重力场对土壤力学特性影响的试验研究

深空探测车辆在星体表面的通过性和星体表面土壤的可行驶性（附着系数、滚动阻力、牵引特性、承载能力等）与土壤的承压、剪切特性有关。研究不同星体表面的重力场对土壤承压、剪切特性的影响具有重要意义。为了克服重力场环境模拟的局限，本项目依据单位体积的颗粒重量公式γ=ρa，利用相似理论的方法，把不同材料的密度变化等效为同一材料的重力变化，从而研究重力加速度a的改变对土壤承压、剪切特性的影响。提出重力场影响因子的概念，通过正交试验，获得试验材料的颗粒级配、形状和材料属性的相关性，对不同密度的粉体材料进行承压、剪切试验，拟合得到重力场－土壤承压、剪切特性的影响因子曲线，揭示重力场变化与车辆通过性与地面可行驶性的机理及影响规律。应用重力场因子，可直接利用地球重力场条件下的地面力学试验结果去预测不同星体表面车辆的通过性和星体表面土壤的可行驶性。为研制深空探测车辆及其地面验证试验提供科学依据。

深空探测中涉及着陆和地面勘探的任务，都存在探测器与表面土壤相互作用问题。受重力场变化范围、时间和测试条件的局限，重力场对土壤力学特性影响的规律尚未被掌握。本文结合国家自然科学基金青年科学基金项目“重力场对土壤力学特性影响的试验研究” 通过把颗粒级配、形状和材料属性较为接近但密度参数ρ不同的几种金属粉末等效为同一种材料在深空环境中不同重力场下的几种状态，用密度参数ρ等效替代重力加速度a对土壤可行驶性的影响。.采用自制的土壤承压/剪切特性测试仪，对模拟土壤实施全面试验，在利用获得的数据求解力学参数时，对土壤的承压特性，选用了Bekker模型求解；对土壤的剪切特性，根据拟合误差，选用了纯指数模型。对试验结果进行方差分析获得了不同因素对试验结果的不同影响程度，得出了除颗粒密度外其他因素的最小影响水平，其中对土壤的承压特性分析中，压板的第三水平对其影响最小；在土壤的剪切试验中，压强的第二水平对其影响最小。在压板、压强的最小影响水平下对土壤的承压特性和剪切特性分别进行了回归设计，拟合得到了颗粒密度与土壤力学特性参数的回归曲线，其中与内摩擦角建立的模型保证了最优，其他的则不能保证最优性。根据土壤可行驶性的定义，推导出了颗粒密度与土壤最大净推力的方程，由分析可知，随着颗粒密度的增加，土壤的最大净推力先是小幅度减小，在颗粒密度为3 达到最小，之后是大幅上升。这个趋势与我们在分析图23时得到的结论是一样的，且最低点也是吻合的。这同时说明我们为力学参数建立的模型是合理的。.研究成果可用于判断深空环境下土壤的承载能力与剪切能力，为深空探测中不同星球表面着陆器和巡视探测器的设计与地面验证试验提供科学依据。