小天體是人類了解太陽系的一個最重要的窗口,同時小天體含有豐富的貴金屬及稀有元素,具有巨大的勘探價值,因此對小天體進行探測具有長遠的意義。基于逆壓電效應的超聲波鉆探裝置具有結構簡單、體積小、重量輕和軸向力小等優(yōu)點,成功地解決了探測器運載能力緊張、尺寸限制嚴格、錨固力有限的問題,在深空探測領域展現出顯著優(yōu)勢。本文針對我國首次小行星著陸采樣任務,結合理論與仿真分析方法,設計了一種小行星表面巖石超聲波磨削采樣裝置�；趶椥泽w假設,建立了壓電換能器的動力學模型,根據壓電換能器的頻率方程初步確定各部分結構尺寸。借助梅森等效網絡原理,建立縱-扭復合式壓電換能器等效網絡模型,對壓電換能器的工作規(guī)律進行了描述。利用有限元方法,根據壓電換能器包含輸出能力、縱扭轉換能力、能量利用率及輸出振型穩(wěn)定性在內的輸出特性,對壓電換能器的主要參數進行了分析與優(yōu)化。針對優(yōu)化后的換能器進行模態(tài)分析與諧響應分析,得到最大縱扭比、輸出振幅等表征壓電換能器輸出特性的參數。針對縱-扭復合式壓電換能器的運動輸出方式,完成了能量傳遞單元的設計與研究。為了更好的了解自由質量單元在能量傳遞過程中的紐帶作用,建立了包含壓電換能器沖擊頭、自由... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數】：74 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

URAT樣機對玄

（NASA）下的噴氣推進實驗室（JPL）研制了一種超聲波巖石打磨工具URAT[1719]，它包括壓電換能器，自由質量塊和磨損工具鉆頭。URAT的鉆頭為具有大量塔形齒的圓盤，這些齒放大了鉆頭的加載力。在操作中，圓盤塔型齒與巖石表面接觸振動。撞擊齒頂端的集中應力反復作用引起微裂縫，從而磨損巖石。該工具的運動會引起超聲波傳輸效應，能夠將切屑從磨損區(qū)域移開。URAT的質量為0.4kg，長度和磨削頭直徑分別為14.4cm和6.35cm，它可以將材料磨削至5mm的深度。URAT的樣機及磨削試驗如圖1-1所示。（a）URAT樣機（b）樣機磨削試驗圖1-1URAT樣機對玄武巖的磨削試驗[19]為了尋找外星球上現有或過去的生命，并對巖石，冰和土壤進行取樣，美國JPL研制了沖擊超聲波鉆探器（USDC）[2022]，如圖1-2（a）所示。USDC由壓電換能

ǎ?諮沂?胱暉方緱媧Φ?高頻率應力波作用下，巖石發(fā)生破裂。壓電換能器以共振方式驅動，并通過應力螺栓保持在壓縮狀態(tài)，以防止在操作期間破裂。該鉆探器安裝2.85mm的鉆頭能夠在玄武巖和凝灰?guī)r中使用低軸向預載荷（<10N）和低平均功率（<5W）進行高速鉆孔。USDC鉆頭所需軸向力顯著降低，此特征對于低重力環(huán)境中的行星采樣具有顯著優(yōu)勢。能夠在堅硬的巖石，冰和填充的土壤中進行鉆孔同樣是一大優(yōu)點。（a）USDC樣機（b）USDC結構圖1-2沖擊超聲波鉆探器[21]JPL的研究人員基于USDC開發(fā)了超聲囊地鼠（USG）[23,24]，其結構如圖1-3所示。其鉆頭產生的鉆孔大于鉆頭的外徑，并且會形成直徑小于取芯鉆頭內徑的樣芯。在保持孔完整性的情況下，降低了鉆頭堵塞的可能性，并且容易從鉆頭中提取樣芯。USG的性能隨著環(huán)境重力的變化，并不會發(fā)生顯著變化。在俄勒岡州的胡德山進行的測試試驗中，超聲囊地鼠在5小時內共計完成1.25m深度的冰層鉆進。圖1-3超聲囊地鼠結構圖[24]使用單個鉆具去完成未來設想中的大量任務具有極大的難度，因此多鉆具的使用對于多功能采樣是必不可少的。MIDAS系統由具有可互換鉆具機制的USDC組成，集成在5自由度機械臂的末端[25]，樣機及結構如圖1-4所示。該接口本質上是一個彈簧加載的制動器，可以輕松地更換鉆具并鎖定到位，同時提供足夠的夾持力。它不需要高扭矩傳輸，也不需要具有電源或通信連接，可以將USDC的機械能轉移到鉆具上，提供鉆具旋轉能力以暴露新的工作表面，并有助于碎屑的排除。在MIDAS樣機上進行測試，成功地從模擬的火星風化層中采集了0.5m深的樣本。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]縱扭超聲換能器設計及其性能測試研究[J]. 袁松梅,唐志祥,吳奇,宋衡.  機械工程學報. 2019(01)
[2]小天體表面采樣技術綜述[J]. 劉德赟,賴小明,王露斯,劉曉慶,趙曾,張加波,全齊全.  深空探測學報. 2018(03)
[3]一種單壓電疊堆驅動的回轉沖擊超聲波鉆[J]. 王印超,全齊全,于紅英,柏德恩,鄧宗全.  北京航空航天大學學報. 2018(09)
[4]小天體探測發(fā)展態(tài)勢[J]. 王帥,谷知行.  國際太空. 2017(07)
[5]用于星球表面巖石采樣的超聲波鉆進取心器[J]. 全齊全,李賀,鄧宗全,王鑫劍,姜生元.  中南大學學報(自然科學版). 2016(12)
[6]小天體自主附著技術研究進展[J]. 崔平遠,袁旭,朱圣英,喬棟.  宇航學報. 2016(07)
[7]一種基于壓電驅動的火星巖石鉆探器的研制[J]. 李賀,全齊全,王鑫劍,姜生元,鄧宗全.  深空探測學報. 2016(02)
[8]中國深空探測現狀及持續(xù)發(fā)展趨勢[J]. 孫澤洲,孟林智.  南京航空航天大學學報. 2015(06)
[9]小行星表面取樣技術分析[J]. 朱恩涌,孫國江,果琳麗.  中國航天. 2012(02)
[10]嫦娥一號衛(wèi)星的初步科學成果與嫦娥二號衛(wèi)星的使命[J]. 歐陽自遠.  航天器工程. 2010(05)

博士論文
[1]單壓電疊堆驅動回轉沖擊超聲波鉆探器研究[D]. 王印超.哈爾濱工業(yè)大學 2019

碩士論文
[1]沖擊式超聲波鉆的換能器驅動特性研究[D]. 楊欣.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[2]超聲波鉆探采樣器的研制及試驗研究[D]. 王鑫劍.哈爾濱工業(yè)大學 2014
[3]基于超聲波/聲波能量耦合機理的鉆探器研究[D]. 楊康.南京航空航天大學 2012
[4]新型超聲波鉆探器的研究[D]. 郭俊杰.南京航空航天大學 2008



本文編號：3321687