来源:Frontiers of Mechanical Engineering 发布时间:2023/6/7 11:56:50
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FME  前沿研究:轮刷式小行星采样器采样过程仿真与试验研究

论文标题:Numerical simulation and experimental research on the wheel brush sampling process of an asteroid sampler(轮刷式小行星采样器采样过程仿真与试验研究)

期刊: Frontiers of Mechanical Engineering

作者:Haitao LUO, Qiming WEI, Yuxin LI, Junlin LI, Wei ZHANG, Weijia ZHOU

发表时间:12 May 2023

DOI:10.1007/s11465-022-0732-0

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轮刷式小行星采样器采样过程的数值模拟与试验研究

Numerical simulation and experimental research on the wheel brush sampling process of an asteroid sampler

作者列表

Haitao LUO(骆海涛), Qiming WEI(魏启明), Yuxin LI(李玉新), Junlin LI(李俊麟), Wei ZHANG(张伟), Weijia ZHOU(周维佳)

关键词

asteroid sampling, wheel brush sampler, discrete element method (DEM), parameter calibration, experimental research

小行星采样;轮刷式采样器;离散元法;参数标定;试验研究

原文链接

https://journal.hep.com.cn/fme/EN/10.1007/s11465-022-0732-0

文章简介

针对小行星表面弱引力及其星壤表面覆盖风化层的环境特点,提出一种回转对称轮刷式小行星采样器的设计方案,可以通过刷扫的方式采集小行星表面风化层颗粒。本文对轮刷式小行星采样器的采样全过程进行详细研究,重点包括星壤颗粒建模、参数标定实验、地面与微重力环境下采样器刷扫采样全过程的动力学建模、仿真分析与试验验证。

首先,基于离散元法的理论,构建颗粒间的接触模型。选取火山岩颗粒作为试验颗粒并建立其离散元模型,并通过理论推导,分析影响轮刷扭矩的参数变量。

其次,通过物理实验与堆积角实验进行参数标定,确定颗粒间的接触参数,开展轮刷式采样器采样过程的数值模拟仿真。同时,搭建一套回转式对称采样轮刷装置进行地面试验,并测试采样过程中轮刷的扭矩变化,对比仿真与试验结果,得出采样设备的工作特点。

最后,基于微重力环境,按照不同工况,对空间型号的轮刷式小行星采样器的采样过程进行数值模拟分析,并对比采样颗粒质量与轮刷扭矩极值,得到采样过程的最佳工况参数。同时,通过落塔法进行微重力环境下的轮刷式小行星采样器采样试验,以此来验证该方案的可行性。该研究为轮刷式小行星采样器的结构优化与电机选型提供了研究思路,具有重要的参考价值和工程借鉴意义。

文章亮点

(1) 针对轮刷式小行星采样器,提出一种基于离散元法的刷扫采样过程的仿真方法,能够直观地显示采样效果,并能得到颗粒质量与轮刷扭矩等重点关注的科学参数,为工程样机的优化设计提供依据。

(2) 设计了一套轮刷式地面采样试验样机系统,可以测量地面环境下采样过程轮刷所受到的扭矩,以及轮刷采集颗粒质量与采样效果。结合仿真结果,可以得出轮刷式采样设备的工作特点。该方法可以应用在空间微重力环境下的采样作业,用于确定最佳工况参数。

(3) 面向空间背景型号任务,根据数值模拟结果研制了小行星采样器工程样机,开展了微重力环境下的落塔试验,验证了微重力环境下采样器的采样效率和电机转矩能够满足系统研制的任务指标,同时也证实了数值模拟的必要性。

- END -

文章作者简介

骆海涛 博士、研究员、硕士生导师

研究方向为空间结构动力学及优化设计。面向我国载人空间站、嫦娥探月工程、北斗导航卫星以及小行星采样等一批国家重点空间型号项目,按照我国航天工程对轻量化、高性能、低振动、高可靠性的迫切需求,长期从事空间载荷装备结构动力学有限元仿真、多体系统分析及动态优化设计等领域的研究,具体包括:结构轻量化、减振抗振、隔音降噪、空间环境模拟和试验以及样机研发和测试等工作。现为中国科学院青促会会员,IEEE会员,中国人工智能学会会员,中国振动工程学会转子动力学分会会员,辽宁省振动工程学会常务理事,辽宁省优秀青年科技工作者以及沈阳市领军人才(C类)等。

承担科研项目:中国科学院重点部署课题,中国科学院青促会创新课题、机器人学国家重点实验室自主课题、中国科学院科创计划项目、国家自然科学基金青年项目(51505470)和面上项目(51975567)、辽宁省自然科学基金面上项目、中国科学院院内合作以及蒋新松创新基金等项目20余项,并作为结构子系统负责人参与国家数控重大专项、国家863课题、921载人航天、嫦娥探月工程和深空探测卫星等项目。

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