双螺旋阻隔式月壤取芯钻具设计及其性能研究

摘要

钻取采样可获取保持层序信息的月壤样品，这种样品对开展月球科学研究具有重要价值。针对我国探月三期钻取采样任务目标，在月面低重力、高真空、大温差等苛刻环境下，取芯钻具需要面对月壤剖面粒径分布不确定性风险，以较小的功耗，获得较高的取芯率。为此，取芯钻具的设计及验证方法研究，具有重要的理论和工程应用价值。以我国探月三期钻取采样取芯钻具研制为工程背景，开展以下研究工作。
　　对月壤特性进行分析并研究实验用模拟月壤的制备方法。对比分析国际上有关月壤特性的文献资料，建立月壤体密度和内聚力、内摩擦角之间的对应关系数学模型。以力学等效、参数范围覆盖等效为目标，提出针对钻取采样实验用的模拟月壤制备方法，为取芯钻具的钻进性能、取芯性能验证提供标准化实验样本。
　　阻隔式取芯钻头的结构参数设计研究。基于月壤弹塑性模型建立取芯钻头切屑月壤的负载模型，将取芯钻头的钻进功耗分解为切削和基体摩擦功耗，解释取芯钻头功耗曲线随深度变化的原因，通过实验验证理论分析的正确性。建立阻隔环构型对取芯性能影响的数学模型，分析结构参数变化对样芯原有状态的影响，完成钻头构型和功能参数设计。通过仿真模拟和实验验证阻隔环结构钻头构型及其功能参数设计的合理性和优越性。
　　双螺旋钻杆的结构参数设计研究。建立双螺旋钻杆的输土能力以及输土功耗数学模型，分析结构参数变化对钻杆性能的影响，并开展钻杆螺旋升角、槽宽比和翼高的优化设计。引入飞行阶段、月面工作阶段取芯钻具的力学边界条件，对钻杆的刚度和强度进行校核分析。研制双螺旋钻杆优选实验件，通过对比实验验证双螺旋钻杆设计参数的合理性。
　　研究取芯钻具针对多种月壤钻进工况的适应性并进行评价。依据着陆区月壤剖面粒径分布具有多样性和随机性的特点，结合取芯钻具结构参数的敏感尺寸，制备了小尺度、临界尺度和大尺度三种典型钻进取芯工况的实验样本。建立了取芯钻具组合体的钻进取芯综合性能评价标准，通过实验对比获得了取芯钻具对多工况模拟月壤的适应性评价量化指标。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 地外天体钻取采样技术发展及研究现状

1.3 取芯钻具技术分析与启示

1.4 本文主要研究内容

第2 章月壤物理力学特性及其地面模拟方法研究

2.1 引言

2.2 月壤的物理与力学特性

2.3 钻取采样用模拟月壤制备方法研究

2.4 月壤弹塑性本构模型目的和意义

2.5 本章小结

第3章 阻隔式取芯钻头设计与钻进取芯性能研究

3.1 引言

3.2 月面工作环境分析及取芯钻头结构组成

3.3 取芯钻头基体总体构型设计

3.4 钻头基体的阻隔环构型设计与分析

3.5 切削刃的构型参数设计研究

3.6 取芯钻头钻进取芯性能实验验证

3.7 本章小结

第4章 双螺旋钻杆输土模型与实验研究

4.1 引言

4.2 双螺旋钻杆结构参数及输土模型研究

4.3 钻杆力学性能分析

4.4 钻杆结构优化参数的实验验证

4.5 本章小结

第5章 多工况钻进实验与钻进取芯性能评价研究

5.1 引言

5.2 月壤取芯钻具工况分析

5.3 多工况钻进性能分析与验证

5.4 钻进规程与底出刃高度的匹配性研究

5.5 取芯钻具典型工况钻进取芯性能评价研究

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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