小行星快速膨胀碎岩方法研究

发布时间：2020-07-10 19:52

【摘要】：随着深空探测的不断深入,美国、日本等航天大国开展了诸多针对小行星的研究,小行星探测活动已日益成为前沿热点。小行星探测中,接触式探测是人类感知小行星物质最直接有效的手段。为了充分认识小行星,需要进行较为深层样品的获取和返回。我国正在积极开展小行星探测及采样的研究工作,首选的探测目标为小行星2016HO3,由于该小行星引力十分微弱,表面环境具有不确定性,对采样具有极为苛刻的要求。超声波钻进的反作用力小,可在小行星上有效的作业,但是由于受到功耗的限制使得岩石样品获取量很少,且样品多为粉末,不宜收集。为了获得更多的样品,本文提出了一种新的碎岩方法——超声波钻进加超临界流体膨胀碎岩法,先用超声波钻在岩石上打几厘米深的孔,再将膨胀碎岩器插入到打好的岩石孔中进行膨胀碎岩,可以在紧迫的资源下快速碎岩,以获取较大量样品。由于超声钻进在国内研究较多,技术较为成熟,而超临界流体膨胀碎岩方法还未有人研究,因此本文主要研究超临界流体膨胀碎岩方法。此方法利用超临界流体具有温度和压力无限性的原理进行碎岩,可破碎不同硬度的岩石。本文选择了超临界水作为膨胀介质,研究了超临界水的热力学特性,得到了超临界水温度、压力和体积的量化关系;本文研究了膨胀碎岩方法中的加热方式,考虑到能够配合钻具在旋转过程中进行快速加热,选择了加热效率高、加热温度易于控制的感应加热方式;本文设计了一种膨胀碎岩器,对其进行了整体结构设计和参数计算,保证了加热时储水压力容器的安全性和碎岩时的膨胀筒的无泄漏性;本文利用有限元软件对储水压力容器进行了应力仿真,得到了计算壁厚下储水压力容器的应力值,确保加热时容器的安全性;本文利用有限元软件对膨胀筒进行了超塑变形仿真,实现了强度上的匹配设计。通过在模拟阶段的仿真验证,能够实现人类认知岩石硬度下可靠的碎岩,具有获取样品的能力。
【学位授予单位】：北华航天工业学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P185.7;V476.4
【图文】：

示意图,采样原理,小行星,示意图

塔蒂斯小行星交会，并对图塔蒂斯小行星进行了的飞越探测，推动了我国小行星深空探测领域的发已应用的采样方式有日本“隼鸟号”的抛射体溅射、日本“隼鸟 2 号”的炸药撞击加抛射体溅射采体化采样。研究这四种针对小天体的采样方式对有很大的研究价值。样方式之前，需要对探测的目标小行星进行一定的的探测目标小行星为 Itokawa 糸川小行星。该小行约 300m，自转周期约 12.1h，引力只有地球的十。针对糸川小行星，“隼鸟号”探测器采用抛射体行星表面发射直径约 1cm、质量约为 5g、速度高后立即反弹，整个过程极为短暂，接触时间大约土壤或岩石碎片飞溅起来，进入回收密封装置[13]。力小行星，对探测器无反作用力，收集样品时间短A 公布资料得知，该探测器约采集了 10mg 样品返

采样机

行星快速膨胀碎岩方法研究探测器的探测目标为彗星”探测器搭载了一套钻取采示。SD2 采样机构运用了确定深度下的样品采集，速为 100~150 r /min，钻进释放取芯管，然后再钻进图 1.3 所示。当 SD2 采样度约为 1mm/min。SD2 钻mm3。

采样过程,采样机,钻具

D2 采样机构如图 1.2 所示。SD2 采样机构运用了回转钻进的工作方式，和采样功能，能够完成确定深度下的样品采集，其采样管的最大采样。该钻具的设计回转转速为 100~150 r /min，钻进功耗为 4~8W，当钻具，钻具将提升 1 mm 来释放取芯管，然后再钻进 20s 后向上收回取芯管，具体采样过程如下图 1.3 所示。当 SD2 采样机构钻进坚硬岩石时，可达到 220N，进给速度约为 1mm/min。SD2 钻取采样装置的反作用力，单次采样量约为 40mm3。图 1.2 SD2 采样机构

【参考文献】