發(fā)布時(shí)間：2020-09-14 09:57

　　 地外天體的巖石樣品中包含自身地質(zhì)演化信息,隨著深空探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展,獲取巖石樣品已成為深空探測(cè)的重要目標(biāo)之一。鉆進(jìn)采樣是獲取深層巖石樣品的一種重要方式,而現(xiàn)有的鉆進(jìn)采樣仍然主要依靠電磁電機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源的傳統(tǒng)采樣設(shè)備。通常情況下,傳統(tǒng)鉆具破損巖石需要在較大的力矩和鉆壓力下達(dá)到巖石的應(yīng)力閾值以破碎巖石。由于探測(cè)器攜帶的有效載荷和能源有限,難以滿足傳統(tǒng)采樣設(shè)備持續(xù)增長(zhǎng)的鉆壓力和功耗要求。在弱重力場(chǎng)環(huán)境下工作時(shí),采樣裝置過(guò)大的鉆壓力可能造成探測(cè)器傾覆,這進(jìn)一步限制了傳統(tǒng)采樣裝置在深空探測(cè)中的應(yīng)用�；趬弘娞沾沈�(qū)動(dòng)的超聲波鉆探設(shè)備可在低鉆壓力和低鉆進(jìn)功耗下依靠高頻沖擊運(yùn)動(dòng)破碎巖石,在深空探測(cè)中具有良好的應(yīng)用前景。本文以月巖鉆進(jìn)采樣為工程背景,提出一種回轉(zhuǎn)沖擊超聲波鉆探器方案,該回轉(zhuǎn)沖擊超聲波鉆探器(本文簡(jiǎn)稱為“超聲波鉆探器”)僅利用單一壓電疊堆兩側(cè)的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)了鉆具的回轉(zhuǎn)和沖擊運(yùn)動(dòng),且回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沖擊運(yùn)動(dòng)可單獨(dú)調(diào)節(jié)。針對(duì)探測(cè)器進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)特性及實(shí)驗(yàn)研究,開展了以下工作:1)超聲波鉆探器壓電換能器設(shè)計(jì)研究;2)超聲波鉆探器驅(qū)動(dòng)特性研究;3)回轉(zhuǎn)沖擊作用下巖屑輸送過(guò)程研究;4)超聲波鉆探器鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究�；趭A心式壓電換能器的驅(qū)動(dòng)理論,提出一種由單壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)沖擊超聲波鉆探器設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)了新型壓電換能器構(gòu)型,改進(jìn)了啞鈴型沖擊變幅桿結(jié)構(gòu),計(jì)算沖擊變幅桿的振幅放大的系數(shù)用于評(píng)估沖擊變幅桿輸出性能;提出新型的V型縱扭復(fù)合耦合振子設(shè)計(jì)方案,分析耦合振子結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)扭縱比的影響,獲得扭縱比敏感參數(shù)�；谟邢拊椒ㄍ瓿蓧弘姄Q能器的模態(tài)簡(jiǎn)并,進(jìn)行壓電換能器的模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,完成壓電換能器兩側(cè)諧振匹配。建立壓電換能器電聲等效網(wǎng)絡(luò)模型,獲得壓電換能器聲阻抗值,為于相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)阻抗匹配提供數(shù)據(jù)支撐�；诤掌澖佑|理論,建立回轉(zhuǎn)單元的驅(qū)動(dòng)齒與轉(zhuǎn)子間的力學(xué)模型,研究了驅(qū)動(dòng)參數(shù)對(duì)力矩和轉(zhuǎn)速的影響�；诜蔷�性動(dòng)力學(xué)理論,建立自由質(zhì)量、沖擊變幅桿和鉆具間的離散運(yùn)動(dòng)模型。分析碰撞恢復(fù)系數(shù)、自由質(zhì)量等參數(shù)對(duì)沖擊單元能量傳遞特性的影響。開展自由質(zhì)量沖擊碰撞試驗(yàn),驗(yàn)證離散運(yùn)動(dòng)模型的正確性。分析巖屑在回轉(zhuǎn)沖擊作用下的螺旋輸送過(guò)程,基于螺旋輸送和振動(dòng)輸送理論,建立巖屑的力學(xué)模型,研究鉆具驅(qū)動(dòng)參數(shù)對(duì)有效排屑速度的影響規(guī)律。借助離散元數(shù)值模擬方法,基于Hertz-Mindlin with Bonding接觸理論建立巖屑顆粒仿真模型,并以巖屑顆粒堆積角這一宏觀參數(shù)為目標(biāo),開展接觸模型微觀參數(shù)匹配研究�；趲r屑顆粒模型,開展回轉(zhuǎn)沖擊作用下螺旋排屑仿真模擬研究,分析驅(qū)動(dòng)參數(shù)對(duì)巖屑輸送過(guò)程的影響�；赥aguchi實(shí)驗(yàn)分析方法,設(shè)計(jì)5因素3水平正交實(shí)驗(yàn),獲得驅(qū)動(dòng)參數(shù)對(duì)輸送過(guò)程影響的排列順序。研制回轉(zhuǎn)沖擊超聲波鉆探器樣機(jī),基于超聲波鉆探器鉆進(jìn)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了巖石鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究。利用激光測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量壓電換能器的輸出諧振振幅,驅(qū)動(dòng)壓電換能器的驅(qū)動(dòng)工作面,并驗(yàn)證了壓電換能器匹配的正確性。開展回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)與沖擊鉆進(jìn)對(duì)比鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn),證明了回轉(zhuǎn)沖擊有較高的鉆進(jìn)效率。開展回轉(zhuǎn)沖擊超聲波鉆探器鉆進(jìn)參數(shù)影響實(shí)驗(yàn),基于響應(yīng)面方法研究鉆探器各鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)鉆進(jìn)效率的交互影響,開展顯著性分析獲得影響鉆進(jìn)效率的主要因素�；阢@進(jìn)效率影響因素進(jìn)行鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化分析,獲取最佳的鉆進(jìn)參數(shù)配比并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。本文以月巖鉆探為目標(biāo),提出一種單壓電疊堆驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)沖擊超聲波鉆探器方案,能夠有效提高超聲波鉆探器的鉆進(jìn)效率,可為我國(guó)未來(lái)月球探測(cè)巖石采樣工具設(shè)計(jì)提供備選方案和技術(shù)支持。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P634.3
【部分圖文】：

分別為 Luna-16、Luna-20 和Luna-24。Luna-16 和 Luna-20 的鉆進(jìn)采樣裝置位于擺桿式機(jī)械臂末端，如圖1-1 a)所示。當(dāng)工作時(shí)，擺桿式機(jī)械臂將采樣裝置放置于月球表面，鉆進(jìn)采樣裝置開始鉆入表層并獲取月壤。Luna-16 采樣深度為 350 mm，采樣質(zhì)量 101 g，因?yàn)殂@進(jìn)過(guò)程中負(fù)載過(guò)大而停止鉆進(jìn)。Luna-20 鉆進(jìn)深度只有 250 mm，鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)多次功耗過(guò)載情況，最終僅獲得月壤 55 g。Luna-24 的鉆進(jìn)采樣方式為回轉(zhuǎn)沖擊采樣，目標(biāo)是獲取月球次表層 2 m 深度的月壤樣品。該采樣器通過(guò)滑軌提供鉆進(jìn)過(guò)程的支撐與導(dǎo)向，利用鋼絲繩牽引機(jī)構(gòu)提供鉆壓力。當(dāng)鉆壓力過(guò)大時(shí)，采樣器將開啟沖擊功能進(jìn)行回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)。在采樣器的實(shí)際工作過(guò)程中曾出現(xiàn)兩次系統(tǒng)過(guò)載報(bào)警，鉆進(jìn)深度最終停留在 2.25 m，采樣質(zhì)量為 170 g。由此可見

a) 宇航員壓入式取樣 b) 宇航員鉆進(jìn)取樣a) Coring using drive tubes by astronaut b) Drilling and coring by astro圖 1-2 Apollo 系列取芯方式Fig. 1-2 Apollo coring method爾濱工業(yè)大學(xué)宇航空間機(jī)構(gòu)及控制研究中心面向我國(guó)探月工程返回任務(wù)的技術(shù)需求，研制了多套月面鉆進(jìn)采樣實(shí)驗(yàn)裝備[26 29

) Icebreaker 鉆進(jìn)裝置 b) DAME 鉆進(jìn)裝置 c) MARTE 鉆進(jìn)裝圖 1-6 Honeybee Robotics 鉆探實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig. 1-6 Test bed of Honeybee Robotics NASA 和 Honeybee Robotics 公司聯(lián)合研制了一系列針對(duì)地外設(shè)備，其中比較有代表性的有 Icebreaker、DAME 和 MARTE[36 41]

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號(hào)：2818032