CN114495677B - 一种模拟火星土壤制备方法和试验床建设方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟火星土壤制备方法，依次对火山灰进行烘干、除杂和粉碎，得到不同粒径范围的火山灰颗粒聚集体，并根据预设定的土壤力学性能目标值范围得到相应的模拟火星土壤标准级配，根据标准级配可批量生产模拟火星土壤；本发明还公开了一种模拟火星土壤试验床建设方法，将模拟火壤铺设区设于基坑内，并进行模拟火星土壤的分层填筑得到试验床，在每层填筑完成后，根据物理力学性能要求对其物理力学参数进行控制；本发明还在试验床表面建造了恶劣着陆环境。本发明能够实现火星表面火壤地貌及物理力学性能的真实再现，确保火星着陆器在火星表面软着陆过程中能够较高精度地识别火星表面的恶劣环境，同时避免足垫沉陷等事故发生。
Description
技术领域
本发明属于航天器回收着陆及低重力地外天体着陆起飞试验技术领域，涉及一种模拟火星土壤制备方法和试验床建设的方法。
背景技术
随着航天技术迅猛发展，深空探测成为人类探索宇宙的重要方向之一，其中火星探测项目已完成试验阶段内容，进入实质性实施阶段。火星引力仅有地球的38％，空气密度仅有地球的1％，且地形地貌特殊，着陆难度不言而喻。火星表面遍布粉砂土，同时存在诸多遭陨石袭击后由撞击形成的坑坑洼洼，严重威胁着火星着陆器的安全着陆。火星着陆器正式发射前需在地球环境下模拟火壤着陆试验床的建设，并进行着陆缓冲试验以验证火星着陆器能否满足火星探测的技术需求，模拟火星火壤力学特性及形态制备建设试验床是模拟火星着陆试验场的重要组成部分之一。
我国首颗火星着陆器登陆火星成功后的科研工作均在火星表面进行，因而能够较真实反映火星表面火壤力学特性及形态的试验场地建设研制是必不可少的。目前国内关于接近真实火壤力学性能模拟火壤的研制，相应级配、力学性能稳定的工程级制备方法，恶劣环境下模拟火壤着陆试验床的建设方法均尚属空白。
模拟火壤着陆试验床的关键在于如何在地球环境下制备物理力学性能与真实火壤相近的模拟火壤，主要控制参数包括干密度、含水率、颗粒级配、抗剪强度、压缩性能以及承压特性；模拟火壤工程级制备方法以及均质着陆试验床建设的控制手段；恶劣环境下模拟火壤着陆试验床建设的手段方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种模拟火星土壤制备方法，依次对火山灰进行烘干、除杂和粉碎，得到不同粒径范围的火山灰颗粒聚集体，并根据预设定的土壤力学性能目标值范围得到相应的模拟火星土壤标准级配，根据标准级配可批量生产模拟火星土壤；本发明还提供一种模拟火星土壤试验床建设方法，将模拟火壤铺设区设于防水处理后的基坑内，并在模拟火壤铺设区进行模拟火星土壤的分层填筑，在每层填筑完成后，根据物理力学性能要求对其物理力学参数进行控制，火星土壤的分层填筑完成后，得到试验床；另外本发明还在试验床表面建造了恶劣着陆环境。本发明能够实现火星表面火壤地貌及物理力学性能的真实再现，确保火星着陆器在火星表面软着陆过程中能够较高精度地识别火星表面的恶劣环境，同时避免足垫沉陷等事故发生。本发明操作方便，便于施工、试验床性能稳定，能够模拟火星表面的多种恶劣环境，可望为火星软着陆的安全实施、及随后火壤与探测设备相互作用的机理研究提供技术支持。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种模拟火星土壤制备方法，包括如下步骤：
(1)对火山灰进行烘干和除杂处理；
(2)将步骤(1)所得火山灰粉碎，后利用组合筛网进行筛分，得到粒径范围分别为1mm～2mm，0.25mm～1mm，0.75mm～0.25mm和小于0.075mm的火山灰颗粒聚集体并分别保存；
(3)设定土壤力学性能目标值范围；
(4)设定土壤配比；
(5)将步骤(2)所得不同粒径范围的火山灰颗粒聚集体按照所述土壤配比混合均匀，得到混合土壤；
(6)对混合土壤进行力学测试，并判断所得力学参数测定值是否在土壤力学性能目标值范围内，如果力学参数测定值未在土壤力学性能目标值范围内则重复步骤(4)～(6)，如果力学参数测定值在土壤力学性能目标值范围内则将混合土壤作为模拟火星土壤，并将与模拟火星土壤对应的土壤配比作为标准级配；
(7)按照标准级配批量生产模拟火星土壤。
进一步的，所述步骤(1)中，对火山灰进行烘干至含水率不大于1％；
所述步骤(3)中，土壤力学性能目标值范围包括粘聚力目标值范围，内摩擦角目标值范围和压缩模量目标值范围；
所述步骤(6)中，力学测试包括直剪试验和单向压缩试验。
进一步的，所述步骤(3)中，设定土壤力学性能目标值范围如下：
粘聚力：0.24kPa～1kPa；
内摩擦角：35°～40°；
压缩模量：6×103～9×103kPa
所述步骤(6)中所得模拟火星土壤中不同粒径范围的火山灰颗粒聚集体的质量百分比含量如下：
上述粒径1mm～2mm的火山灰颗粒聚集体、粒径0.25mm～1mm的火山灰颗粒聚集体、粒径0.075mm～0.25mm的火山灰颗粒聚集体和粒径小于0.075mm的火山灰颗粒聚集体的质量百分比之和为100％。
一种模拟火星土壤试验床建设方法，包括如下步骤：
S1在地面开挖基坑，并夯实基坑底面土体；
S2在基坑内表面浇注防渗水泥，在基坑口四周建设防水挡墙；
S3在基坑内回填干粉土，并在基坑中留出作为模拟火壤铺设区的土坑；
S4在土坑内铺设土工膜；
S5在土坑内铺设一层模拟火星土壤并进行辊压，得到模拟火星土壤层；
所述模拟火星土壤由权利要求1-3任一项所述的模拟火星土壤制备方法得到；
S6检测步骤S5所铺设的模拟火星土壤层的干密度、均匀性及承载能力是否满足要求，如果满足要求则重复步骤S5和S6直至模拟火星土壤将所述土坑填筑完成，得到模拟火星土壤试验床，如果不满足要求则对模拟火星土壤层重新翻铺。
进一步的，所述步骤S1中，基坑为顶部大于底部的六面体形状；
所述步骤S3中，在基坑中心留出作为模拟火壤铺设区的土坑，所述土坑为长方体形状。
进一步的，所述步骤S2中，还包括在基坑内表面浇注厚度为0.1～0.3m的防渗水泥后，铺设聚乙烯泡沫塑料；
所述步骤S2中，防水挡墙高出水平地面≥0.2m；
所述步骤S3中，干粉土含水率小于3％，干粉土的粒径不大于2mm。
进一步的，所述步骤S5中，每层模拟火星土壤层的厚度为20～40cm。
进一步的，所述步骤S6中，模拟火星土壤层的干密度、均匀性及承载能力分别采用环刀法、静力触探试验和载荷板试验测试；
所述步骤S6中，模拟火星土壤层的干密度为1.35g/cm3～1.6g/cm3时满足要求；静力触探试验所得静力触探锥尖阻力在0～1600kPa范围时，模拟火星土壤层的均匀性满足要求；模拟火星土壤层的承载能力为3.0kPa～60kPa满足要求。
进一步的，一种模拟火星土壤试验床建设方法还包括S7：在填筑完成的土坑表面构建恶劣着陆环境，具体包括设置土坑表面坡度变化，铺设混凝土板，木板或木板与尼龙搭扣组合以模拟火星表面地质变化，在土坑表面挖坑，使土坑表面模拟火星土壤聚集中的一种或一种以上组合。
进一步的，所述模拟火星土壤试验床用于进行火星着陆器的着陆缓冲试验，每次试验结束后重新翻铺土坑表层20～40cm的模拟火星土壤，并检验土坑表层模拟火星土壤的密度是否满足要求，如不满足要求则重新进行翻铺。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明模拟火星土壤制备方法中得到的模拟火壤颗粒级配、物理力学性能均在真实火壤的范围内，满足地球环境下火星着陆器着陆试验床建设针对基础材料的技术要求；
(2)本发明模拟火星土壤制备方法制备的模拟火壤颗粒级配、物理力学性能稳定，用途广泛，不仅可用于分析研究真实火壤的物理力学性能，火壤与着陆器、巡视器等探测设备的相互作用机理，同时可用于火星着陆器模拟试验场的建设，对航天器回收着陆及低重力地外天体着陆起飞试验领域的技术研究具有深远意义；
(3)本发明模拟火星土壤制备方法序简单，可操作性强，通过确定标准级配可实现快速批量生产；
(4)本发明模拟火星土壤试验床建设方法中，采用了将模拟火壤分层铺设的方法，对每一层火壤的物理力学性能参数进行了合理有效的控制，具有可操作性；在指定深度范围内模拟火壤均匀性好、物理力学性能稳定，工程力学性能满足目标值要求；
(5)本发明模拟火星土壤试验床建设方法中，充分考虑了防水、吸波等需求，将试验区域设置于基坑内部并采取了多种边界处理，便于施工、着陆床性能稳定；
(6)本发明模拟火星土壤试验床建设方法中，通过着陆试验床表层加铺混凝土板、木板、木板+毛毯、挖设模拟火壤坑等手段模拟火星表面如特硬、硬、软+硬、凹坑等恶劣着陆环境，以适应多种复杂着陆工况试验的实施；
(7)本发明模拟火星土壤试验床建设方法中，除可供火星着陆器辨识火壤地貌和着陆缓冲试验，还可通过表层摆设石块、模拟火壤聚集成堆等手段进一步扩大使用范围；同时拆除、建造方便，可短时间内组合成多种地形地貌单元。
附图说明
图1为本发明实施例1模拟火星土壤试验床建设方法得到的试验床总体图；其中(a)为平面图，(b)为纵断面图，(c)为横断面图；图中，1为模拟月壤地基，2为土工膜，3为干粉土，4为试验床四周的防渗水泥+聚乙烯泡沫塑料，5为试验床底端的聚乙烯泡沫塑料，6为试验床底端的防渗水泥，7为防水挡墙；
图2为本发明实施例1模拟火星土壤试验床建设方法中火壤铺设区示意图；其中(a)为平面图，(b)为纵断面图，(c)为横断面图；
图3为本发明实施例1试验工况示意图，其中，(a)为水平着陆，(b)为坡度着陆。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明主要包括模拟火壤制备和模拟火壤着陆试验床建设。模拟火壤制备方法包括火山灰采集、烘干、去除泥块石块等杂质、碾压粉碎、筛分封装、按比例混合后进行物理力学性能测试、确定最终级配验证等步骤。
模拟火星着陆试验床建设方法中包括在指定区域内开挖基坑，进行基坑的防水，模拟火壤的分层填筑、以及填筑时干密度、颗粒级配、均匀性、承压特性等参数的严格控制，填筑完成后模拟火壤着陆试验床的均匀性、物理力学特性验证，每次着陆试验完成后表层模拟火壤性能的恢复，恶劣着陆环境的模拟与建造。
实施例1：
本发明一种模拟火星土壤制备和试验床建设的方法包括：与真实火壤物理力学性能相近模拟火壤的制作方法、可满足火星着陆器着陆缓冲试验要求的模拟火壤试验床建设方法。
模拟火壤制作方法如下：
本实施例中，调研国内已有火山的主要组成选定模拟火壤原材料的采集地，自吉林省靖宇县采集红色火山灰运至粉碎场；采用烘干设备烘干火山灰至含水率不大于1％，同时祛除火山灰中泥块、石块、树根等杂质；通过破碎机将火山灰粉碎，将粉碎后的火山灰运至孔径不同的组合筛网进行筛分，并将不同粒径范围的火山灰颗粒聚集体分别封装运至阴凉干燥处暂时保存；将不同的粒径组合在实验室内按照设定的质量比均匀混合初步制备成真实火壤颗粒级配范围内的土体，进行指定密度(即满足土壤力学性能目标值范围时火星土壤对应的密度，约为1.35g/cm3～1.6g/cm3)下的直剪试验、单向压缩试验测试其内摩擦角、粘聚力、压缩模量，若上述力学参数测定值在目标值范围内则选用该级配下火山灰作为地球环境下的模拟火壤，若力学参数未在目标值范围内则重新设定质量比再次混合而后进行直剪试验、压缩试验，直至其力学性能满足目标参数值，并将该级配作为火山灰在地球环境下模拟火壤的标准级配；按照标准级配混合均匀上述封装保存的不同粒径火山灰颗粒聚集体即可制备出满足着陆冲击试验要求的工程级模拟火壤。
如图1，模拟火壤试验床建设方法如下：模拟月壤地基1指定区域内开挖19.2m长、18.2m宽(以上长和宽为基坑顶部开口尺寸)、4.1m深的基坑，基坑为顶部尺寸大于底部尺寸的六面体，有利于夯实基坑侧面及底部的土体，减弱模拟火壤试验床的边界效应。试验床底端及四周浇注0.1m厚防渗水泥，还可以铺设用于吸波的聚乙烯泡沫塑料，如图1中的试验床四周的防渗水泥+聚乙烯泡沫塑料4和试验床底端的防渗水泥6+聚乙烯泡沫塑料5；试验床顶端四周建有高出水平地面0.2m的防水挡墙7。之后回填干粉土3，干粉土含水率小于3％，干粉土的粒径不大于2mm。如图2，模拟火壤铺设区尺寸为13m(长)×12m(宽)×1.2m(深)。模拟火壤铺设区的边界需做防渗和防潮处理。沿作为模拟火壤铺设区的土坑内铺设土工膜2并装钉牢固，以防止土体泛水导致模拟火壤的含水率增大；指定密度下按照每层30cm厚度铺设模拟火壤，每层铺设完毕采用环刀法测试火壤层干密度是否满足目标值要求，通过静力触探试验验证火壤层的均匀性，通过载荷板试验验证其承载能力是否满足工程性能的要求；铺设完毕最终得到火星表面的土壤地貌形态，再次通过静力触探试验、载荷板试验检验模拟火壤着陆试验床是否满足性能要求。根据火星着陆器工况需求进行着陆缓冲试验，每次试验结束后重新翻铺表层30cm的模拟火壤，并采用环刀法检验火壤层干密度是否满足目标值要求。
如图3，恶劣环境下模拟火壤试验床根据着陆试验工况进行建设，可通过在着陆试验床表层摊铺坡度变化(图3(b)中坡度变化为8°)、铺设面积1m×1m×200mm(高)的混凝土板、木板、木板+尼龙搭扣等模拟火星表面地质状况，还可在表层挖设200mm深的模拟火壤坑以模拟火星表面凹地的特殊地形地貌形态，此外，还可以通过表层摆设石头、模拟火壤聚集成堆等手段进一步扩大使用范围，模拟更多的地形地貌形态。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种模拟火星土壤试验床建设方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1在地面开挖基坑，并夯实基坑底面土体；
S2在基坑内表面浇注防渗水泥，在基坑口四周建设防水挡墙；
S3在基坑内回填干粉土，并在基坑中留出作为模拟火壤铺设区的土坑；
S4在土坑内铺设土工膜；
S5在土坑内铺设一层模拟火星土壤并进行辊压，得到模拟火星土壤层；
所述模拟火星土壤由以下模拟火星土壤制备方法得到：
(1)对火山灰进行烘干和除杂处理；
(2)将步骤(1)所得火山灰粉碎，后利用组合筛网进行筛分，得到粒径范围分别为1mm～2mm，0.25mm～1mm，0.75mm～0.25mm和小于0.075mm的火山灰颗粒聚集体并分别保存；
(3)设定土壤力学性能目标值范围；
(4)设定土壤配比；
(5)将步骤(2)所得不同粒径范围的火山灰颗粒聚集体按照所述土壤配比混合均匀，得到混合土壤；
(6)对混合土壤进行力学测试，并判断所得力学参数测定值是否在土壤力学性能目标值范围内，如果力学参数测定值未在土壤力学性能目标值范围内则重复步骤(4)～(6)，如果力学参数测定值在土壤力学性能目标值范围内则将混合土壤作为模拟火星土壤，并将与模拟火星土壤对应的土壤配比作为标准级配；
(7)按照标准级配批量生产模拟火星土壤；
所述步骤(1)中，对火山灰进行烘干至含水率不大于1％；
所述步骤(3)中，土壤力学性能目标值范围包括粘聚力目标值范围，内摩擦角目标值范围和压缩模量目标值范围；
所述步骤(6)中，力学测试包括直剪试验和单向压缩试验；
所述步骤(3)中，设定土壤力学性能目标值范围如下：
粘聚力：0.24kPa～1kPa；
内摩擦角：35°～40°；
压缩模量：6×103～9×103kPa
所述步骤(6)中所得模拟火星土壤中不同粒径范围的火山灰颗粒聚集体的质量百分比含量如下：
粒径1mm～2mm的火山灰颗粒聚集体： 0～0.5％；
粒径0.25mm～1mm的火山灰颗粒聚集体： 5.5～6％；
粒径0.075mm～0.25mm的火山灰颗粒聚集体： 69～72％；
粒径小于0.075mm的火山灰颗粒聚集体： 22～28％；
S6检测步骤S5所铺设的模拟火星土壤层的干密度、均匀性及承载能力是否满足要求，如果满足要求则重复步骤S5和S6直至模拟火星土壤将所述土坑填筑完成，得到模拟火星土壤试验床，如果不满足要求则对模拟火星土壤层重新翻铺；
所述步骤S2中，还包括在基坑内表面浇注厚度为0.1～0.3m的防渗水泥后，铺设聚乙烯泡沫塑料；
所述步骤S2中，防水挡墙高出水平地面≥0.2m；
所述步骤S3中，干粉土含水率小于3％，干粉土的粒径不大于2mm；
还包括S7在填筑完成的土坑表面构建恶劣着陆环境，具体包括设置土坑表面坡度变化，铺设混凝土板，木板或木板与尼龙搭扣组合以模拟火星表面地质变化，在土坑表面挖坑，使土坑表面模拟火星土壤聚集中的一种或一种以上组合；
所述步骤S6中，模拟火星土壤层的干密度、均匀性及承载能力分别采用环刀法、静力触探试验和载荷板试验测试；
所述步骤S6中，模拟火星土壤层的干密度为1.35g/cm3～1.6g/cm3时满足要求；静力触探试验所得静力触探锥尖阻力在0～1600kPa范围时，模拟火星土壤层的均匀性满足要求；模拟火星土壤层的承载能力为3.0kPa～60kPa满足要求；
通过着陆试验床表层加铺混凝土板、木板、木板+毛毯、挖设模拟火壤坑的手段模拟火星表面特硬、硬、软+硬、凹坑的着陆环境；
通过表层摆设石块、模拟火壤聚集成堆的手段模拟多种地形地貌单元。
2.根据权利要求1所述的一种模拟火星土壤试验床建设方法，其特征在于，所述步骤S1中，基坑为顶部大于底部的六面体形状；
所述步骤S3中，在基坑中心留出作为模拟火壤铺设区的土坑，所述土坑为长方体形状。
3.根据权利要求1所述的一种模拟火星土壤试验床建设方法，其特征在于，所述步骤S5中，每层模拟火星土壤层的厚度为20～40cm。
4.根据权利要求1任一项所述的一种模拟火星土壤试验床建设方法，其特征在于，所述模拟火星土壤试验床用于进行火星着陆器的着陆缓冲试验，每次试验结束后重新翻铺土坑表层20～40cm的模拟火星土壤，并检验土坑表层模拟火星土壤的密度是否满足要求，如不满足要求则重新进行翻铺。
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Patent Citations (8)
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| 曾小家.模拟火星样品研制与性质分析.万方学位论文.2015,第46-62页. * |
| 模拟火星样品研制与性质分析;曾小家;万方学位论文;第46-62页 * |
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