蠕动式掘进器潜入特性及原位月壤力学参数辨识方法研究

The subsurface lunar regolith contains abundant information which can reveal the Moon’s origin and evolution. This project proposes a tool which can automatically penetrate into regolith, creepy-boring penetrator. The penetrator consists of drilling module, discharging module and propulsion module. Compared with the conventional drilling methods, the penetrating depth without being limited by the length of the drill. The penetrator also can creeping-penetrate into the regolith with identification of the mechanical parameters of regolith. This way of detection is an innovative method for subsurface lunar regolith exploration. This project around tool-soil interaction and soil mechanics parameter identification the two scientific problems. And it mainly focus on tools-regolith interaction characteristics, penetrator parameters optimization, and parameters identification of regolith, prototype development and experiments in research work. This project aims to a breakthrough on the structure parameters optimization design of penetrator and online identification of deep lunar regolith mechanics parameters, and these research results will provide effective technical support for intelligent design of the creepy-boring penetrator and China's lunar subsurface exploration.

次表层月壤剖面含有丰富的地质学及月面环境信息，是研究月球起源及演化过程的重要探测目标。本项目提出了一种利用钻进破碎和接力式排土原理，能自动实现月壤剖面潜入的蠕动掘进式探测仪，它由掘进单元、排土单元以及蠕动进给单元组成。和常规的钻探方式相比，其潜入深度不受钻具长度限制；能自动实现目标月壤剖面的潜入，并能对潜入路径处原位月壤的力学参数进行辨识。这种探测方式，是次表层月壤探测的创新方式。本项目围绕掘进机具与月壤相互作用特性以及基于潜入过程参量的原位月壤力学参数辨识两个科学问题，重点开展潜入机具与月壤相互作用特性、探测仪结构和功能参数优化、月壤力学参数辨识、样机研制及潜入特性试验等研究工作。本项目旨在探测仪功能参数优化设计及原位月壤力学参数辨识方面取得突破，为次表层月壤剖面蠕动掘进式探测仪的设计及其科学探测方法提供理论与技术基础。

星壤的物理形态、化学成分、地质结构及地表热流等科学目标，是提升人类星球演化与生命起源科学认知及未来星球活动与资源利用的重要依据。相较于浅表层星壤的单点探测数据，获取次表层月壤科学目标的大尺度纵深分布特性更加具有科学意义。综合考虑次表层月壤作业环境特点，提出蠕动式掘进器方案，实现对月壤剖面的自主潜入作业，并可通过掘进器本体搭载的科学仪器或潜入作业进程反馈信息实施次表层月壤的原位探测。. 本课题以蠕动式掘进器为研究对象，以月壤剖面自主掘进潜入及月壤力学参数辨识为研究目标，开展次表层月壤蠕动式掘探技术研究，具体内容包括蠕动式掘进器设计、掘进器与月壤相互作用力学模型、掘进器参数优化及掘进潜入试验、原位月壤力学参数辨识方法与试验等。取得的成果如下：（1）提出了面向次表层月壤潜入探测的蠕动式掘进器方案，开展了掘进器原理样机研制及试验验证，该样机具备掘进潜入、样品采集及原位月壤力学参数辨识等多重作业功能；（2）建立了考虑月壤间压应力的螺旋输送力学模型，揭示了欠速条件下掘进器掘进过程的月壤排屑机理，为掘进器机具结构及规程参数优化提供了理论依据；（3）提出了考虑排屑效应的螺旋刃掘进头构型，提高了螺旋刃掘进头对规程参数的适应性，该掘进头融合了探测功能，实现了掘进与探测功能一体化；（4）基于土力学摩尔-库伦强度理论及压板沉陷理论，构建了月壤力学参数辨识方法，实现了基于掘进负载反馈参量的原位月壤抗剪、承压力学特性参数在线辨识，并通过试验验证了辨识方法的有效性。. 针对大深度月壤剖面掘进潜入探测的蠕动式掘进器能够实现原位月壤力学参数的科学探测，还可作为科学仪器的搭载平台，进一步丰富探测数据类型，研究成果为我国未来的次表层星壤潜入探测提供技术支持。