本文關(guān)鍵詞：采樣鉆具與月壤作用熱力特性及溫度場預(yù)測研究

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【摘要】：月球采樣對深空探測具有十分重要的意義,我國在月球無人自主采樣探測領(lǐng)域還處于起步階段,很多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。我國探月三期的任務(wù)目標為月球次表層無人自主采樣并返回,鉆取采樣成為主要采樣方式之一。由于取樣深度較深,且鉆進過程中無法通過注水、切削液等其他形式輔助散熱,加之月面的高真空、月壤極差的導(dǎo)熱特性等各種惡劣的工作環(huán)境,使得取樣過程中鉆具極有可能達到很高的溫度,致使結(jié)構(gòu)件破壞甚至燒鉆。另外,過高的溫度也會對月壤產(chǎn)生影響,直接影響獲取樣品的質(zhì)量。因此,本研究在探月三期工程月面采樣預(yù)先研究重大專項的支持下,針對月面鉆取采樣的工程需求、取樣鉆具具體結(jié)構(gòu)形式以及鉆進規(guī)程參數(shù),開展采樣鉆具與月壤作用熱力特性及溫度場預(yù)測研究,為取樣過程鉆進規(guī)程參數(shù)的設(shè)計優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐,保證取樣鉆具的熱安全性。在月面鉆進取樣過程中,鉆具與月壤間相互作用是鉆進過程中最主要的作用關(guān)系。首先以鉆進小尺度月壤(不考慮月巖)作為研究工況,基于鉆具與月壤間相互作用特性和月壤的顆粒流動特性,確定切削熱源主要性質(zhì)。在此基礎(chǔ)之上,針對具體采樣取芯鉆具切削刃構(gòu)型和邊界條件,基于Jaeger的瞬時點熱源無限大物體傳熱模型,對切削刃局部的傳熱過程進行建模分析,得到了針對本課題具體邊界條件的三維傳熱問題的解析解,建立了鉆具溫升與鉆進受力參數(shù)的理論模型,對鉆進小尺度模擬月壤過程中的切削刃溫度場進行預(yù)測。之后,搭建基于光纖光柵測溫系統(tǒng)的鉆進測溫實驗臺,進行了常溫和低溫模擬月壤鉆進實驗,對預(yù)測模型進行了實驗驗證。月面鉆取過程中,針對鉆具溫升的一個主要問題在于,月球土壤中含有巖石,而鉆進月巖一般會產(chǎn)生大量的熱量�？紤]到月壤中可能出現(xiàn)并且最有可能造成鉆進過程中鉆具溫度較高的月巖塊體,并考慮真空環(huán)境對傳熱過程的影響,基于時間和空間離散化的思想,對真空環(huán)境下鉆進模擬月巖過程中的鉆具生熱及溫升特性進行了建模計算。為了提高模型適用性,在計算建模中,逐步考慮熱源形式、鉆具構(gòu)型等因素的影響以及計算速度的優(yōu)化,最終提出了一種面向鉆進參數(shù)和負載條件對不同鉆具構(gòu)型廣泛適用的實時快速計算鉆具溫升的方法,并進行了真空中的鉆進模擬月巖實驗,對計算模型進行了完善修正以及實驗驗證。在鉆具溫度預(yù)測模型基礎(chǔ)上,實現(xiàn)對鉆進規(guī)程控制策略的干預(yù),保證鉆具熱安全性。模擬仿真是研究月面鉆取過程中鉆削溫升問題的有效手段之一。月壤屬于離散顆粒系統(tǒng),基于離散元方法研究表征顆粒系統(tǒng)傳熱特性的關(guān)鍵參數(shù)——有效導(dǎo)熱系數(shù),并以此為目標進行離散元傳熱參數(shù)匹配。研制實驗臺用穩(wěn)態(tài)方法對常壓和真空下的模擬月壤有效導(dǎo)熱系數(shù)進行了實驗測量,并用瞬態(tài)方法對離散元中的顆粒系統(tǒng)有效導(dǎo)熱系數(shù)進行了確定。最后基于中心組合設(shè)計方法,在研究主要參數(shù)對顆粒系統(tǒng)傳熱特性影響關(guān)系的基礎(chǔ)上,對與常壓和真空下的模擬月壤顆粒系統(tǒng)傳熱特性相似的離散元模型進行了參數(shù)匹配,為后續(xù)的離散元仿真奠定了基礎(chǔ)。基于離散元方法的仿真研究在復(fù)雜環(huán)境實現(xiàn)、土壤或巖石顆粒特性追蹤等方面都具有方法上的優(yōu)勢。在鉆具溫度場計算模型和離散元傳熱參數(shù)匹配的基礎(chǔ)上,基于對離散元軟件EDEM的二次開發(fā),對各種環(huán)境工況下的鉆進過程進行離散元建模和仿真。通過部分仿真結(jié)果與之前相應(yīng)實驗結(jié)果的對比,驗證離散元方法在研究鉆進熱特性及溫度場預(yù)測方面的可行性。在此基礎(chǔ)上基于離散元方法和鉆進負載特性對各種具體環(huán)境工況、鉆進負載和鉆具構(gòu)型條件下的鉆進熱特性,鉆具溫升預(yù)測,月壤、月巖溫度分布等進行仿真分析及研究,為月面鉆進取樣工程的規(guī)程參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)和參考。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V476.3

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本文編號：1202605