火星表取采樣器仿生設(shè)計(jì)及機(jī)土作用的研究

第第頁(yè)火星表取采樣器仿生設(shè)計(jì)及機(jī)土作用的研究第一章緒論

1.1研究的背景和意義

火星作為太陽(yáng)系中與地球最為相似的星球,一直是深空探測(cè)的重點(diǎn)?；鹦巧鲜欠翊嬖谒⑸问揭约澳芊窠?jīng)過改造成為人類的“第二家園”,一直不斷激勵(lì)著人類開展火星探測(cè)。自20世紀(jì)60年代以來(lái),人類共發(fā)射了40顆火星探測(cè)器,獲得了大量的關(guān)于火星整體形態(tài)、大氣成分結(jié)構(gòu)、地表地貌等數(shù)據(jù),極大的豐富了人類對(duì)于火星的認(rèn)識(shí)[1]。同時(shí),在今后的深空探測(cè)活動(dòng)中,火星探測(cè)將是各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn),2015年至2035年間,各國(guó)規(guī)劃進(jìn)行的火星探測(cè)活動(dòng)多達(dá)8次,且今后20~30年的火星表面探測(cè)任務(wù)將側(cè)重于表面環(huán)境(包括土壤組成成分等)及近表面環(huán)境的探測(cè)[1,2]。至今,美國(guó)、俄羅斯、印度、日本等都發(fā)射了各自相關(guān)的火星探測(cè)器。因火星與地球距離遠(yuǎn),對(duì)遙測(cè)、自主導(dǎo)航、自主控制、運(yùn)載火箭動(dòng)力等都要求較高,長(zhǎng)期以來(lái)均采用無(wú)人探測(cè)方式。我國(guó)在2011年曾借助俄羅斯“福布斯-土壤號(hào)”搭載“螢火一號(hào)”火星探測(cè)器,后因變軌失敗而失敗。表層土壤取樣分析能夠直接揭示火星土壤是否含有水、有機(jī)質(zhì)甚至生命形式等關(guān)鍵信息,在目前成功的火星探測(cè)器中,“鳳凰號(hào)”(Phoenix)、“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”(MarsScienceLaboratory)得到了應(yīng)用?；鹦堑乇硇螒B(tài)復(fù)雜,且在土層中可能含有凍土、石塊[3]。這種條件使得采樣過程中采樣阻力變化不均勻,這對(duì)于著陸器\巡視器能量消耗及工作穩(wěn)定性都產(chǎn)生重要的影響。因此,設(shè)計(jì)采樣阻力小、工作穩(wěn)定的采樣鏟對(duì)于地外星球采樣具有重要意義。在自然界中,許多穴居動(dòng)物在長(zhǎng)期的自然進(jìn)化過程中,形成了具有優(yōu)良減磨減阻力學(xué)特性的爪趾結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)便于長(zhǎng)期的穴居生活。生活在青藏高原的大型穴居地棲型嚙齒類動(dòng)物喜馬拉雅旱獺,適應(yīng)高原地區(qū)特有的氣候、土壤條件,具有非常強(qiáng)的掘土本領(lǐng)。旱獺主洞至洞口的道洞約有2m,個(gè)別達(dá)到5m長(zhǎng),而且旱獺洞穴分為冬季洞、夏季洞、臨時(shí)洞等不同功能的洞穴,洞穴結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜[4,5]。喜馬拉雅旱獺這種掘洞能力對(duì)草原生態(tài)造成一定的影響。喜馬拉雅旱獺爪趾作為掘土運(yùn)動(dòng)的直接執(zhí)行部位,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)于掘土性能有直接的影響。

1.2表取采樣器研究現(xiàn)狀

探測(cè)器采用的表取采樣方式主要為挖取和鏟取采樣。國(guó)外進(jìn)行深空地外星球探測(cè)起步早,對(duì)于采樣裝置研制取得豐富的研究成果、并且多次得到實(shí)際的應(yīng)用,主要分為月面表取采樣器與火星表取采樣器兩類。表取采樣鏟是最先隨著月球探測(cè)展開的。1967年4月發(fā)射的Surveyor3著陸器是美國(guó)第一個(gè)裝有月表取樣設(shè)備的探測(cè)器,Surveyor3著陸器攜帶的挖斗型采樣鏟通過多桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行鏈接,這種方式能夠節(jié)省運(yùn)輸空間且能夠增大采樣半徑,但此種機(jī)構(gòu)需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)力較大,而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,穩(wěn)定性較低,如圖1.2所示[6]。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)在1975年發(fā)射Viking號(hào)探測(cè)器攜帶的采樣機(jī)構(gòu)在伸縮臂的控制下采樣半徑可以達(dá)到3m,采樣深度最大可達(dá)到10cm,每獲取1cm3的土壤樣品消耗的能量約在4~9kJ之間,如圖1.3所示[7,8]。2003年歐洲航天局(ESA)將香港理工大學(xué)研制的鉗取式的采樣機(jī)構(gòu)用于小獵犬2號(hào)的火星探測(cè)任務(wù)中,該型采樣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,最大采樣深度約為2cm,如圖1.4所示[9,10,11]。德國(guó)不來(lái)梅大學(xué)機(jī)器人研究所依據(jù)蜥蜴運(yùn)動(dòng)形式研制出一種仿生月球探測(cè)車,該探測(cè)車攜帶一種自動(dòng)采樣鏟,能夠自動(dòng)獲取120mm3的樣品[12]。但是,該種采樣機(jī)構(gòu)并未在火星探測(cè)活動(dòng)中得到實(shí)際的應(yīng)用。

第二章喜馬拉雅旱獺爪趾形貌分析

2.1引言

喜馬拉雅旱獺(MarmotahimalayanaHodgson)具有很強(qiáng)的掘土能力,這種掘土能力是與土壤在長(zhǎng)期的相互作用過程中逐漸進(jìn)化而來(lái)的。其爪趾作為直接與土壤相互作用部位,具有典型的爪趾結(jié)構(gòu),因此對(duì)爪趾結(jié)構(gòu)的研究能夠?yàn)榻沂咀χ壕哂休^強(qiáng)掘土能力的原由提供有益的參考。通過對(duì)獲得的爪趾進(jìn)行宏觀尺寸的測(cè)量以及利用體式顯微鏡、掃描電鏡對(duì)在自然磨損狀態(tài)下的趾表面進(jìn)行觀察,得到爪趾典型的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及細(xì)觀結(jié)構(gòu),為研究爪趾/土壤的相互作用機(jī)理、提取爪趾的特征結(jié)構(gòu)曲線提供依據(jù)。

2.2爪趾幾何形態(tài)的量化分析

本研究采用的爪趾是在西藏拉薩的居民幫助下獲得的,爪趾從喜馬拉雅旱獺身體剝離后進(jìn)行了風(fēng)干處理。喜馬拉雅旱獺四肢短而粗,前爪4趾,后爪5趾;前爪掌較小,后爪掌較大。因喜馬拉雅旱獺前爪與后爪主要功能不同。后爪的主要功能是在加速起跑、運(yùn)動(dòng)過程中提供加速力;在站立過程中提供對(duì)身體的支撐;以及在掘土過程中起到輔助刨土的作用。前爪是其主要的掘土工具,因此,選取喜馬拉雅旱獺的前爪作為研究對(duì)象。爪趾宏觀尺寸主要包括爪趾長(zhǎng)度L(mm)、爪趾厚度T(mm)和爪趾高度H(mm)。通過測(cè)量,分析同一爪上的各趾的尺寸變化