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摘要：月球采样对深空探测具有十分重要的意义,我国在月球无人自主采样探测领域还处于起步阶段,很多关键技术亟待突破。我国探月三期的任务目标为月球次表层无人自主采样并返回,钻取采样成为主要采样方式之一。由于取样深度较深,且钻进过程中无法通过注水、切削液等其他形式辅助散热,加之月面的高真空、月壤极差的导热特性等各种恶劣的工作环境,使得取样过程中钻具极有可能达到很高的温度,致使结构件破坏甚至烧钻。另外,过高的温度也会对月壤产生影响,直接影响获取样品的质量。因此,本研究在探月三期工程月面采样预先研究重大专项的支持下,针对月面钻取采样的工程需求、取样钻具具体结构形式以及钻进规程参数,开展采样钻具与月壤作用热力特性及温度场预测研究,为取样过程钻进规程参数的设计优化提供理论基础与技术支撑,保证取样钻具的热安全性。在月面钻进取样过程中,钻具与月壤间相互作用是钻进过程中最主要的作用关系。首先以钻进小尺度月壤(不考虑月岩)作为研究工况,基于钻具与月壤间相互作用特性和月壤的颗粒流动特性,确定切削热源主要性质。在此基础之上,针对具体采样取芯钻具切削刃构型和边界条件,基于Jaeger的瞬时点热源无限大物体传热模型,对切削刃局部的传热过程进行建模分析,得到了针对本课题具体边界条件的三维传热问题的解析解,建立了钻具温升与钻进受力参数的理论模型,对钻进小尺度模拟月壤过程中的切削刃温度场进行预测。之后,搭建基于光纤光栅测温系统的钻进测温实验台,进行了常温和低温模拟月壤钻进实验,对预测模型进行了实验验证。月面钻取过程中,针对钻具温升的一个主要问题在于,月球土壤中含有岩石,而钻进月岩一般会产生大量的热量。考虑到月壤中可能出现并且最有可能造成钻进过程中钻具温度较高的月岩块体,并考虑真空环境对传热过程的影响,基于时间和空间离散化的思想,对真空环境下钻进模拟月岩过程中的钻具生热及温升特性进行了建模计算。为了提高模型适用性,在计算建模中,逐步考虑热源形式、钻具构型等因素的影响以及计算速度的优化,最终提出了一种面向钻进参数和负载条件对不同钻具构型广泛适用的实时快速计算钻具温升的方法,并进行了真空中的钻进模拟月岩实验,对计算模型进行了完善修正以及实验验证。在钻具温度预测模型基础上,实现对钻进规程控制策略的干预,保证钻具热安全性。模拟仿真是研究月面钻取过程中钻削温升问题的有效手段之一。月壤属于离散颗粒系统,基于离散元方法研究表征颗粒系统传热特性的关键参数——有效导热系数,并以此为目标进行离散元传热参数匹配。研制实验台用稳态方法对常压和真空下的模拟月壤有效导热系数进行了实验测量,并用瞬态方法对离散元中的颗粒系统有效导热系数进行了确定。最后基于中心组合设计方法,在研究主要参数对颗粒系统传热特性影响关系的基础上,对与常压和真空下的模拟月壤颗粒系统传热特性相似的离散元模型进行了参数匹配,为后续的离散元仿真奠定了基础。基于离散元方法的仿真研究在复杂环境实现、土壤或岩石颗粒特性追踪等方面都具有方法上的优势。在钻具温度场计算模型和离散元传热参数匹配的基础上,基于对离散元软件EDEM的二次开发,对各种环境工况下的钻进过程进行离散元建模和仿真。通过部分仿真结果与之前相应实验结果的对比,验证离散元方法在研究钻进热特性及温度场预测方面的可行性。在此基础上基于离散元方法和钻进负载特性对各种具体环境工况、钻进负载和钻具构型条件下的钻进热特性,钻具温升预测,月壤、月岩温度分布等进行仿真分析及研究,为月面钻进取样工程的规程参数优化提供理论依据和参考。 还原

关键词：广义月壤; 钻具; 热力特性; 温度场; 离散元; 参数匹配;

导师：邓宗全;