月岩取心钻头及其低作用力高效能钻进特性研究
发布时间：2020-09-25 15:20
与地质勘探采样相比,月球钻取采样探测的作业环境、作业对象以及作业条件都存在极大差异,这对采样执行单元的钻进能力和钻进效能提出了更高需求。钻进能力体现在月面环境下,利用探测器给定的有限能力,取心钻头对可钻性等级不低于VI级岩石的钻进突破能力,以及对非确知月壤的适应能力和取心能力。钻进效能是指钻进突破月岩功能的实现程度,以及突破月岩所需的综合代价。受月球重力环境、探测器轻量化设计需求的影响,采样机构能提供的用于破碎月岩的作用力有限。此外,受真空环境、辅助排屑介质以及返回时间窗口的限制,月岩钻进过程中既缺少用于散热的空气对流,又没有充足的热传导时间,散热环境十分恶劣。因此,需要针对月岩钻进过程,合理设计取心钻头构型、匹配钻进规程,有效控制月岩破碎负载,从根本上降低钻进温升,实现低作用力条件下的高效能钻进。本课题以月岩为钻进对象,依次开展了1)单元切削刃直线切削模拟月岩力学特性分析与研究;2)模拟月岩切削破碎行为数值模拟与本构参数匹配;3)低作用力高效能岩石钻进取心钻头设计;4)模拟月岩冲击钻进负载特性研究及试验验证。开展单元切削刃直线切削模拟月岩力学特性分析与研究,以可钻性等级为评价依据,筛选地质岩石作为模拟月岩样本;开展钻头钻进轨迹分析,将进转比与单刃切削深度等价;基于Mohr-Coulomb剪切破碎失效准则,通过载荷分离处理,建立模拟月岩的单元切削刃直线切削力学模型。获得不同切削规程/构型参数对模拟月岩破碎负载的影响规律,并基于切削负载试验,修正模拟月岩切削破碎模型中的当量摩擦系数。开展模拟月岩切削破碎负载特性数值模拟及参数匹配,以岩石碎屑作为构建模拟月岩仿真模型的最小微元,建立模拟月岩二维/三维切削破碎离散元模型;基于PB、CCD试验设计方法,以切削负载为宏观响应,分别对两个离散元模型进行本构参数匹配;通过切削负载试验,验证仿真模型准确性。通过数值模拟,获得了不同切削深度和切削角度时,模拟月岩破碎行为及负载特性变化趋势,验证了理论模型中关于密实核区的存在假设。面向月岩低作用力高效能钻进需求,开展月岩取心钻头构型设计研究,以月壤排屑取心功能为设计目标,确定带有取心阻隔结构的球面螺旋型月岩取心钻头基体构型;以岩石钻进特性为设计依据,确定尖角立刃的钻头切削刃构型;根据钻头构型几何解析方程,将单刃碎岩理论模型拓展至回转钻进过程,建立模拟月岩钻进破碎负载预测模型;基于钻进负载特性试验,分析钻头五个构型参数(前倾角、侧倾角、尖角高度、尖角位置系数、尖角跨距)对岩石破碎负载特性的影响趋势;以钻进负载最小为目标,开展月岩取心钻头构型参数设计与优选,并验证优选后的取心钻头钻进效能。通过研究获得一种能够以较低破碎载荷被增系数钻进岩石的月岩取心钻头构型,且该钻头在钻进月壤时仍具备较高的排屑/取心能力。开展冲击辅助破碎的模拟月岩钻进负载特性研究,以钻取采样机构冲击传动链为分析对象,建立冲击锤与钻杆碰撞等效模型、冲击应力在细长钻杆中传递的理论模型;基于岩石弹性变形假设,建立模拟月岩单刃动载侵入破碎力学模型;根据不同工作阶段下的岩石切削破碎形式,建立模拟月岩的切削冲击破碎负载预测模型,并将该模型拓展至岩石冲击钻进过程。通过研究获得由钻具传递至月岩取心钻头上的入射应力函数,求解出岩石冲击破碎区包络边界,并得到钻进规程参数(冲击频率、进尺速率、回转转速)对岩石冲击钻进负载的影响趋势。通过开展月岩取心钻头及其低作用力高效能钻进特性研究,获得回转/冲击钻进模式下的模拟月岩破碎行为及其负载特性,并研制一种能够在低作用力条件下实现月岩高效能钻进的取心钻头,为探月工程三期取心钻头产品设计提供备选方案,为面向月岩高效钻进的在轨作业规程设置提供技术支持。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P184;V476.3
【部分图文】：
面向低作用力高效能钻进的月岩钻进特性研究及取心钻头设计要适应小粒径颗粒物质堆积物的钻进取心，又能利用钻取采样动力资源（小钻压力、小回转转矩），高效、高可靠钻进 VI 级石。因此，开展小切削深度下月岩破碎行为分析，建立钻进负进负载最小为目标，优选月岩取心钻头设计参数；针对月岩冲月岩取心钻头冲击钻进负载模型，并基于模拟月岩验证不同钻进负载特性。本文的研究成果为我国月面采样返回任务的取心供理论依据，为实现低作用力条件下的月岩高效能钻进在轨作供技术支持。内外研究现状面采样技术研究现状0 至 1976 年间，前苏联先后发射了三次月球无人自动采样返回探/20/24，其中 Luna-16 是人类首次实现地外天体无人自主采样返回
a) Apollo-12 采样任务和压入式取心管 b) ALSD 回转冲击钻机及其取心钻具a) Apollo-12 Sampling task and coring tube b) Apollo lunar soil drill and coring drill图 1-2Apollo 系列载人登月计划的采样装置Fig.1-2 The sampling device of Apollo series manned moon landing plan1969 至 1972 年间，美国先后成功执行了 6 次载人登月计划。在 Apollo-11/12/14任务中，宇航员采用冲击贯入式取心实现月面多点采样，如图 1-2（a）所示，平均贯入深度约 350mm。在 Apollo-15/16/17 任务中，宇航员携带了手持式回转冲击钻机 ALSD，如图 1-2（b）所示，ALSD 的额定回转转速和冲击频率分别为 280rpm和 37.8Hz[21~ 23]。表 1-1Apollo 采集的月岩样品[20]Table 1-1 Lunar rock samples returned by Apollo project[20]Apollo-11Apollo-12Apollo-14Apollo-15Apollo-16Apollo-17总量样品总重量（kg） 21.6 34.3 42.3 77.3 95.7 110.5 381.7大于10mm岩石总含量 44.9 80.6 67.3 74.7 72.3 65.9 69.5钙长石 — — — （0.4） （10.5） （0.5） （2.8）玄武岩 （19.9） （52.2） （9.1） （37.9） — （29.1） （22.9）
图 1-3Apollo-17 金牛座-利特罗（Taurus-Littrow）登陆点周围的月球环境照片Fig.1-3 The photo of Taurus-Littrow’s landing place during Apollo-17 project地球环境相比，月球环境在大气环境、温度环境以及重力环境等方差异，这使得月面钻探与地质勘探相比有了本质区别[31-36]：1）月面环境特殊性 i）低重力：导致低钻压力，地质勘探领域中的不存在；ii）导热条件：由于要对采样返回的月壤样品进行矿物组成机械物理特性分析，因此要求不能有外来物质污染月壤样品。这使乏冷却液散热，钻头处温度容易累积，会加剧温升。与地球环境不大气层保护，因此月球环境几乎为真空状态，钻进过程中无对流导壤的热容量和导热率极低，且月球剖面温度按梯度分布，这对钻具性提出了较高要求；iii）探测器能力有限：受火箭运载能力和成本的探测器系统中各环节的质量进行严格控制，再加上月球低重力环境能提供的动力有限，钻进作用形式须以安全性为导向，导致低钻进作钻压力、低回转力矩以及低冲击动力；iv）采样时间窗口：由于执行的时间需要严格控制，这意味着在有限的时间内必须完成采样任务期给钻取采样分配的时间约 2 小时左右，可见高效能钻进尤为重要。
本文编号：2826735
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P184;V476.3
【部分图文】：
面向低作用力高效能钻进的月岩钻进特性研究及取心钻头设计要适应小粒径颗粒物质堆积物的钻进取心，又能利用钻取采样动力资源（小钻压力、小回转转矩），高效、高可靠钻进 VI 级石。因此，开展小切削深度下月岩破碎行为分析，建立钻进负进负载最小为目标，优选月岩取心钻头设计参数；针对月岩冲月岩取心钻头冲击钻进负载模型，并基于模拟月岩验证不同钻进负载特性。本文的研究成果为我国月面采样返回任务的取心供理论依据，为实现低作用力条件下的月岩高效能钻进在轨作供技术支持。内外研究现状面采样技术研究现状0 至 1976 年间，前苏联先后发射了三次月球无人自动采样返回探/20/24，其中 Luna-16 是人类首次实现地外天体无人自主采样返回
a) Apollo-12 采样任务和压入式取心管 b) ALSD 回转冲击钻机及其取心钻具a) Apollo-12 Sampling task and coring tube b) Apollo lunar soil drill and coring drill图 1-2Apollo 系列载人登月计划的采样装置Fig.1-2 The sampling device of Apollo series manned moon landing plan1969 至 1972 年间，美国先后成功执行了 6 次载人登月计划。在 Apollo-11/12/14任务中，宇航员采用冲击贯入式取心实现月面多点采样，如图 1-2（a）所示，平均贯入深度约 350mm。在 Apollo-15/16/17 任务中，宇航员携带了手持式回转冲击钻机 ALSD，如图 1-2（b）所示，ALSD 的额定回转转速和冲击频率分别为 280rpm和 37.8Hz[21~ 23]。表 1-1Apollo 采集的月岩样品[20]Table 1-1 Lunar rock samples returned by Apollo project[20]Apollo-11Apollo-12Apollo-14Apollo-15Apollo-16Apollo-17总量样品总重量（kg） 21.6 34.3 42.3 77.3 95.7 110.5 381.7大于10mm岩石总含量 44.9 80.6 67.3 74.7 72.3 65.9 69.5钙长石 — — — （0.4） （10.5） （0.5） （2.8）玄武岩 （19.9） （52.2） （9.1） （37.9） — （29.1） （22.9）
图 1-3Apollo-17 金牛座-利特罗（Taurus-Littrow）登陆点周围的月球环境照片Fig.1-3 The photo of Taurus-Littrow’s landing place during Apollo-17 project地球环境相比，月球环境在大气环境、温度环境以及重力环境等方差异，这使得月面钻探与地质勘探相比有了本质区别[31-36]：1）月面环境特殊性 i）低重力：导致低钻压力，地质勘探领域中的不存在；ii）导热条件：由于要对采样返回的月壤样品进行矿物组成机械物理特性分析，因此要求不能有外来物质污染月壤样品。这使乏冷却液散热，钻头处温度容易累积，会加剧温升。与地球环境不大气层保护，因此月球环境几乎为真空状态，钻进过程中无对流导壤的热容量和导热率极低，且月球剖面温度按梯度分布，这对钻具性提出了较高要求；iii）探测器能力有限：受火箭运载能力和成本的探测器系统中各环节的质量进行严格控制，再加上月球低重力环境能提供的动力有限，钻进作用形式须以安全性为导向，导致低钻进作钻压力、低回转力矩以及低冲击动力；iv）采样时间窗口：由于执行的时间需要严格控制，这意味着在有限的时间内必须完成采样任务期给钻取采样分配的时间约 2 小时左右，可见高效能钻进尤为重要。
本文编号：2826735
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