低速溅射小行星表面采样方案的动力学仿真
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摘要
探测小行星是未来几十年航天界的研究热点,其中采样返回任务可以采集小行星表面太阳系形成初期的原始成分,具有重要的研究意义,因而备受关注。本文研究了使用低速射弹溅射表层土壤的小行星采样方案(如日本宇航航空研究开发机构的隼鸟号与隼鸟二号),通过三维离散元法仿真了不同形状的射弹在重力或微重力环境下,垂直射入颗粒床的过程,并将仿真中得到的溅射质量与实验进行了对比,以此确定仿真过程的有效性。对于小行星表层,我们考虑两种不同的粒径分布:幂律分布与均匀分布,颗粒半径采用隼鸟号近距离探测的小行星"糸川"参数,为3mm到5mm之间。射弹撞击速度为11m/s到48m/s之间,垂直向下射入小行星表层。通过将软球离散元模型与高效并行树算法结合,我们发现溅射质量与射弹形状有明显的相关性:圆锥状射弹溅射质量要高于其他形状,如圆盘形、球形等,这与地面撞击实验结果相吻合。另外,我们分析了表面层粒径分布、孔隙度、静摩擦系数等实验很难分析的因素对溅射质量的影响。同时,我们发现在微重力环境下,溅射质量与撞击持续时间均会有较大提高,而在这种情形下,颗粒之间的凝聚力要远大于颗粒所受重力,因此是否考虑凝聚力作用会对最终结果产生较大的影响。在之后我们将研究撞击中撞击速度、撞击角等对溅射质量、溅射速度分布和撞击坑形状等的影响,并将其应用到小行星探测器采样机构设计中,为我国未来的小行星探测计划提供理论支持。
引文