为获得月球永久阴影区冻土的剪切强度特性，分析了月球冻土的矿物成分、粒径分布、干密度、含水率、赋存温度等物理特性，提出了月球冻土的模拟物制备与参数检测方法。基于变角剪切试验（Variable-Angle Shear Test,VAST）方法，开展了斜长质和玄武质原料混配、干密度1.71 g/cm3（相对密实度100%）、含水率3.7～9.5 wt%、温度低于–180℃的模拟月球冻土剪切强度测试。试验结果表明：模拟月球冻土在低围压下的剪切破坏模式以剪断面上的脆性断裂为主，随围压升高，模拟月球冻土的脆性降低、延性增加，破坏模式转变为整体压剪破坏，表观剪切强度下降；按直线型莫尔–库伦准则对模拟月球冻土在低围压下的剪切强度参数计算，结果显示其内聚力随含水率增加而近似线性增加，内摩擦角基本不随含水率变化，取值在50°～53°。

月球极区已经发现水资源存在的证据,极区水资源的探测、采集与利用技术日益成为世界各国研究的热点。冻土是月球极区水资源存在的重要形式,对极区冻土实施采样返回作业是未来深空探测的重要任务内容。为满足未来冻土采样任务需求,在中国首次开展了冻土模拟月壤采样技术试验研究。基于探月三期模拟月壤制备基础,结合国内外极区冻土类月壤含水量探测与分析信息调研,进行不同含水量的冻土模拟月壤制备,开展钻取试验,初步总结冻土类模拟月壤钻进特性。通过试验得出结论,相较于高密实度的无水模拟月壤,冻土类月壤黏度更大,所需钻进力载更大,钻进过程排粉状态明显不同,需采用的钻进策略也有显著差别,样品形态因含水量不同呈现块状散体或柱状。试验获得了冻土模拟月壤钻进特性第一手资料,可支持后续冻土月壤采样技术深入研究。

为了了解月壤特性变化对于月球车轮地相互作用的影响,对月壤的物理和力学特性参数进行分析,制作模拟月壤进行土壤参数测量实验和月球车轮地相互作用实验.根据实验数据及轮地相互作用力学模型进行模拟月壤参数的估计和辨识,将典型月壤参数带入模型进行理论分析和数值分析,并与试验中获取的车轮土壤相互作用数据进行对比.结果表明:土壤的承压特性参数主要影响车轮沉陷量,车轮驱动阻力矩主要受土壤的剪切特性影响,反映土壤物理特性的接触角系数变化对于轮地作用影响相对较小.该研究为进行月球车车轮力学性能的全面分析和月壤参数辨识等的应用提供了理论基础。

由太阳风注入月球表面月壤层的氦3(3He)是一种可供核聚变燃料使用的最有价值的月球资源之一.以Apollo月壤样品为基础,提出月表面3He含量与月表面归一化太阳风通量、月壤光学成熟度以及TiO2含量之间成线性关系.中国2007年10月24日首次成功发射的"嫦娥一号"(CE-1)探月卫星在世界上首次载有多通道微波辐射计,用于测量月表面微波辐射亮度温度(brightness temperature,Tb).本文根据CE-1观测的多通道Tb数据反演的全月球月壤层厚度,估算全月球月壤层3He总含量约为6.6×108kg,其中月球正面3.7×108kg,月球背面2.9×108kg.

月壤力学特性参数的研究可以使人们了解更多的星球地质学信息,也是进行月球探测车等设备开发以及未来从事人类月球活动的工程基础。利用月球车轮地作用测试平台和模拟月壤对6种不同尺寸和轮刺的车轮进行试验,利用传统压板试验和剪切试验测量土壤力学参数。针对月球车轮地作用地面力学积分模型进行耦合度和参数敏感度分析,进而将8个力学参数分为3组,即接触角系数、承压特性参数和剪切特性参数。提出一种循环迭代的参数辨识方法,利用相关度最大的挂钩牵引力、沉陷量和前进阻力矩分别对3组参数依次进行辨识。采用试验数据进行验证,结果表明,此方法可以高精度地辨识土壤的3个剪切参数,组合沉陷模量可以设定为一典型值,接触角系数和沉陷指数系数与车轮相关,反映了车轮的轮刺效应和尺寸效应。该方法避免了简化模型带来的参数辨识误差,实现了对于月壤参数的全面辨识,既可以估计月壤特性,还可以提高轮地作用力学模型的预测精度。

设计搭建了深空探测车车轮牵引特性试验台,制备了轮土试验用模拟月壤,在土槽中进行了模拟月壤的整备,重塑了就位月壤的力学特性.对不同轮齿类型的刚性车轮进行了牵引特性试验,分析了轮下模拟月壤的剪切破坏和车轮行驶阻力的表现形式.结果表明:增大轮上载荷能够提高挂钩牵引力,车轮的牵引效率随着滑转率的增加呈现先增加后降低的趋势;随着轮齿高度的增加,挂钩牵引力会随之增大,车轮的最大牵引效率有所降低;随着轮齿数目的增加,挂钩牵引力会随之增大,车轮的牵引效率变化不大;车轮转速在数值较低的范围内变化时,对牵引性能的影响较小.

我国"嫦娥"1号绕月卫星在世界上首次搭载了多通道微波辐射计,测量整个月球表面的微波热辐射,由此用以反演月球表面月壤厚度分布.文中以"嫦娥"1号微波辐射计2007年11月至2008年2月对月表的621轨观测数据为基础,由太阳入射角选取与归组对应的月表辐射亮度温度,按近邻插值方法得到整个月球表面昼夜辐射亮度温度分布.由月尘、月壤、月岩三层微波热辐射模型分析月球表面辐射亮度温度随纬度、频率以及FeO+TiO2含量的分布特征.首先以Apollo着陆点月壤层参数的实测值为基础,对Apollo着陆点辐射亮度温度的实测值与理论值进行了比较和定标分析。以Apollo着陆点高频通道对物理温度的反演为基础,结合月表面物理温度随纬度变化的经验性结果,由穿透深度较大的3 GHz通道的辐射亮度温度反演出整个月球表面的月壤厚度分布,并与Apollo着陆点月壤厚度的实测值做了比较与验证。

在月壤-车轮土槽测试系统上对月球车驱动轮在不同介质条件下的牵引性能进行了试验研究。试验结果表明:当滑转率在0～80%时,挂钩牵引力和效率系数呈现增加趋势,压实2次和4次的模拟月壤分别比自然状态时最大挂钩牵引力提高了38.9%和66.7%,最大效率系数提高了69.9%和171.6%。水泥路面的牵引性能要高于模拟月壤上的牵引性能,且当滑转率为20%时,驱动轮在水泥路面上的挂钩牵引力为其在模拟月壤上的8.2倍。驱动轮在模拟月壤和石英砂上的牵引性能相似,前者略好于后者,当滑转率为10%时,挂钩牵引力分别为36.8N和33.1N。

中国"嫦娥一号"探月卫星自2007年10月24日成功发射并于同年11月7日进入其工作轨道。在轨工作一年多,完成了全部使命,期间获取了大量的科学数据。其中"嫦娥一号"月球微波探测仪(Chang’e-1 Lunar Microwave Sounder——CELMS)已多次覆盖全月表面,首次获取了全月微波亮温分布数据,创建了"微波月亮"(Microwave Moon——Mic M)。"微波月亮"的建立为月球科学研究、宇宙科学研究、月球资源研究及应用、未来月球基地的建立等带来了全新的信息,与"可见月亮"、"红外月亮"及其它相关探测结果(如X、γ谱仪,中子谱仪)、地基探测及未来月球轨道上观测和就位探测等多方信息的融合、分析,将大大提升人类对太空、月球及宇宙起源、生命起源等问题的认识和研究水平,在人类探月活动中具有里程碑意义。在"嫦娥一号"卫星微波探测仪绕月探测之前,从来没有从月球轨道对全月球进行微波探测的活动。很多涉及月球微波特征研究,如月表微波亮温分布、月壤厚度及氦-3资源量分布信息、涉及月球历史等的研究多数是靠Apollo、Luna的落月点实测数据为依据,加上其它探测(如光学等)结果融合分析...

月球基地建设是当前"重返月球"的一个重要目标,为满足其建设需要大量结构材料。部分学者通过对真实月壤样品和模拟月壤进行各种高温烧结实验,分析了就地利用月壤矿物资源制备各种材料的方法。但由于月壤成分较为复杂,烧结产物的性能还很难满足实际需求。微波烧结技术作为一项新技术,具有传统烧结技术无法比拟的优势,更适合作为月球资源利用中的烧结加热技术。结合月壤中钛铁矿的含量,通过热力学分析,作者认为利用钛铁矿进行微波烧结实验来制备月球基地所需结构材料是一个值得深入研究的方案。