應(yīng)，其余工況在實(shí)驗(yàn)初期的邊界效應(yīng)可忽略，但隨著侵入深度的增加，在實(shí)驗(yàn)的后期顆粒床的邊界壓力緩慢增大，也產(chǎn)生了邊界效應(yīng)。

圖9 各工況土壓力傳感器數(shù)據(jù)Fig.9 The data of soil pressure sensors

在所有測(cè)點(diǎn)中，隨著侵入速度增大，靠近模擬物表面的測(cè)點(diǎn)1所感知到的邊界壓力變化最為明顯，工況2,4,5,6中測(cè)點(diǎn)1的壓力變化與加載力的變化趨勢(shì)幾乎相同。與之不同的是，工況1的測(cè)點(diǎn)5的壓力變化略微明顯，表明侵入物對(duì)模擬物的載荷主要向底部傳遞，而隨著侵入速度的增加轉(zhuǎn)而向側(cè)面的測(cè)點(diǎn)1傳遞；工況2的測(cè)點(diǎn)1曲線先由正變?yōu)榱素?fù)，表明載荷向測(cè)點(diǎn)1的傳遞發(fā)生了中斷，但之后由負(fù)變?yōu)榱苏?，表明隨侵入深度的增加，載荷又能夠順利地傳遞至測(cè)點(diǎn)1，而在工況6中載荷在一開始就能傳遞至測(cè)點(diǎn)1。由于土壓力傳感器尺寸的限制，工況3和7的測(cè)量值僅可作為參考，但結(jié)果表明邊界壓力曲線的整體趨勢(shì)與加載力保持了一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

4.1 微重力下無(wú)黏性星壤的承載特性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微重力下低速侵入過(guò)程中，無(wú)黏性星壤的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)顯著受到侵入速度、侵入物尺寸、粒徑和孔隙率等因素的影響。相同模擬物的承載能力較地面重力條件下降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

星壤模擬物的加載力-侵入深度曲線表明其承載能力近似符合靜水壓規(guī)律，載荷比較顯著地體現(xiàn)了與侵入深度成正比的靜壓項(xiàng)，特別是對(duì)于疏松(孔隙率較高)的模擬物，該現(xiàn)象更加顯著。同時(shí)，載荷的峰值以及整體趨勢(shì)沒(méi)有顯著體現(xiàn)與侵入速度平方成正比的阻尼項(xiàng)，表明在所關(guān)注的速度范圍內(nèi)，阻尼力近似可以忽略。此外，較大的侵入速度可能加劇模擬物的“流化”效應(yīng)，間接導(dǎo)致承載能力的下降。因此，可認(rèn)為在微重力下的低速侵入過(guò)程中，星壤的整體響應(yīng)特征比較接近于流體。值得注意的是，密實(shí)(孔隙率較低)的模擬物會(huì)在侵入過(guò)程中呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)弛豫現(xiàn)象，載荷會(huì)在H/r=0.1～0.2出現(xiàn)初始峰值，且隨著侵入速度的增加，初始峰值增大，但后期載荷的上升速度反而降低。

實(shí)驗(yàn)中星壤模擬物的響應(yīng)也明顯表現(xiàn)出對(duì)粒徑尺寸的依賴性，即粒徑效應(yīng)。由于侵入物所接觸到的顆粒個(gè)數(shù)非常有限，顆粒間不連續(xù)的接觸作用會(huì)引起接觸力鏈不斷地的被建立與破壞，導(dǎo)致接觸力呈現(xiàn)明顯的不均勻性和不連續(xù)性。Fuglsang等[23]的研究表明粒徑效應(yīng)與侵入尺寸D和土壤平均粒徑d的比值密切相關(guān)，當(dāng)D/d小于15時(shí)，會(huì)有明顯的粒徑效應(yīng)，本實(shí)驗(yàn)得出了一致的結(jié)果。從粒徑3 mm(D/d=16.7)到10 mm(D/d=5)，加載力曲線從呈現(xiàn)局部振蕩轉(zhuǎn)為整體振蕩。

實(shí)驗(yàn)利用土壓力傳感器探究了顆粒床在微重力下的邊界效應(yīng)，結(jié)果表明，微重力環(huán)境下顆粒介質(zhì)的邊界效應(yīng)不僅與模擬物和侵入物的尺寸比值相關(guān)，侵入速度也是重要影響因素之一，更高的侵入速度導(dǎo)致產(chǎn)生了更大的波及范圍以及更明顯的邊界效應(yīng)。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，侵入速度在0.02 m/s以下、模擬物的尺寸是侵入物尺寸的6倍以上且侵入深度H/r<0.5時(shí)，可忽略邊界效應(yīng)的存在。

4.2 對(duì)采樣與著陸任務(wù)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的啟示

采樣及著陸裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同粒徑星壤，合理優(yōu)化裝置尺寸和接觸速度?？紤]粒徑效應(yīng)，當(dāng)侵入物與星壤接觸部位的尺寸與星壤的顆粒尺寸接近時(shí)，物體會(huì)更容易侵入星壤中，該情況較適用于采樣器設(shè)計(jì)；反之，當(dāng)侵入物與星壤接觸部位的尺寸比星壤的顆粒尺寸大很多時(shí)，星壤則能提供較大的支撐力，該情況適用于著陸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。接觸速度較低時(shí)，有利于減小星壤的反作用力；較高速的接觸，可能使星壤發(fā)生“流化”現(xiàn)象，導(dǎo)致星壤的承載能力在峰值過(guò)后顯著下降。

微重力環(huán)境下星壤間粘附力弱，受擾極易飛濺，為采樣創(chuàng)造了良好的條件。航天器可以利用小的擾動(dòng)裝置，即可獲得大量星壤飛濺，采取有效的收集方式，就可以獲得一定量的樣品。但星壤的飛濺，也會(huì)給航天器上設(shè)備的安全帶來(lái)不利影響，需綜合考慮各類防護(hù)措施。

采樣、著陸裝置與星壤接觸過(guò)程中，航天器會(huì)受到復(fù)雜的星壤力作用。實(shí)驗(yàn)表明，航天器的采樣或著陸裝置與星壤接觸過(guò)程中，可能會(huì)首先出現(xiàn)峰值力，之后下降再上升；不同的星壤級(jí)配和孔隙率，也會(huì)帶來(lái)力曲線趨勢(shì)的變化。航天器需針對(duì)此特性，開展控制策略設(shè)計(jì)，以確保探測(cè)器不反彈，不過(guò)度下陷，不會(huì)發(fā)生姿態(tài)失穩(wěn)。

地面環(huán)境下模擬小行星的采樣過(guò)程，星壤力學(xué)響應(yīng)的真實(shí)性與有效性較差。應(yīng)模擬微重力環(huán)境或進(jìn)行其它等效驗(yàn)證。在進(jìn)行采樣或著陸裝置的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，應(yīng)模擬微重力、星壤粒徑、孔隙率等目標(biāo)特征，并力求消除邊界效應(yīng)的影響，才能獲得較為真實(shí)的驗(yàn)證結(jié)果。