气体激励式小行星采样装置的设计

刘孟威; 王开宝; 李洪宇; 王明旭; 李建勇; 姜生元

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2504575

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (21) :9283-9293 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504575

航空、航天

气体激励式小行星采样装置的设计

刘孟威 ¹ ,
王开宝 ¹^,^* ,
李洪宇 ¹ ,
王明旭 ¹ ,
李建勇 ¹ ,
姜生元 ²

作者信息 +

Design of Gas-excited Asteroid Sampling Device

Author information +

文章历史 +

摘要

设计了一种气体激励式小行星采样装置。基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的瞬态网格滑移法,使用Fluent软件与EDEM软件耦合仿真,对重力环境下模型实验进行了普适性的实验验证,进而分析了在微重力环境下均压槽出口的形状对颗粒的影响以及不同的进气角度与进气压力对收集颗粒数量的影响。最终设计了一种小行星表面小型颗粒的气体激励采样装置,可以实现微重力环境下对装置底面覆盖的可动固体小颗粒的采样。建立了微重力颗粒的物理模型、流体流动的物理模型;并通过建立CFD-DEM耦合仿真模型与地面实验验证了上述物理模型的真实性。验证了均压槽结构对于装置内流场的改善作用,并且以流场压力、速度、颗粒速度和收集量为指标优化了装置的进气部分。整体装置的设置为气体激励式采样器的设计提供依据。

Abstract

A gas-driven asteroid sampling device was designed. Based on the transient mesh sliding method of computational fluid dynamics (CFD), coupled simulations were conducted using Fluent software and EDEM. Universal experimental validation was performed under a gravitational model environment, and the effects of the shape of the isobaric groove outlet on particles under microgravity, as well as the effects of different inlet angles and inlet pressures on the number of collected particles, were analyzed. Ultimately, a gas-driven sampling device for small particles on the asteroid surface was designed, capable of sampling movable solid small particles covered on the bottom surface of the device in a microgravity environment. Physical models for microgravity particles and fluid flow were established. The authenticity of these physical models was verified through the CFD-DEM coupled simulation model and ground experiments. It was confirmed that the isobaric groove structure is beneficial to the flow field within the device, and the device’s inlet section was optimized using flow field pressure, velocity, particle velocity, and collection quantity as indicators. The overall setup of the device provides a basis for the design of gas-driven samplers.

Graphical abstract

关键词

气体激励 / 数值模拟 / CFD-DEM耦合仿真 / 小行星采样 / 试验研究

Key words

gas excitation / numerical simulation / CFD-DEM coupling simulation / asteroid sampling / experimental research

引用本文

引用格式 ▾

刘孟威, 王开宝, 李洪宇, 王明旭, 李建勇, 姜生元. 气体激励式小行星采样装置的设计[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(21): 9283-9293 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504575

LIU Meng-wei, WANG Kai-bao, LI Hong-yu, WANG Ming-xu, LI Jian-yong, JIANG Sheng-yuan. Design of Gas-excited Asteroid Sampling Device[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(21): 9283-9293 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504575

登录浏览全文

4963

注册一个新账户忘记密码

小行星一般指的是围绕太阳运行的体积较小的岩石或金属天体^[1]。对于小行星的研究很有科学意义^[2],一是研究小行星轨道演化的机制以及近地小行星撞击地球的潜在危险:近地小行星撞击是全人类共同面对的重大潜在灾难^[3],作为一种来自外太空的非传统灾害,全面监测与精准预警是应对小行星撞击威胁的关键^[4-5];二是探索太阳系小行星的成因和演化历史:小行星撞击过程形成的高压冲击矿物为揭示地球深部极端条件下的物质状态,理解天体撞击事件、地球早期历史乃至整个太阳系演化历程提供了独特窗口^[6];三是小行星资源属性和开发:近地小行星采矿作为当前国际航天领域的前沿探索方向,正逐步具备工程技术的可实现性^[7]等。近期探索的小行星^[8]有日本隼鸟号探测采样的小行星“Itokawa”以及美国欧西里斯号探测采样的小行星“贝努”。

小行星采样是研究小行星的主要方式之一,传统采样方法有飞掠式和铲挖式。“星尘号”探测器于1999年由美国航天局发射,采用的采样方式为飞掠式。“星尘号”探测器由主结构和返回舱组成,其主要任务是采集wild-2彗星的彗发物质和飞行过程中的宇宙物质,是首次成功完成彗星采样返回任务的探测器^[9]。飞行装置采用被动采样,需要对小行星进行绕飞,捕获其逸出颗粒。“罗塞塔号”^[10]探测器采用的采样方式为“铲挖式”,其使用钻杆结构向下钻进采样,采样完成后钻杆回缩进行样品分发,开展原位科学试验。对于这两种采样方式,“飞掠式”采样效率较低,“星尘号”采样一次发现了约45个颗粒;而“铲挖式”采样的“罗塞塔号”在目标小行星上只完成了部分采样动作,有一部分机构失效。小行星表面重力微弱,采用传统铲挖的采样方法所施加的力可能将采样器推开小行星表面;而且不同小行星的表面地质环境,如表面风化程度、土壤层性质、石块分布等各不相同,采样器难以长期稳定附着在小行星表面。因此,相对于这两种采样方式,应该采取一种作用力较小、采样时间短的采样方式进行采样。

日本的“隼鸟号”^[11]采样器和美国的“欧西里斯号”采样器则采用了气体激励式的采样方法。“隼鸟号”装置内包含一颗子弹,在装置着陆期间向地面发射,接着装置内喷射气流,气流裹挟着子弹击碎的石子一起进入收集装置。美国的“欧西里斯-REx”(OSIRIS-REx)号探测器^[12]于2016年9月发射,其搭载的采样器TAGSAM采取“一触即走”的气体激励采样方式(Touch-and-Go)。根据文献[13]可知,“飞掠式”采样的“星尘号”探测器采样次数多,采样颗粒大小在微米级,接触力较小,数量较少;“铲挖式”采样的“罗塞塔号”探测器只能单次采样,采样颗粒大小在毫米级到厘米级,接触力较大,采样量约100 g;“气体激励式”采样的探测器均可多次采样,颗粒大小在毫米级到厘米级,接触力较小,“隼鸟号”采样约0.1 g,“欧西里斯号”采样约50 g。综上比较接触力大小、采样次数与采样量等特点,“气体激励式”采样方式较为突出。

现提出一种气体激励式小行星采样装置的设计方案,通过FLUENT软件与EDEM软件耦合仿真,以流体与颗粒结构的参数分析其可行性并进行结构优化,且开展试验验证^[14-15]。整体装置的设置将为气体激励式采样器的设计提供依据。

1 模型设计及仿真参数

1.1 仿真对象

由于小行星表面为微重力环境,且小行星表面风化层较为分散,在微重力作用下无明显黏结作用^[16],虽不能实现微重力环境的实验环境,但是可以采用密度小、质量较小的颗粒作为微重力颗粒。故仿真对象应该选择体积较小、质量较轻且黏性较低的颗粒材料。

1.2 仿真模型及工作原理

针对小行星表面土壤以及灰尘体积小、质量轻的特点,短时间内释放高压压缩气体可以将土壤快速激励到收集装置内。同时,由于长距离太空航行燃料有限以及长时间悬停采样难度大,该采样装置应满足质量小、采样时间短的要求。综上,该采样装置指标如表1所示。根据这些指标拟设计一种气体激励式小行星采样装置。

“隼鸟号”与“欧西里斯号”采样器原理简图如图1所示,“隼鸟号”气体直接与颗粒接触,气体压力分布并不均匀;“欧西里斯号”中气体经过环形装置后到达底部激励,气体压力分布更均匀。现有气体激励式采样装置研究的文献中,刘丽燕^[15]采取两级均匀分布的进气装置进行收集,孙启臣等^[16]与“欧西里斯号”类似采取环状结构使进气压力均匀。为了使气体均匀,本文设计装置时采取增加均压槽结构的方式。

气体收集装置原理简图如图2所示。内部由进气装置和收集装置两部分组成。整个装置外壳均为进气结构,底部可以与平整地面完全接触,其中侧面约200 mm高度处有一直径为10 mm的气体进气口,进气口与装置内部均压槽连接,均压槽出口与地面接触。装置底部有一个直径252 mm的圆孔,除收集桶外内部均为空腔结构,仅在装置最上方的收集桶端盖处存在空隙。收集装置为直径100 mm、高200 mm的圆柱桶,圆柱桶开口方向向上。

气体通过气泵从进气口进入装置内部,首先通过均压槽使进气压力近似趋于一致,从均压槽出口后,气体对目标颗粒进行激励。目标颗粒体积小、质量轻,可以忽略颗粒与颗粒间的相互黏性力,颗粒此时在气体曳力、相互碰撞力与自身重力作用下共同运动,其路径与气体迹线大致重合。底面颗粒运动到收集桶下方时,与其对称方向也有同样速度的携带颗粒的气体,两者相互作用后,一部分气体-颗粒混合物产生向上的运动速度,一起进入收集桶内。达到激励时间后进行封装。

2 CFD-EDM仿真分析及地面实验

利用Fluent软件可以根据气体流动规律进行计算,而EDEM软件可以针对样本颗粒的运动特性进行计算。根据已知数值模拟方程和实际工况参数将二者进行耦合计算,可以得到整个气体激励采样过程的仿真。

2.1 理论公式

(1)连续性方程。

(1)$\frac{\mathrm{d}\rho }{\mathrm{d}t}$+ρ$\left(\frac{\partial {u}_{x}}{\partial x}+\frac{\partial {u}_{y}}{\partial y}+\frac{\partial {u}_{z}}{\partial z}\right)$=0

式(1)中:ρ为气体密度;u_x、u_y、u_z分别为速度在x、y、z方向的分量。

本文装置工作时的各处流体流速均远小于声速,可认为目标气体为不可压缩流体。对于不可压缩流体,有ρ≡const,那么式(1)就可以写为

(2)$\frac{\partial {u}_{x}}{\partial x}$+$\frac{\partial {u}_{y}}{\partial y}$+$\frac{\partial {u}_{z}}{\partial z}$=0

(2)运动方程。

理想流体受力分为质量力和表面力两种。设质量力为f,其分量为(f_x,f_y,f_z);对于表面力,理想流体不受切应力,只有垂直于表面的压强p。根据牛顿第二定律,可以得到理想流体的运动方程为

(3)

$\left\{\begin{array}{l}{f}_{x}-\frac{1}{\rho }\frac{\partial p}{\partial x}=\frac{\partial {u}_{x}}{\partial t}+{u}_{x}\frac{\partial {u}_{x}}{\partial x}+{u}_{y}\frac{\partial {u}_{x}}{\partial y}+{u}_{z}\frac{\partial {u}_{x}}{\partial z}\\ {f}_{y}-\frac{1}{\rho }\frac{\partial p}{\partial y}=\frac{\partial {u}_{y}}{\partial t}+{u}_{x}\frac{\partial {u}_{y}}{\partial x}+{u}_{y}\frac{\partial {u}_{y}}{\partial y}+{u}_{z}\frac{\partial {u}_{y}}{\partial z}\\ {f}_{z}-\frac{1}{\rho }\frac{\partial p}{\partial z}=\frac{\partial {u}_{z}}{\partial t}+{u}_{x}\frac{\partial {u}_{z}}{\partial x}+{u}_{y}\frac{\partial {u}_{z}}{\partial y}+{u}_{z}\frac{\partial {u}_{z}}{\partial z}\end{array}\right.$

(3)能量方程。

(4)z₁+$\frac{p}{\rho z}$+$\frac{{u}^{2}}{2z}$≡const

式(4)中:z₁为单位质量流体具有的位能;

$\frac{p}{\rho z}$

为单位质量流体具有的压强势能;

$\frac{{u}^{2}}{2z}$

为单位质量流体具有的动能。

(4)动量方程。

(5)∑F=ρQ(α₂v₂-α₁v₁)

式(5)中:∑F为流体受到的所有外力矢量和;Q为体积流量;α₁、α₂分别为流体处于1位置和2位置的断面动量修正系数,α=

$\frac{{\int }_{\mathrm{A}}\overrightarrow{uu}\mathrm{d}A}{\overrightarrow{vv}A}$

,为了计算方便,令α≈1;v₁、v₂分别为流体处于1位置和2位置的平均流速;u为点流速。

2.2 仿真分析

2.2.1 湍流模型选择

尽管为了符合物理事实需要一个严格准确的数学模型,但模型中所用的阻力定律都是半经验的。所以使用一个合理的湍流模型至关重要。小行星表面风化层的颗粒较为分散,在微重力的作用下无明显黏结作用,流体流速较低,可认为其不可压缩。故选用Hertz-Mindlin无滑移模型为颗粒间的接触模型。在EDEM软件中选用该模型作为颗粒与颗粒之间的碰撞模型进行计算。

2.2.2 计算方案设置

由于地面环境复现小行星的微重力、低压环境困难,使用体积小、质量轻的微重力泡沫球来代替实际颗粒作为仿真验证颗粒,该颗粒可以较好还原小行星微重力的情况且便于获取^[17]。验证颗粒是直径为2 mm的固体颗粒,材质为EPP塑料,通过查询资料及测量,得到其密度为30 kg/m³,泊松比为0.33,剪切模量为0.1 GPa。

考察在微重力环境下,颗粒受气体激励,容器对颗粒的采集效率以及流场性质分布。仿真计算中研究的颗粒数目为500个,由EDEM软件生成,随机堆叠在容器底面,初始状态如图3所示,已隐去收集装置外壳,只保留生成颗粒与收集桶。

采用流固耦合的仿真方法,实现气体与固体颗粒相互运动的过程仿真^[18]。在Fluent软件中设置气体入口压力为0.4 MPa,上面收集桶盖为气体出口,其压力为环境气压,其他为无滑移的固体壁面边界。本次计算时间步长为0.005 s,气体激励总时长为2.5 s,即计算总时步为500。

2.2.3 网格划分及网格无关性验证

从原理上看,网格划分得越细密,求解结果的精度越高。但在实际工程的设计和应用中,网格数量的急剧增加会导致计算时间成本大幅增加,而且当网格数量达到一定数量后,计算精度的提高并不明显。为了让计算机花费较低的计算成本也能得到足够的计算精度,需要进行网格无关性验证。在已有模型中选取均压槽内相同位置如图4所示,入口流体速度设置为10 m/s,不改变其余边界条件的情况下选取不同网格数量检测该位置在计算0.1 s后的速度及压强,结果如图5所示,可知,当网格数量达到95 000个时,折线图趋于平稳。

通过FluentMeshing模块对气体激励式收集装置内区域进行面网格划分,对进气口处进行网格加密处理。网格划分模型如图5所示。

2.3 地面采样过程试验研究

2.3.1 实验装置原理

实验装置近似为一个下底30 cm、上底15 cm、高为30 cm的圆锥体。进气口位于装置侧面,进气口直接与均压槽相连。均压槽以一定角度瞄准底面,以保证出射流体可以有效激励地面颗粒。气体随后运动轨迹如图6所示。验证实验与目标模型的收集桶方向不同。是因为虽然收集桶口朝上状态收集效率低下,但在重力状态下无法验证原模型,所以进行这种调整。

2.3.2 试验场地的搭建

实验环境为校内实验室,常温常压,环境无风无干扰,是一个比较理想的实验环境。气源是额定排气压力为0.8 MPa的医用单级风冷无油空气压缩机,使用SMUKAR2000气压表对输出进气口的气压进行测量。传感器使用458热敏风速传感器套件,量程为0~25 m/s,布置在气体激励装置内部均压槽外部的喷气口处用来监测该处风速。全部实验装置如图7所示。

3 仿真结果与验证

3.1 重力环境下的数值模型验证

气体激励状态下,颗粒收集量与多种因素相关,如气体进口速度、冲击颗粒时的角度;而不同的颗粒-颗粒作用模型及颗粒-流体作用模型会对仿真结果产生一定影响。

图8为重力环境下仿真过程中颗粒随时间分布图。颗粒收集数量总是呈现先不变后增加最后逐渐趋于稳定的趋势,这一规律在原模型同样符合。这是由于在初始激励时,入口处进入的流体还未改变均压槽以外的装置内部流体区域,故一开始没有颗粒进入收集装置(0~0.1 s)。随着流体从均压槽进入装置内部,会扰乱内部流场,使其分布发生巨大变化,此时颗粒受到流体的曳力从无到有,也会剧烈运动,接着运动的颗粒随着气流进入收集装置内(0.1~0.2 s)。当流体持续激励,内部形成稳定流场,颗粒此时运动也趋于稳定,即颗粒收集量随时间变化很小(0.2~2.5 s)。根据以上状态变化,将气体激励过程分为3个状态:激励初始状态,剧烈激励状态,激励稳定状态。根据后续仿真结果与实验结果,在微重力情况下,该结论同样适用。

3.1.1 流场参数验证

如图9所示,选取收集桶固定一点P,验证该点激励气体随时间变化规律。同时对比仿真结果与实验数据。

在实际实验中,为避免偶然性,验证流场参数共完成9次。上位机采集数据图像如图10所示。

由于实际情况中气体泵的开关与实验装置连接管距离较长,输入气体时,装置入口处的压强不会瞬时变化为输入气压。可以在Fluent软件中编写用户定义函数(user-defined function,UDF)来实现入口压强随时间变化的关系,以减小该误差。已知实验使用的弯管内径为6 mm,控制开关处到装置进口处的长度约为1 250 mm,控制压力为0.4 MPa。根据泊肃叶定律,有

(6)Q=$\frac{\mathrm{\pi }{r}^{4}\mathrm{\Delta }p}{8\eta L}$

式(6)中:Q为流体的体积流量;r为管道半径;L为管长;Δp为管子两端压强;η为流体的黏滞系数,常温下空气的黏滞系数取η=1.85×10^-5 Pa·s。

流量与流速、横截面积的关系为

(7)Q=Av

根据式(7)可求解出0.4 MPa的气体在管中流动速度为5.23 m/s。假设管中运动气体均为理想气体且不可压缩,可算出在开始激励的0.18 s内,入口处气体压强为管中原气体压强0.1 MPa;0.18 s后,入口压强达到0.4 MPa。根据以上结论,可编写合适的UDF文件来控制入口的压力大小。

仿真与实验风速结果如图11所示,其表明,气体在短时间内速度均剧烈增加,而后达到稳定状态。在仿真中,气体速度随时间迅速增加,大约在激励开始2.5 s后,速度稳定为13.5 m/s,随后,虽有上下波动,但幅度不大;而实验结果中,气体流速随时间增加,到约2 s时稳定在12 m/s上下。造成仿真中稳定时间早于实验的原因是:实际激励时,流管内的气体不是不可压缩流体,所以实际情况下,入口处流体压强达到0.4 MPa的时间晚于0.18 s,故UDF不能完全符合实际情况;造成仿真中稳定流速小于实验的原因是:将气体与容器壁之间的作用力设置过大,能量损失偏大,从而最终仿真速度偏低。

3.1.2 收集量验证

重复实验9次,在重力环境下收集装置的颗粒平均数量为19个,而仿真实验中颗粒收集量为21个,结果如图12所示。

从流体场来看,固定点流速稳定状态时间相差约0.5 s,稳定时流速值相差在1.5 s以内;而从颗粒收集量来看,仿真模型与实验结果误差为9.5%,误差均属于可接受范围内。结果表明,所选取的颗粒与流体相互作用模型和流体运动模型可以贴合实际情况,该仿真方案可以模拟实际情况。

3.2 均压槽方案可行性验证

验证进气气体压力均匀性、收集量与均压槽的关系,将进气装置有无均压槽的仿真结果做对比,结果如图13~图15所示。

由图13(a)可知,进口后流体在收集桶底部激励时,左侧与右侧速度大小差异较大,导致气体在底部相遇时并不在收集装置正下方,获得向上速度时没有正对收集装置,有很大一部分逸出收集装置,从装置上方出口逃逸损耗,对比图13(b),在收集桶外侧左部分,有均压槽时速度明显增大,收集桶外侧过大的速度使流体能量损耗较大。从图14(b)可以看出有均压槽时的流体流线图左右更加对称,而在收集桶内整体流体速度大小偏小,收集桶内流体速度小可以让进入收集装置的固体颗粒稳定下来不会因为气体激励而继续高速运动,一方面可以节约能量,另一方面可以不使颗粒运动到收集桶外侧;从压力云图15对比可知,有均压槽时,压力在接触收集桶底部颗粒时趋于稳定,不易发生因流体压力不均匀而导致收集量较小的情况。

3.3 真空环境下的仿真结果分析及参数对比

通过地面试验验证模型后,对原设计模型进行仿真。由3.1可知,激励时间为0.2 s即可达到稳定状态。为了提高计算效率,将时步改为150步,步长设置为0.005 s,即总计算时长为0.75 s。将两个仿真软件中重力加速度大小更改为0 m/s²,其他边界条件保持不变,关注其激励2.5 s收集量以及流场状态参数。如图16所示,收集颗粒数达到了203个。

从图17可知,底部气体流速均可以按照预定路线流动,大部分进入收集桶,其余部分逃逸到收集桶以外的装置中。图18为速度云图。从俯视图看底面的气体速度云图,发现气体流动比较顺畅,仅存在两处对称小块死区(外圈速度为0 m/s处为装置均压槽出气口后方),但是随时间变化该区域位置也会发生变化,对整体激励过程影响不大。从侧视图看气体速度云图,可以发现从均压槽出气口射出的气体速度在水平方向越靠近中心越大,中心位置速度大小达到最大;且左右两侧气体速度基本对称,呈漩涡状。也即气体流动顺畅,地表上颗粒堆积处均可以被气体激励,且流体流向可以按照预计方向流动。

从图19颗粒迹线图可知,绝大部分颗粒的轨迹可以与气体流线图路径一致。初始激励阶段,颗粒迅速获得初始速度;剧烈收集阶段,颗粒路径与速度无明显规律,呈现位置随机、速度较大,分散在装置内部的收集桶内及装置内的空腔中。该阶段也有少量颗粒随着流体沿流体出口逸出;在达到稳定收集状态后,收集桶内颗粒在桶上方绕桶壁旋转,装置空腔内的颗粒也沿着均压槽上侧与收集装置空腔的切圆转动。

4 进气结构优化

原结构在均压槽出口处未设置任何缓冲,气流流经此处时会与结构发生碰撞导致动能的损耗;同时因为未设置导向角会使出口气流不规律出射,每次实验都具有偶然性。基于上述两点,对均压槽出口处结构进行改进。

4.1 模型改进

增加圆角结构以保证气体不会与装置发生激烈碰撞,可获得一定缓冲;在圆角后加入导向槽,使气体与目标颗粒接触前角度θ确定,不会无规则弹跳。改进后装置剖面图如图20所示。

4.2 流场分析

只增加圆角时,仿真参数设置与3.2节内容一致。通过比较装置修改前后相同进气气压的气体流线来判断改进后的圆角是否可以使气体流畅通过。仿真结果如图21所示。对比图17,可以看到装置改进后下方出气口处迹线更加流畅,数量也较多。

4.3 颗粒分析

对于导向角对装置的影响,采用不同的导向角对应不同进气压力的正交试验,通过对比采样量的变化来确定最佳的导向角与进气压力的组合。导向角分别为40°、50°、60°,入口处进气压力分别为0.035、0.040、0.045、0.050、0.055 MPa。由图8可知,仿真时长为0.2 s时状态会趋于稳定,为了节约计算时长,将仿真总时长设置为0.75 s,即步长为0.005 s,共150步。

如图22所示为各个进气角下,不同进气压力的颗粒平均速度与时间的关系。所有情况下的颗粒速度都遵循先增加、后减少、最后趋于平稳的特点。颗粒速度增加是由于气体激励作用,在气体曳力下颗粒平均速度剧烈增加;平均速度减少是由于颗粒受气体激励后,部分从出口逃逸,部分进入收集装置内与收集桶边缘作用后速度降低;速度趋于平稳是由于在此阶段仅有剩余未进入收集装置内的颗粒会在装置出口附近的空腔内旋转运动,这些颗粒数量、速度均随时间变化不大。在速度增加阶段,相同进气角对应的不同压强下,加速度大小大致相同,可以判断在进气角度固定的情况下,颗粒受气体激励作用力的大小与进气压力无关,加速阶段各个进气角的加速度大小关系为a_30°>a_50°>a_40°。在减速阶段颗粒加速度并不严格符合该规律,颗粒速度随时间变化存在不规律性,但是平均加速度大小仍符合a'_30°>a'_50°>a'_40°,可以判断进气角设置为30°时颗粒受气体激励效果最剧烈。在速度稳定阶段平均速度越大代表在装置内空转的颗粒数量越多,收集效果也就越差,对比发现装置平均速度v_30°>v_50°>v_40°。

3种进气角度方案中进气角度为30°激励效果最剧烈,剩余颗粒最多。颗粒收集数量对各个方案收集效果如图23、图24所示。

图23所示为各个进气角下,不同进气压力的颗粒进入收集装置内的数量与时间的关系。每个收集关系呈现先剧烈增加后稳定的特点,颗粒数量剧烈增加的时间能够对应颗粒速度的加速与减速阶段的时间。各个进气角的进气压力中,颗粒收集数量最低的均为0.55 MPa,气压过大收集效率反而变低。其中收集效率较高的区间均为0.40~0.45 MPa,最终收集量均为400个左右。

由图24可知,3种不同进气角度的收集装置收集颗粒数量均有从低气压到高气压呈现中间分布多、两边分布少的特点。其原因为:进气压力小时,动力不足导致大部分颗粒未能充分激励,按照预定轨迹运动的收集量较小;进气压力大时,颗粒动力过大,收集装置内没有气流出口,颗粒进入收集装置后随时间变化有一部分运动到收集装置外导致收集数量偏小。其中最佳收集量均在0.40~0.45 MPa时取得,收集量最高的进气角度、进气压力为30°、0.40 MPa,该状态下可以收集到500个颗粒中的457个。

5 结论

(1)设计了一种小行星表面小型颗粒的气体激励采样装置,可以实现微重力环境下对装置底面覆盖的可动固体小颗粒的采样。采样装置包络尺寸为30 cm×30 cm×30 cm,质量约为3 kg。该装置增加了均压槽结构以保证进气气体压力均匀激励。

(2)建立了微重力颗粒的物理模型、流体流动的物理模型;并通过建立CFD-DEM耦合仿真模型与地面实验确定了上述物理模型的真实性。可得到原装置在进气压力为0.3 MPa时,对于500个随机分布在底面的颗粒可以收集其中的203个。

(3) 根据收集过程中颗粒的位置及分布规律将收集状态分为3个阶段:激励初始状态,剧烈激励状态,激励稳定状态。可以根据稳定时间减少仿真计算时长。通过流体压力云图、速度云图及速度流线图验证均压槽结构对于气体压力稳定、速度顺畅有帮助。根据流体迹线图将收集装置结构进行改进,通过对装置进气结构增加圆角及进气角度的对比,并且用多组进气角-进气压力的仿真结果找到仿真收集量最高的组合为30°、0.40 MPa。

(4)研究只针对平整底面进行了以颗粒收集量为指标的优化,并未考虑其他工况,如凹凸不平底面以及斜坡等。后续可进一步拓展研究范围,纳入多元底面形态场景,同时丰富评价指标体系,推动相关技术的完善与推广应用。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	胡寿村, 季江徽, 赵玉晖, 等. 嫦娥二号飞越小行星试验中图塔蒂斯轨道确定与精度分析[J]. 中国科学: 技术科学, 2013, 43(5): 506-511.

[2]	Hu Shoucun, Ji Jianghui, Zhao Yuhui, et al. Determination and accuracy analysis of Tutatis orbit in Chang’e-2 asteroid flyby[J]. Science China: Technological Sciences, 2013, 43(5): 506-511.

[3]	曾祥远, 温童歌, 李姿雯. 小天体着陆动力学研究进展[J]. 中国科学: 技术科学, 2024, 54(5): 761-785.

[4]	Zeng Xiangyuan, Wen Tongge, Li Ziwen. Recent development of landing dynamics over small celestial bodies[J]. Science China: Technological Sciences, 2024, 54(5): 761-785.

[5]	赵洁凝, 耿淑娟, 王楷铎, 等. 小行星2024 RW1撞击分析: 从轨道确定到陨落预报[J]. 科学通报, 2025, 70(14): 2190-2196.

[6]	Zhao Jiening, Geng Shujuan, Wang Kaiduo, et al. Impact analysis of asteroid 2024 RW1: from orbit determination to fall prediction[J]. Chinese Science Bulletin, 2025, 70(14): 2190-2196.

[7]	Wang K, Zhou Q, Liu Y, et al. Research on space-based kinetic impactor disrupting small-sized asteroids under short warning time conditions[J]. Acta Astronaut, 2024, 219: 291-299.

[8]	Wang K, Li M, Zhou Q, et al. Targets selection and mission optimization of kinetic impact deflection test mission for small size asteroids[J]. Advances in Space Research, 2023, 72: 3477-3498.

[9]	任筱强, 吴伟仁, 王洪雨, 等. 月球探测发展与关键技术展望[J]. 深空探测学报(中英文), 2025, 12(2): 99-109.

[10]	Ren Xiaoqiang, Wu Weiren, Wang Hongyu, et al. Prospects of the lunar exploration development and key technologies[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2025, 12(2): 99-109.

[11]	王巍, 姚伟. 近地小天体采矿体系构想及效益初步评估[J]. 空间科学与试验学报, 2024, 24(1): 13-22.

[12]	Wang Wei, Yao Wei. Concept and preliminary evaluation of near earth asteroids mining architecture[J]. Journal of Space Science and Experiment, 2024, 24(1): 13-22.

[13]	余亮亮, 季江徽. 小行星热模型研究现状[J]. 天文学进展, 2013, 31(2): 185-201.

[14]	Yu Liangliang, Ji Jianghui. The review of thermal models for asteroids[J]. Progress in Astronomy, 2013, 31(2): 185-201.

[15]	刘德赟, 赖小明, 王露斯, 等. 小天体表面采样技术综述[J]. 深空探测学报, 2018, 5(3): 246-261.

[16]	Liu Deyun, Lai Xiaoming, Wang Lusi, et al. Summary of sampling technology for small celestial bodies[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2018, 5(3): 246-261.

[17]	Ulamec S, Biele J. Landing on small bodies: from the Rosetta lander to MASCOT and beyond[J]. Acta Astronautica, 2014, 93: 460-466.

[18]	Sawada H, Okazaki R, Tachibana S, et al. Hayabusa 2 sampler: collection of asteroidal surface material[J]. Springer Netherlands, 2017, 208: 81-106.

[19]	Lauretta D S, Balramknutson S S, Beshore E, et al. OSIRIS-REx: sample return from asteroid (101955) Bennu[J]. SPace Science Reviews, 2017, 212(1/2): 1-60.

[20]	魏启明. 轮刷式小行星采样器采样过程仿真与试验研究[D]. 沈阳: 沈阳理工大学, 2022.

[21]	Wei Qiming. Simulation and experimental study of the sampling process of a rotary brush asteroid sampler[D]. Shenyang: Shenyang Ligong University, 2022.

[22]	李春江, 王开宝, 王明旭, 等. “牛角管”式组合桨釜内中药膏剂的流动传热特性[J]. 科学技术与工程, 2024, 24(17): 7249-7259.

[23]	Li Chunjiang, Wang Kaibao, Wang Mingxu, et al. Flow and heat transfer characteristics of traditional Chinese medicine pastes in a ‘bullhorn’ type combined paddle reactor[J]. Science Technology and Engineering, 2024, 24(17): 7249-7259.

[24]	刘丽燕. 气体激励式小行星采样与送样特性仿真分析与实验验证[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2020.

[25]	Liu Liyan. Simulation Analysis and experimental verification of gas-driven asteroid sampling and sample delivery characteristics[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2020.

[26]	孙启臣, 赵曾, 刘晓庆, 等. 一种基于气体激励的小行星采样过程仿真分析与试验研究[J]. 新技术新工艺, 2018(9): 49-52.

[27]	Sun Qichen, Zhao Zeng, Liu Xiaoqing, et al. Simulation analysis and experimental research on asteroid sampling process based on gas excitation[J]. New Technology & New Process, 2018(9): 49-52.

[28]	邵文凯, 刘尘旻, 张克非, 等. 近地小行星矿物分离与资源提取的挑战与展望[J]. 宇航学报, 2025, 46(1): 17-36.

[29]	Shao Wenkai, Liu Chenmin, Zhang Kefei, et al. Challenges and prospects for mineral separation and resource extraction from near-earth asteroids[J]. Journal of Astronautics, 2025, 46(1): 17-36.

[30]	严培轩, 柳忠彬, 彭帝, 等. 基于CFD-DEM耦合的水射流锂-油解聚特征研究[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(12): 5266-5272.

[31]	Yan Peixuan, Liu Zhongbin, Peng Di, et al. Study on the characteristics of water jet lithium-oil depolymerization based on CFD-DEM coupling[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(12): 5266-5272.

基金资助

2023年哈工大航天探测委托研究课题(20230401132)

PDF (18153KB)

访问

被引

详细

导航

Received	Published	Revised
2025-06-19	2026-07-28	2026-01-07
Online Date
2026-08-14

摘要