發(fā)布時(shí)間：2020-09-25 15:20

　　 與地質(zhì)勘探采樣相比,月球鉆取采樣探測(cè)的作業(yè)環(huán)境、作業(yè)對(duì)象以及作業(yè)條件都存在極大差異,這對(duì)采樣執(zhí)行單元的鉆進(jìn)能力和鉆進(jìn)效能提出了更高需求。鉆進(jìn)能力體現(xiàn)在月面環(huán)境下,利用探測(cè)器給定的有限能力,取心鉆頭對(duì)可鉆性等級(jí)不低于VI級(jí)巖石的鉆進(jìn)突破能力,以及對(duì)非確知月壤的適應(yīng)能力和取心能力。鉆進(jìn)效能是指鉆進(jìn)突破月巖功能的實(shí)現(xiàn)程度,以及突破月巖所需的綜合代價(jià)。受月球重力環(huán)境、探測(cè)器輕量化設(shè)計(jì)需求的影響,采樣機(jī)構(gòu)能提供的用于破碎月巖的作用力有限。此外,受真空環(huán)境、輔助排屑介質(zhì)以及返回時(shí)間窗口的限制,月巖鉆進(jìn)過(guò)程中既缺少用于散熱的空氣對(duì)流,又沒(méi)有充足的熱傳導(dǎo)時(shí)間,散熱環(huán)境十分惡劣。因此,需要針對(duì)月巖鉆進(jìn)過(guò)程,合理設(shè)計(jì)取心鉆頭構(gòu)型、匹配鉆進(jìn)規(guī)程,有效控制月巖破碎負(fù)載,從根本上降低鉆進(jìn)溫升,實(shí)現(xiàn)低作用力條件下的高效能鉆進(jìn)。本課題以月巖為鉆進(jìn)對(duì)象,依次開(kāi)展了1)單元切削刃直線切削模擬月巖力學(xué)特性分析與研究;2)模擬月巖切削破碎行為數(shù)值模擬與本構(gòu)參數(shù)匹配;3)低作用力高效能巖石鉆進(jìn)取心鉆頭設(shè)計(jì);4)模擬月巖沖擊鉆進(jìn)負(fù)載特性研究及試驗(yàn)驗(yàn)證。開(kāi)展單元切削刃直線切削模擬月巖力學(xué)特性分析與研究,以可鉆性等級(jí)為評(píng)價(jià)依據(jù),篩選地質(zhì)巖石作為模擬月巖樣本;開(kāi)展鉆頭鉆進(jìn)軌跡分析,將進(jìn)轉(zhuǎn)比與單刃切削深度等價(jià);基于Mohr-Coulomb剪切破碎失效準(zhǔn)則,通過(guò)載荷分離處理,建立模擬月巖的單元切削刃直線切削力學(xué)模型。獲得不同切削規(guī)程/構(gòu)型參數(shù)對(duì)模擬月巖破碎負(fù)載的影響規(guī)律,并基于切削負(fù)載試驗(yàn),修正模擬月巖切削破碎模型中的當(dāng)量摩擦系數(shù)。開(kāi)展模擬月巖切削破碎負(fù)載特性數(shù)值模擬及參數(shù)匹配,以巖石碎屑作為構(gòu)建模擬月巖仿真模型的最小微元,建立模擬月巖二維/三維切削破碎離散元模型;基于PB、CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,以切削負(fù)載為宏觀響應(yīng),分別對(duì)兩個(gè)離散元模型進(jìn)行本構(gòu)參數(shù)匹配;通過(guò)切削負(fù)載試驗(yàn),驗(yàn)證仿真模型準(zhǔn)確性。通過(guò)數(shù)值模擬,獲得了不同切削深度和切削角度時(shí),模擬月巖破碎行為及負(fù)載特性變化趨勢(shì),驗(yàn)證了理論模型中關(guān)于密實(shí)核區(qū)的存在假設(shè)。面向月巖低作用力高效能鉆進(jìn)需求,開(kāi)展月巖取心鉆頭構(gòu)型設(shè)計(jì)研究,以月壤排屑取心功能為設(shè)計(jì)目標(biāo),確定帶有取心阻隔結(jié)構(gòu)的球面螺旋型月巖取心鉆頭基體構(gòu)型;以巖石鉆進(jìn)特性為設(shè)計(jì)依據(jù),確定尖角立刃的鉆頭切削刃構(gòu)型;根據(jù)鉆頭構(gòu)型幾何解析方程,將單刃碎巖理論模型拓展至回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)程,建立模擬月巖鉆進(jìn)破碎負(fù)載預(yù)測(cè)模型;基于鉆進(jìn)負(fù)載特性試驗(yàn),分析鉆頭五個(gè)構(gòu)型參數(shù)(前傾角、側(cè)傾角、尖角高度、尖角位置系數(shù)、尖角跨距)對(duì)巖石破碎負(fù)載特性的影響趨勢(shì);以鉆進(jìn)負(fù)載最小為目標(biāo),開(kāi)展月巖取心鉆頭構(gòu)型參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)選,并驗(yàn)證優(yōu)選后的取心鉆頭鉆進(jìn)效能。通過(guò)研究獲得一種能夠以較低破碎載荷被增系數(shù)鉆進(jìn)巖石的月巖取心鉆頭構(gòu)型,且該鉆頭在鉆進(jìn)月壤時(shí)仍具備較高的排屑/取心能力。開(kāi)展沖擊輔助破碎的模擬月巖鉆進(jìn)負(fù)載特性研究,以鉆取采樣機(jī)構(gòu)沖擊傳動(dòng)鏈為分析對(duì)象,建立沖擊錘與鉆桿碰撞等效模型、沖擊應(yīng)力在細(xì)長(zhǎng)鉆桿中傳遞的理論模型;基于巖石彈性變形假設(shè),建立模擬月巖單刃動(dòng)載侵入破碎力學(xué)模型;根據(jù)不同工作階段下的巖石切削破碎形式,建立模擬月巖的切削沖擊破碎負(fù)載預(yù)測(cè)模型,并將該模型拓展至巖石沖擊鉆進(jìn)過(guò)程。通過(guò)研究獲得由鉆具傳遞至月巖取心鉆頭上的入射應(yīng)力函數(shù),求解出巖石沖擊破碎區(qū)包絡(luò)邊界,并得到鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)(沖擊頻率、進(jìn)尺速率、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速)對(duì)巖石沖擊鉆進(jìn)負(fù)載的影響趨勢(shì)。通過(guò)開(kāi)展月巖取心鉆頭及其低作用力高效能鉆進(jìn)特性研究,獲得回轉(zhuǎn)/沖擊鉆進(jìn)模式下的模擬月巖破碎行為及其負(fù)載特性,并研制一種能夠在低作用力條件下實(shí)現(xiàn)月巖高效能鉆進(jìn)的取心鉆頭,為探月工程三期取心鉆頭產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供備選方案,為面向月巖高效鉆進(jìn)的在軌作業(yè)規(guī)程設(shè)置提供技術(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】：2017
【中圖分類】：P184;V476.3
【部分圖文】：

面向低作用力高效能鉆進(jìn)的月巖鉆進(jìn)特性研究及取心鉆頭設(shè)計(jì)要適應(yīng)小粒徑顆粒物質(zhì)堆積物的鉆進(jìn)取心，又能利用鉆取采樣動(dòng)力資源（小鉆壓力、小回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩），高效、高可靠鉆進(jìn) VI 級(jí)石。因此，開(kāi)展小切削深度下月巖破碎行為分析，建立鉆進(jìn)負(fù)進(jìn)負(fù)載最小為目標(biāo)，優(yōu)選月巖取心鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)；針對(duì)月巖沖月巖取心鉆頭沖擊鉆進(jìn)負(fù)載模型，并基于模擬月巖驗(yàn)證不同鉆進(jìn)負(fù)載特性。本文的研究成果為我國(guó)月面采樣返回任務(wù)的取心供理論依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)低作用力條件下的月巖高效能鉆進(jìn)在軌作供技術(shù)支持。內(nèi)外研究現(xiàn)狀面采樣技術(shù)研究現(xiàn)狀0 至 1976 年間，前蘇聯(lián)先后發(fā)射了三次月球無(wú)人自動(dòng)采樣返回探/20/24，其中 Luna-16 是人類首次實(shí)現(xiàn)地外天體無(wú)人自主采樣返回

a) Apollo-12 采樣任務(wù)和壓入式取心管 b) ALSD 回轉(zhuǎn)沖擊鉆機(jī)及其取心鉆具a) Apollo-12 Sampling task and coring tube b) Apollo lunar soil drill and coring drill圖 1-2Apollo 系列載人登月計(jì)劃的采樣裝置Fig.1-2 The sampling device of Apollo series manned moon landing plan1969 至 1972 年間，美國(guó)先后成功執(zhí)行了 6 次載人登月計(jì)劃。在 Apollo-11/12/14任務(wù)中，宇航員采用沖擊貫入式取心實(shí)現(xiàn)月面多點(diǎn)采樣，如圖 1-2（a）所示，平均貫入深度約 350mm。在 Apollo-15/16/17 任務(wù)中，宇航員攜帶了手持式回轉(zhuǎn)沖擊鉆機(jī) ALSD，如圖 1-2（b）所示，ALSD 的額定回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和沖擊頻率分別為 280rpm和 37.8Hz[21~ 23]。表 1-1Apollo 采集的月巖樣品[20]Table 1-1 Lunar rock samples returned by Apollo project[20]Apollo-11Apollo-12Apollo-14Apollo-15Apollo-16Apollo-17總量樣品總重量（kg） 21.6 34.3 42.3 77.3 95.7 110.5 381.7大于10mm巖石總含量 44.9 80.6 67.3 74.7 72.3 65.9 69.5鈣長(zhǎng)石 — — — （0.4） （10.5） （0.5） （2.8）玄武巖 （19.9） （52.2） （9.1） （37.9） — （29.1） （22.9）

圖 1-3Apollo-17 金牛座-利特羅（Taurus-Littrow）登陸點(diǎn)周圍的月球環(huán)境照片F(xiàn)ig.1-3 The photo of Taurus-Littrow’s landing place during Apollo-17 project地球環(huán)境相比，月球環(huán)境在大氣環(huán)境、溫度環(huán)境以及重力環(huán)境等方差異，這使得月面鉆探與地質(zhì)勘探相比有了本質(zhì)區(qū)別[31-36]：1）月面環(huán)境特殊性 i）低重力：導(dǎo)致低鉆壓力，地質(zhì)勘探領(lǐng)域中的不存在；ii）導(dǎo)熱條件：由于要對(duì)采樣返回的月壤樣品進(jìn)行礦物組成機(jī)械物理特性分析，因此要求不能有外來(lái)物質(zhì)污染月壤樣品。這使乏冷卻液散熱，鉆頭處溫度容易累積，會(huì)加劇溫升。與地球環(huán)境不大氣層保護(hù)，因此月球環(huán)境幾乎為真空狀態(tài)，鉆進(jìn)過(guò)程中無(wú)對(duì)流導(dǎo)壤的熱容量和導(dǎo)熱率極低，且月球剖面溫度按梯度分布，這對(duì)鉆具性提出了較高要求；iii）探測(cè)器能力有限：受火箭運(yùn)載能力和成本的探測(cè)器系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，再加上月球低重力環(huán)境能提供的動(dòng)力有限，鉆進(jìn)作用形式須以安全性為導(dǎo)向，導(dǎo)致低鉆進(jìn)作鉆壓力、低回轉(zhuǎn)力矩以及低沖擊動(dòng)力；iv）采樣時(shí)間窗口：由于執(zhí)行的時(shí)間需要嚴(yán)格控制，這意味著在有限的時(shí)間內(nèi)必須完成采樣任務(wù)期給鉆取采樣分配的時(shí)間約 2 小時(shí)左右，可見(jiàn)高效能鉆進(jìn)尤為重要。

本文編號(hào)：2826735