小行星表面岩石超声波磨削采样装置设计与研究
发布时间：2021-08-04 12:20
小天体是人类了解太阳系的一个最重要的窗口,同时小天体含有丰富的贵金属及稀有元素,具有巨大的勘探价值,因此对小天体进行探测具有长远的意义。基于逆压电效应的超声波钻探装置具有结构简单、体积小、重量轻和轴向力小等优点,成功地解决了探测器运载能力紧张、尺寸限制严格、锚固力有限的问题,在深空探测领域展现出显著优势。本文针对我国首次小行星着陆采样任务,结合理论与仿真分析方法,设计了一种小行星表面岩石超声波磨削采样装置。基于弹性体假设,建立了压电换能器的动力学模型,根据压电换能器的频率方程初步确定各部分结构尺寸。借助梅森等效网络原理,建立纵-扭复合式压电换能器等效网络模型,对压电换能器的工作规律进行了描述。利用有限元方法,根据压电换能器包含输出能力、纵扭转换能力、能量利用率及输出振型稳定性在内的输出特性,对压电换能器的主要参数进行了分析与优化。针对优化后的换能器进行模态分析与谐响应分析,得到最大纵扭比、输出振幅等表征压电换能器输出特性的参数。针对纵-扭复合式压电换能器的运动输出方式,完成了能量传递单元的设计与研究。为了更好的了解自由质量单元在能量传递过程中的纽带作用,建立了包含压电换能器冲击头、自由...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
URAT样机对玄
（NASA）下的喷气推进实验室（JPL）研制了一种超声波岩石打磨工具URAT[1719]，它包括压电换能器，自由质量块和磨损工具钻头。URAT的钻头为具有大量塔形齿的圆盘，这些齿放大了钻头的加载力。在操作中，圆盘塔型齿与岩石表面接触振动。撞击齿顶端的集中应力反复作用引起微裂缝，从而磨损岩石。该工具的运动会引起超声波传输效应，能够将切屑从磨损区域移开。URAT的质量为0.4kg，长度和磨削头直径分别为14.4cm和6.35cm，它可以将材料磨削至5mm的深度。URAT的样机及磨削试验如图1-1所示。（a）URAT样机（b）样机磨削试验图1-1URAT样机对玄武岩的磨削试验[19]为了寻找外星球上现有或过去的生命，并对岩石，冰和土壤进行取样，美国JPL研制了冲击超声波钻探器（USDC）[2022]，如图1-2（a）所示。USDC由压电换能
ǎ?谘沂?胱晖方缑娲Φ?高频率应力波作用下，岩石发生破裂。压电换能器以共振方式驱动，并通过应力螺栓保持在压缩状态，以防止在操作期间破裂。该钻探器安装2.85mm的钻头能够在玄武岩和凝灰岩中使用低轴向预载荷（<10N）和低平均功率（<5W）进行高速钻孔。USDC钻头所需轴向力显著降低，此特征对于低重力环境中的行星采样具有显著优势。能够在坚硬的岩石，冰和填充的土壤中进行钻孔同样是一大优点。（a）USDC样机（b）USDC结构图1-2冲击超声波钻探器[21]JPL的研究人员基于USDC开发了超声囊地鼠（USG）[23,24]，其结构如图1-3所示。其钻头产生的钻孔大于钻头的外径，并且会形成直径小于取芯钻头内径的样芯。在保持孔完整性的情况下，降低了钻头堵塞的可能性，并且容易从钻头中提取样芯。USG的性能随着环境重力的变化，并不会发生显著变化。在俄勒冈州的胡德山进行的测试试验中，超声囊地鼠在5小时内共计完成1.25m深度的冰层钻进。图1-3超声囊地鼠结构图[24]使用单个钻具去完成未来设想中的大量任务具有极大的难度，因此多钻具的使用对于多功能采样是必不可少的。MIDAS系统由具有可互换钻具机制的USDC组成，集成在5自由度机械臂的末端[25]，样机及结构如图1-4所示。该接口本质上是一个弹簧加载的制动器，可以轻松地更换钻具并锁定到位，同时提供足够的夹持力。它不需要高扭矩传输，也不需要具有电源或通信连接，可以将USDC的机械能转移到钻具上，提供钻具旋转能力以暴露新的工作表面，并有助于碎屑的排除。在MIDAS样机上进行测试，成功地从模拟的火星风化层中采集了0.5m深的样本。
【参考文献】：
期刊论文
[1]纵扭超声换能器设计及其性能测试研究[J]. 袁松梅,唐志祥,吴奇,宋衡. 机械工程学报. 2019(01)
[2]小天体表面采样技术综述[J]. 刘德赟,赖小明,王露斯,刘晓庆,赵曾,张加波,全齐全. 深空探测学报. 2018(03)
[3]一种单压电叠堆驱动的回转冲击超声波钻[J]. 王印超,全齐全,于红英,柏德恩,邓宗全. 北京航空航天大学学报. 2018(09)
[4]小天体探测发展态势[J]. 王帅,谷知行. 国际太空. 2017(07)
[5]用于星球表面岩石采样的超声波钻进取心器[J]. 全齐全,李贺,邓宗全,王鑫剑,姜生元. 中南大学学报(自然科学版). 2016(12)
[6]小天体自主附着技术研究进展[J]. 崔平远,袁旭,朱圣英,乔栋. 宇航学报. 2016(07)
[7]一种基于压电驱动的火星岩石钻探器的研制[J]. 李贺,全齐全,王鑫剑,姜生元,邓宗全. 深空探测学报. 2016(02)
[8]中国深空探测现状及持续发展趋势[J]. 孙泽洲,孟林智. 南京航空航天大学学报. 2015(06)
[9]小行星表面取样技术分析[J]. 朱恩涌,孙国江,果琳丽. 中国航天. 2012(02)
[10]嫦娥一号卫星的初步科学成果与嫦娥二号卫星的使命[J]. 欧阳自远. 航天器工程. 2010(05)
博士论文
[1]单压电叠堆驱动回转冲击超声波钻探器研究[D]. 王印超.哈尔滨工业大学 2019
硕士论文
[1]冲击式超声波钻的换能器驱动特性研究[D]. 杨欣.哈尔滨工业大学 2018
[2]超声波钻探采样器的研制及试验研究[D]. 王鑫剑.哈尔滨工业大学 2014
[3]基于超声波/声波能量耦合机理的钻探器研究[D]. 杨康.南京航空航天大学 2012
[4]新型超声波钻探器的研究[D]. 郭俊杰.南京航空航天大学 2008
本文编号：3321687
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
URAT样机对玄
（NASA）下的喷气推进实验室（JPL）研制了一种超声波岩石打磨工具URAT[1719]，它包括压电换能器，自由质量块和磨损工具钻头。URAT的钻头为具有大量塔形齿的圆盘，这些齿放大了钻头的加载力。在操作中，圆盘塔型齿与岩石表面接触振动。撞击齿顶端的集中应力反复作用引起微裂缝，从而磨损岩石。该工具的运动会引起超声波传输效应，能够将切屑从磨损区域移开。URAT的质量为0.4kg，长度和磨削头直径分别为14.4cm和6.35cm，它可以将材料磨削至5mm的深度。URAT的样机及磨削试验如图1-1所示。（a）URAT样机（b）样机磨削试验图1-1URAT样机对玄武岩的磨削试验[19]为了寻找外星球上现有或过去的生命，并对岩石，冰和土壤进行取样，美国JPL研制了冲击超声波钻探器（USDC）[2022]，如图1-2（a）所示。USDC由压电换能
ǎ?谘沂?胱晖方缑娲Φ?高频率应力波作用下，岩石发生破裂。压电换能器以共振方式驱动，并通过应力螺栓保持在压缩状态，以防止在操作期间破裂。该钻探器安装2.85mm的钻头能够在玄武岩和凝灰岩中使用低轴向预载荷（<10N）和低平均功率（<5W）进行高速钻孔。USDC钻头所需轴向力显著降低，此特征对于低重力环境中的行星采样具有显著优势。能够在坚硬的岩石，冰和填充的土壤中进行钻孔同样是一大优点。（a）USDC样机（b）USDC结构图1-2冲击超声波钻探器[21]JPL的研究人员基于USDC开发了超声囊地鼠（USG）[23,24]，其结构如图1-3所示。其钻头产生的钻孔大于钻头的外径，并且会形成直径小于取芯钻头内径的样芯。在保持孔完整性的情况下，降低了钻头堵塞的可能性，并且容易从钻头中提取样芯。USG的性能随着环境重力的变化，并不会发生显著变化。在俄勒冈州的胡德山进行的测试试验中，超声囊地鼠在5小时内共计完成1.25m深度的冰层钻进。图1-3超声囊地鼠结构图[24]使用单个钻具去完成未来设想中的大量任务具有极大的难度，因此多钻具的使用对于多功能采样是必不可少的。MIDAS系统由具有可互换钻具机制的USDC组成，集成在5自由度机械臂的末端[25]，样机及结构如图1-4所示。该接口本质上是一个弹簧加载的制动器，可以轻松地更换钻具并锁定到位，同时提供足够的夹持力。它不需要高扭矩传输，也不需要具有电源或通信连接，可以将USDC的机械能转移到钻具上，提供钻具旋转能力以暴露新的工作表面，并有助于碎屑的排除。在MIDAS样机上进行测试，成功地从模拟的火星风化层中采集了0.5m深的样本。
【参考文献】：
期刊论文
[1]纵扭超声换能器设计及其性能测试研究[J]. 袁松梅,唐志祥,吴奇,宋衡. 机械工程学报. 2019(01)
[2]小天体表面采样技术综述[J]. 刘德赟,赖小明,王露斯,刘晓庆,赵曾,张加波,全齐全. 深空探测学报. 2018(03)
[3]一种单压电叠堆驱动的回转冲击超声波钻[J]. 王印超,全齐全,于红英,柏德恩,邓宗全. 北京航空航天大学学报. 2018(09)
[4]小天体探测发展态势[J]. 王帅,谷知行. 国际太空. 2017(07)
[5]用于星球表面岩石采样的超声波钻进取心器[J]. 全齐全,李贺,邓宗全,王鑫剑,姜生元. 中南大学学报(自然科学版). 2016(12)
[6]小天体自主附着技术研究进展[J]. 崔平远,袁旭,朱圣英,乔栋. 宇航学报. 2016(07)
[7]一种基于压电驱动的火星岩石钻探器的研制[J]. 李贺,全齐全,王鑫剑,姜生元,邓宗全. 深空探测学报. 2016(02)
[8]中国深空探测现状及持续发展趋势[J]. 孙泽洲,孟林智. 南京航空航天大学学报. 2015(06)
[9]小行星表面取样技术分析[J]. 朱恩涌,孙国江,果琳丽. 中国航天. 2012(02)
[10]嫦娥一号卫星的初步科学成果与嫦娥二号卫星的使命[J]. 欧阳自远. 航天器工程. 2010(05)
博士论文
[1]单压电叠堆驱动回转冲击超声波钻探器研究[D]. 王印超.哈尔滨工业大学 2019
硕士论文
[1]冲击式超声波钻的换能器驱动特性研究[D]. 杨欣.哈尔滨工业大学 2018
[2]超声波钻探采样器的研制及试验研究[D]. 王鑫剑.哈尔滨工业大学 2014
[3]基于超声波/声波能量耦合机理的钻探器研究[D]. 杨康.南京航空航天大学 2012
[4]新型超声波钻探器的研究[D]. 郭俊杰.南京航空航天大学 2008
本文编号：3321687
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