與地質勘探采樣相比,月球鉆取采樣探測的作業(yè)環(huán)境、作業(yè)對象以及作業(yè)條件都存在極大差異,這對采樣執(zhí)行單元的鉆進能力和鉆進效能提出了更高需求。鉆進能力體現(xiàn)在月面環(huán)境下,利用探測器給定的有限能力,取心鉆頭對可鉆性等級不低于VI級巖石的鉆進突破能力,以及對非確知月壤的適應能力和取心能力。鉆進效能是指鉆進突破月巖功能的實現(xiàn)程度,以及突破月巖所需的綜合代價。受月球重力環(huán)境、探測器輕量化設計需求的影響,采樣機構能提供的用于破碎月巖的作用力有限。此外,受真空環(huán)境、輔助排屑介質以及返回時間窗口的限制,月巖鉆進過程中既缺少用于散熱的空氣對流,又沒有充足的熱傳導時間,散熱環(huán)境十分惡劣。因此,需要針對月巖鉆進過程,合理設計取心鉆頭構型、匹配鉆進規(guī)程,有效控制月巖破碎負載,從根本上降低鉆進溫升,實現(xiàn)低作用力條件下的高效能鉆進。本課題以月巖為鉆進對象,依次開展了1)單元切削刃直線切削模擬月巖力學特性分析與研究;2)模擬月巖切削破碎行為數(shù)值模擬與本構參數(shù)匹配;3)低作用力高效能巖石鉆進取心鉆頭設計;4)模擬月巖沖擊鉆進負載特性研究及試驗驗證。開展單元切削刃直線切削模擬月巖力學特性分析與研究,以可鉆性等級為評價依據,篩選地質巖石作為模擬月巖樣本;開展鉆頭鉆進軌跡分析,將進轉比與單刃切削深度等價;基于Mohr-Coulomb剪切破碎失效準則,通過載荷分離處理,建立模擬月巖的單元切削刃直線切削力學模型。獲得不同切削規(guī)程/構型參數(shù)對模擬月巖破碎負載的影響規(guī)律,并基于切削負載試驗,修正模擬月巖切削破碎模型中的當量摩擦系數(shù)。開展模擬月巖切削破碎負載特性數(shù)值模擬及參數(shù)匹配,以巖石碎屑作為構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試驗設計方法,以切削負載為宏觀響應,分別對兩個離散元模型進行本構參數(shù)匹配;通過切削負載試驗,驗證仿真模型準確性。通過數(shù)值模擬,獲得了不同切削深度和切削角度時,模擬月巖破碎行為及負載特性變化趨勢,驗證了理論模型中關于密實核區(qū)的存在假設。面向月巖低作用力高效能鉆進需求,開展月巖取心鉆頭構型設計研究,以月壤排屑取心功能為設計目標,確定帶有取心阻隔結構的球面螺旋型月巖取心鉆頭基體構型;以巖石鉆進特性為設計依據,確定尖角立刃的鉆頭切削刃構型;根據鉆頭構型幾何解析方程,將單刃碎巖理論模型拓展至回轉鉆進過程,建立模擬月巖鉆進破碎負載預測模型;基于鉆進負載特性試驗,分析鉆頭五個構型參數(shù)(前傾角、側傾角、尖角高度、尖角位置系數(shù)、尖角跨距)對巖石破碎負載特性的影響趨勢;以鉆進負載最小為目標,開展月巖取心鉆頭構型參數(shù)設計與優(yōu)選,并驗證優(yōu)選后的取心鉆頭鉆進效能。通過研究獲得一種能夠以較低破碎載荷被增系數(shù)鉆進巖石的月巖取心鉆頭構型,且該鉆頭在鉆進月壤時仍具備較高的排屑/取心能力。開展沖擊輔助破碎的模擬月巖鉆進負載特性研究,以鉆取采樣機構沖擊傳動鏈為分析對象,建立沖擊錘與鉆桿碰撞等效模型、沖擊應力在細長鉆桿中傳遞的理論模型;基于巖石彈性變形假設,建立模擬月巖單刃動載侵入破碎力學模型;根據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載預測模型,并將該模型拓展至巖石沖擊鉆進過程。通過研究獲得由鉆具傳遞至月巖取心鉆頭上的入射應力函數(shù),求解出巖石沖擊破碎區(qū)包絡邊界,并得到鉆進規(guī)程參數(shù)(沖擊頻率、進尺速率、回轉轉速)對巖石沖擊鉆進負載的影響趨勢。通過開展月巖取心鉆頭及其低作用力高效能鉆進特性研究,獲得回轉/沖擊鉆進模式下的模擬月巖破碎行為及其負載特性,并研制一種能夠在低作用力條件下實現(xiàn)月巖高效能鉆進的取心鉆頭,為探月工程三期取心鉆頭產品設計提供備選方案,為面向月巖高效鉆進的在軌作業(yè)規(guī)程設置提供技術支持。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：P184;V476.3
【部分圖文】：

面向低作用力高效能鉆進的月巖鉆進特性研究及取心鉆頭設計要適應小粒徑顆粒物質堆積物的鉆進取心，又能利用鉆取采樣動力資源（小鉆壓力、小回轉轉矩），高效、高可靠鉆進 VI 級石。因此，開展小切削深度下月巖破碎行為分析，建立鉆進負進負載最小為目標，優(yōu)選月巖取心鉆頭設計參數(shù)；針對月巖沖月巖取心鉆頭沖擊鉆進負載模型，并基于模擬月巖驗證不同鉆進負載特性。本文的研究成果為我國月面采樣返回任務的取心供理論依據，為實現(xiàn)低作用力條件下的月巖高效能鉆進在軌作供技術支持。內外研究現(xiàn)狀面采樣技術研究現(xiàn)狀0 至 1976 年間，前蘇聯(lián)先后發(fā)射了三次月球無人自動采樣返回探/20/24，其中 Luna-16 是人類首次實現(xiàn)地外天體無人自主采樣返回

a) Apollo-12 采樣任務和壓入式取心管 b) ALSD 回轉沖擊鉆機及其取心鉆具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，美國先后成功執(zhí)行了 6 次載人登月計劃。在 Apollo-11/12/14任務中，宇航員采用沖擊貫入式取心實現(xiàn)月面多點采樣，如圖 1-2（a）所示，平均貫入深度約 350mm。在 Apollo-15/16/17 任務中，宇航員攜帶了手持式回轉沖擊鉆機 ALSD，如圖 1-2（b）所示，ALSD 的額定回轉轉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勘探相比有了本質區(qū)別[31-36]：1）月面環(huán)境特殊性 i）低重力：導致低鉆壓力，地質勘探領域中的不存在；ii）導熱條件：由于要對采樣返回的月壤樣品進行礦物組成機械物理特性分析，因此要求不能有外來物質污染月壤樣品。這使乏冷卻液散熱，鉆頭處溫度容易累積，會加劇溫升。與地球環(huán)境不大氣層保護，因此月球環(huán)境幾乎為真空狀態(tài)，鉆進過程中無對流導壤的熱容量和導熱率極低，且月球剖面溫度按梯度分布，這對鉆具性提出了較高要求；iii）探測器能力有限：受火箭運載能力和成本的探測器系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的質量進行嚴格控制，再加上月球低重力環(huán)境能提供的動力有限，鉆進作用形式須以安全性為導向，導致低鉆進作鉆壓力、低回轉力矩以及低沖擊動力；iv）采樣時間窗口：由于執(zhí)行的時間需要嚴格控制，這意味著在有限的時間內必須完成采樣任務期給鉆取采樣分配的時間約 2 小時左右，可見高效能鉆進尤為重要。

本文編號：2826735