本文選題：鉆取采樣 + 鉆具熱特性　； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2013年碩士論文

【摘要】：探月工程（三期）的主要任務(wù)是實現(xiàn)無人月面鉆取采樣并返回地球，由于月面的高真空環(huán)境以及月壤導(dǎo)熱率低的特點，且鉆具在鉆取采樣過程中采用無水冷等冷卻措施的干鉆模式，鉆具在鉆進過程中會產(chǎn)生大量熱量，并不斷累積致使鉆具溫度逐漸升高，過高的溫度將導(dǎo)致鉆具發(fā)生失效進而導(dǎo)致鉆取任務(wù)失敗。因此，本文針對一種確定構(gòu)型的取樣鉆具，開展了鉆具鉆進過程熱特性試驗研究。 針對內(nèi)翻式軟袋取心鉆具的結(jié)構(gòu)及工作原理進行了分析，基于鉆具的工作環(huán)境、采樣對象特性兩個方面，分析了影響取樣鉆具鉆進過程熱特性的因素。針對預(yù)測的模擬月巖鉆進極端工況，通過預(yù)估熱流密度等參數(shù)，開展了基于ANSYS的穩(wěn)態(tài)熱分析，獲得了鉆具溫度場分布情況，并預(yù)測了溫度測量系統(tǒng)的量程范圍。 根據(jù)預(yù)測的溫度測量系統(tǒng)量程范圍，研制了基于無線光纖光柵傳感器及基于無線K型熱電偶傳感器的溫度在線測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較大量程，，較好的測量精度及動態(tài)響應(yīng)性的特點，并分別將測試系統(tǒng)在北京衛(wèi)星制造廠研制的采樣鉆機試驗平臺與哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的全參數(shù)監(jiān)測取樣鉆機試驗平臺進行了集成。 開展了模擬月巖和模擬月壤的采樣過程鉆具熱特性試驗研究。在模擬月巖鉆進過程熱特性試驗研究中，開展了基于真空環(huán)境條件、負(fù)載對象、鉆進動力參數(shù)的鉆進過程鉆具溫升規(guī)律的研究，以及基于鉆具多點溫度監(jiān)測的溫度場分布的研究，獲得了鉆具鉆進月巖工況的熱特性風(fēng)險情況并預(yù)測了鉆具突破一定厚月巖的優(yōu)化鉆進動力參數(shù)范圍。在模擬月壤試驗研究中，開展了常溫常壓條件下基于全鉆進動力參數(shù)的鉆具鉆進過程溫升規(guī)律的研究，設(shè)計了模擬月壤低溫環(huán)境與常溫常壓環(huán)境鉆具鉆進過程熱特性對比試驗，在獲得了低溫與常溫條件下鉆具鉆進過程溫升規(guī)律差異的基礎(chǔ)上，得出了月面低溫環(huán)境鉆進過程鉆具熱特性規(guī)律，并預(yù)測了基于鉆進月壤的安全鉆進動力參數(shù)范圍。 本文獲得的鉆具熱特性規(guī)律將為后續(xù)深化鉆具材料、構(gòu)型設(shè)計以及鉆取采樣動力參數(shù)的確定提供依據(jù)。
[Abstract]:The main task of the lunar exploration project (phase three) is to realize the unmanned lunar drilling sampling and return to the earth. Due to the high vacuum environment of the moon and the low thermal conductivity of the lunar soil, and the drills in the process of drilling and sampling, the drilling tool will produce a large amount of heat in the drilling process, and the drill will accumulate a lot of heat in the drilling process. With the increase of temperature, the high temperature will lead to the failure of the drilling tool and lead to the failure of the drilling task. Therefore, in this paper, a test research on the thermal characteristics of the drilling tool is carried out for a sample drilling tool that determines the configuration.
According to the analysis of the structure and working principle of the inverted soft bag coring drill, based on the working environment of the drill and the characteristics of the sampling object, the factors affecting the thermal characteristics of the drilling tool are analyzed in two aspects. In order to predict the extreme conditions of the simulated lunar rock drilling, the steady state of the ANSYS based on the prediction of the heat flow density and other parameters is carried out. Through thermal analysis, the temperature field distribution of drill string is obtained, and the range of temperature measurement system is predicted.
According to the predicted range of temperature measurement system, a temperature on-line measurement system based on wireless fiber Bragg grating sensor and wireless K thermocouple sensor has been developed. The system has large measurement range, good measurement accuracy and dynamic response characteristics, and the sampling drilling machine developed in Beijing satellite manufacturing plant is developed respectively. The test platform is integrated with the experimental platform of the full parameter monitoring and sampling drill rig developed by Harbin Institute of Technology.
The thermal characteristic test of the simulated lunar and lunar soil sampling process is carried out. In the simulation of the thermal characteristics of the simulated lunar rock drilling process, the temperature rise law of the drilling tools based on the conditions of the vacuum environment, the load object and the drilling dynamic parameters is studied, and the temperature field distribution based on the multi point temperature monitoring of the drilling tools is studied. The thermal characteristics of the drilling tools are obtained and the optimum drilling dynamic parameters are predicted for the drilling tool to break through a certain thick moon rock. In the simulated lunar soil test, the temperature rise law of the drilling tools under the condition of the full drilling dynamic parameters under the ambient temperature and atmospheric pressure is studied, and the simulated lunar soil low temperature environment is designed. On the basis of the difference of the temperature rise law of drilling tools under the conditions of low temperature and normal temperature, the thermal characteristics of the drilling tools in the low temperature environment of the lunar surface are obtained, and the dynamic parameters range of the safe drilling based on the drilling moon soil is predicted.
The thermal characteristics of drilling tools obtained in this paper will provide a basis for further deepening of drilling tool materials, configuration design and determination of drilling dynamic parameters.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：P184;P634

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本文編號：1876035