热传感器和钻井系统的发展适用于月球着陆器任务.外文翻译资料

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热传感器和钻井系统的发展适用于月球着陆器任务.
诺贝尔奖得主埃里卡·胡特尔·古尔德·卡尔格·杨高

即将到来的月球登陆车任务,例如从择机发射,发射“嫦娥2号”一些任务建议和研究目前正在考虑在NASA(例如尼尔et al .,2006年玫瑰提议美国国家航空航天局,2006年),欧洲航天局(例如Hufenbach,欧洲车间馆内进行月球登陆器,位于荷兰,2005;元,EPSC摘要卷2 epsc2007 - a - 00422的欧洲行星科学大会,波茨坦,德国,2007)和日本,日本(松本et al .,《宇航学报,59:68 - 76,2006)提供了新的可能性，测量月球风暴的热性能和确定全球月球热流量比迄今为止已知的更准确。这两个性质对于理解月球结构和月球 - 地球系统的演变具有重要意义。在本文中，我们介绍一些新的热传感器的工作，用于月球土壤的原位调查结合适用于月球纪念碑的新型钻井技术，这些系统可以优选地安装在移动站上，例如目前为中国嫦娥2号任务建造的月球车。给出了月球车当前测试的原型的一般描述，并且示出了用于钻探系统和热传感器的安装可能性。然后我们讨论热传感器和钻头的一些选项，以及如何将它们组合成一个紧凑型仪器。随后更详细地描述适于测量围绕井眼的材料的导热性的管状传感器。最后，当应用在月球钻孔中时，通过热建模研究这种管状传感器的性能，并与更常规的针状传感器的行为进行比较

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关键词 热探头 钻井 月球车

1简介

行星体的上层对整体的热历史具有大的影响，因为它们形成行星内部和自由空间之间的边界在地球上，所谓的地热温度梯度已经被广泛研究并且在许多地方被测量到几千米的深度（NOAA井眼数据和气候重建数据库2005）这些数据形成了地球内部温度分布及其在地质历史中的变化的详细建模的基础。他们还对了解层状地球的全球和当地能量平衡起着重要作用（Haenel等人，1988）。控制地热温度梯度的关键材料参数是与散装材料密度相关的热扩散系数ϱ。 热容量c和热导率lambda;

lambda;通常表现出随深度变化很大，因为它高度依赖于材料的质地和孔隙度（Wechsler和Glaser 1965）。在没有大气的岩石体上，如月球或小行星，从表面到内部的lambda;和Q的变化可能比地球上的大得多，因为这些物体被多孔的“碎石堆”层覆盖 称为碎石，其被认为起到像在主体的内部和外部空间之间的热绝缘片的作用。因此，知道热导率lambda;及其随深度的变化对于理解这些层的热预算和用于建模全身的热历史非常重要（Langevin和Arnold 1977）。美国国家研究委员会（2006）最近的一份报告也强调了热流测量的重要性，特别是月球的热流测量的重要性，热通量和热导率测量最好在几米深的钻孔中进行。 到目前为止，他们只在阿波罗15和17个任务的框架中（Langseth et al。，1972,1976）在月球的两个地方成功地完成了。这些开创性的原位测量表明，月球断层的最上层具有极低的热导率，这可能是由月球土壤颗粒的松散填充和不规则形状引起的（Pilbeam和Vaisnys 1973） 此外，第一次获得了月球内部热通量的数字。 然而，这些阿波罗测量的结果，在两个选定位置的局部测量，远远不足以创建月球热流和作为表面位置和深度的函数的热性质的变化的全局图像。计划在未来几年提供的新的月球着陆器任务提供了一个机会，通过使用许多微型地球物理包的网络（如目前在NASA研究中调查，参见Neal（2006））或通过使用 移动台作为Chang娥2月球车，是中国月球研究方案的一部分（Ju et al.2006）。我们根据Rosetta / Philae任务最近发展的遗产，讨论月球钻孔中的热测量设计，其中实验MUPUS将对彗星核表面进行热测量（Spohn et al。2007）

.有三个要考虑的部件：（i）适于测量具有一定深度分辨率的非常低的电导率的热导率传感器，（ii）用于传感器的部署系统，以及（iii）合适的钻孔装置我们提出了一种结合钻头和热传感器的仪器，该仪器可以从流动站操作固定月球着陆器。新颖的钻孔技术，例如 by Gao et al。 （2007）或Kouml;mleet al。 （2008b）可以允许在合理的时间和功率预算下在地层中产生高达2m深度的钻孔，而用于热传感器的所提出的部署系统可以同时有助于稳定井眼。为了允许容纳在流动站上的有限空间内，提出了一种柔性系统，其可在不使用时存储在紧凑的阀芯上，但在展开位置中表现为类似于刚性杆。类似于为部署MUPUS而开发的系统热探针（Spohn等人2007）提供了满足这些要求的合适的解决方案 .

为了测量钻孔周围材料的导热性，不同深度，诸如“加热针头探针”的瞬态方法似乎最有用（Kouml;mle等人2007,2008a）。然而，必须特别注意所使用的传感器的几何形状。 首先，必须确保传感器与井眼的壁具有良好的接触，因为真空间隙可以显着影响测量的精度。其次，由于几米深的钻孔不能在其全长上做得非常薄，所以热传感器应当设计成沿着其外壳表面加热的中空圆柱体而不是作为细针，除非它可以附接到其前侧 钻头。本文的结构如下。 首先，我们以一般方式考虑对月球表面的钻孔进行热测量的科学要求和技术限制，并确定现实的选择。然后一些目前计划的任务被描述，可能在不久的将来在月球上提供新的钻孔平台。因此，我们审查了短期新颖的钻探技术，可能有潜力在月球上形成合理的深而细长的钻孔，同时仍然符合有限的质量和功率预算。本文的主要部分致力于适合与钻/取样器系统组合的热传感器。 我们描述了最近开发的原型，包括部署装置和现有的有限元模型计算，示出了两个考虑的热传感器设计，管状和针状传感器的性能。

2钻孔中的热测量

2.1科学要求

对于行星体上的热测量，两个项目是主要关注的：

1. 材料在不同深度层中的导热性和扩散性，
2. 来自内部的稳态热通量，不受由太阳辐射引起的表面温度变化的干扰。

在这个深度，我们可以期望月球上这种不受干扰的条件吗？ 显然，这取决于表面温度变化，而表面温度变化又取决于辐射的周期性。 在月球的情况下，这个周期P大约为28天，然后，如果出现在方程 1是已知的，所谓的热skindepth可以计算为：

表1总结了深度1 m的地基的主要参数。 列出的价值主要取自在月球资料手册（Heiken et al。1991）收集的论文，这些资料反映了阿波罗任务完成后的知识状况。使用表1中给出的材料参数，其遵循D＆0.1m的典型趋肤深度。 如图1中的曲线图所示。 1，如果使用最小/最大值，则与该值没有太大偏差。 ϱ和lambda;在表1中列出，最多只有百分之几。

2.2技术约束当为月球墓地开发钻探时面临的技术限制涉及两个项目：

bull;井眼的深度，

bull;井眼的直径。

两者都主要受限于通常可用的有限重量，体积和功率预算。为了确定全局热通量，需要在几个热趋肤深度以下的深度中测量一定距离上的温度梯度。 尽管在几十米的距离上进行测量是合乎需要的，但是上述分析表明，使用精确的温度传感器，在深度小于1m的情况下测量长度1m可能足以评估内部热通量,因此选择2米钻探深度作为设计目标似乎是一个合理的折衷。关于钻孔直径，细长的孔对于热测量是最期望的，因为其对周围地表的机械结构和对地表中的自然温度场造成最小的干扰

表1深度为1的月球风石参数的代表值

属性 最小值 最大值 平均值 参考

堆积密度 1300 kgm -3 1300 kgm -3 1825 kgm -31 载体III（1991）：

米深计算从给 LSBp。 493;

定公式在参考中 （月球源书）

孔隙率 0.52 0.46 0.5 载体III等 （1991）：

LSB p。 492;

热电导率 0.015 J kg -1K -1 0.03 J kg -1 K -1 0.023 Wm -1 K -1 Vaniman（1991）：

LSB第36-38页;

热容量

（玄武岩） 840 J kg -1 K -1 Allen et al。 （1994）

平均粒子尺寸40lm 800lm 100lm McKay et al。（1991）：

LSB第304-306页;

压实强度 220 kPa Schultz和Siddhartan

（2007）

内聚 2.4kPa 3.8kPa 3.0kPa 载体III等 （1991）：

LSB p。 510;

内部摩擦角度41° 55° 49° 载体III等 （1991）：

LSB p。 510;

图 1 月球落叶松的变化与材料性质的关系。 全曲线假定表1中给出的平均密度，虚线对应于的最小和最大值：星形表示在表1中给出的最小，最大和平均k值

这对于10-20cm深度范围内的孔可能是没有问题的，但是对于2m深度的钻孔，大多数装置可能由于太大的壁摩擦和土壤关闭钻头上方的孔的倾向而停顿,这将与可恢复系统不兼容。 另一方面，直径在几厘米尺寸范围内的钻孔可能变得巨大，并且需要太多的功率用于月球漫游者任务.因此，合理的折衷可能在于1.5cm直至最大2cm直径的尺寸范围。 由于月球土壤具有一些内部粘结性，这种尺寸的孔甚至在撤出钻杆之后仍可保持打开.这一结论得到了阿波罗任务的宇航员报告的钻井经验的支持（Heiken等人，1991）。

3月球上的新洞穴平台

3.1 嫦娥2号月球登陆器

作为嫦娥1号后续任务的中国航天局嫦娥2号月球任务目前正在开发中。与嫦娥1号相反，它将是一个登陆任务，包括两个主要部分：固定着陆器和流动站。 任务的寿命计划约为6个月。在中国的各个研究机构已经建立了几个原型用于开发，其中两个在北京工业大学和哈尔滨工业大学（Ju等人2006）。

图2和图3显示了北京工业大学深空机器人研究中心开发的最新原型。 该流动站的主要参数列于表2。

图2 BJUT为Chang娥2任务设计的原型BJ2。 与热传感器集成的钻孔/取样系统可以成为该车辆的有效载荷的一部分。

图3 在BJUT为Change 2任务开发的BJ2流动站原型的侧视图，显示了更多轮子的细节和连接侧轮的摇杆 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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