采樣鉆具與月壤作用熱力特性及溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)研究.pdf

1、月球采樣對(duì)深空探測(cè)具有十分重要的意義，我國(guó)在月球無(wú)人自主采樣探測(cè)領(lǐng)域還處于起步階段，很多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。我國(guó)探月三期的任務(wù)目標(biāo)為月球次表層無(wú)人自主采樣并返回，鉆取采樣成為主要采樣方式之一。由于取樣深度較深，且鉆進(jìn)過(guò)程中無(wú)法通過(guò)注水、切削液等其他形式輔助散熱，加之月面的高真空、月壤極差的導(dǎo)熱特性等各種惡劣的工作環(huán)境，使得取樣過(guò)程中鉆具極有可能達(dá)到很高的溫度，致使結(jié)構(gòu)件破壞甚至燒鉆。另外，過(guò)高的溫度也會(huì)對(duì)月壤產(chǎn)生影響，直接影響獲取樣品的質(zhì)

2、量。因此，本研究在探月三期工程月面采樣預(yù)先研究重大專項(xiàng)的支持下，針對(duì)月面鉆取采樣的工程需求、取樣鉆具具體結(jié)構(gòu)形式以及鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)，開展采樣鉆具與月壤作用熱力特性及溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)研究，為取樣過(guò)程鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐，保證取樣鉆具的熱安全性。
　　在月面鉆進(jìn)取樣過(guò)程中，鉆具與月壤間相互作用是鉆進(jìn)過(guò)程中最主要的作用關(guān)系。首先以鉆進(jìn)小尺度月壤（不考慮月巖）作為研究工況，基于鉆具與月壤間相互作用特性和月壤的顆粒流動(dòng)特性，

3、確定切削熱源主要性質(zhì)。在此基礎(chǔ)之上，針對(duì)具體采樣取芯鉆具切削刃構(gòu)型和邊界條件，基于Jaeger的瞬時(shí)點(diǎn)熱源無(wú)限大物體傳熱模型，對(duì)切削刃局部的傳熱過(guò)程進(jìn)行建模分析，得到了針對(duì)本課題具體邊界條件的三維傳熱問(wèn)題的解析解，建立了鉆具溫升與鉆進(jìn)受力參數(shù)的理論模型，對(duì)鉆進(jìn)小尺度模擬月壤過(guò)程中的切削刃溫度場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。之后，搭建基于光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)的鉆進(jìn)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了常溫和低溫模擬月壤鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)，對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　月面鉆取過(guò)程中，

4、針對(duì)鉆具溫升的一個(gè)主要問(wèn)題在于，月球土壤中含有巖石，而鉆進(jìn)月巖一般會(huì)產(chǎn)生大量的熱量?？紤]到月壤中可能出現(xiàn)并且最有可能造成鉆進(jìn)過(guò)程中鉆具溫度較高的月巖塊體，并考慮真空環(huán)境對(duì)傳熱過(guò)程的影響，基于時(shí)間和空間離散化的思想，對(duì)真空環(huán)境下鉆進(jìn)模擬月巖過(guò)程中的鉆具生熱及溫升特性進(jìn)行了建模計(jì)算。為了提高模型適用性，在計(jì)算建模中，逐步考慮熱源形式、鉆具構(gòu)型等因素的影響以及計(jì)算速度的優(yōu)化，最終提出了一種面向鉆進(jìn)參數(shù)和負(fù)載條件對(duì)不同鉆具構(gòu)型廣泛適用的實(shí)時(shí)快速

5、計(jì)算鉆具溫升的方法，并進(jìn)行了真空中的鉆進(jìn)模擬月巖實(shí)驗(yàn)，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了完善修正以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在鉆具溫度預(yù)測(cè)模型基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆進(jìn)規(guī)程控制策略的干預(yù)，保證鉆具熱安全性。
　　模擬仿真是研究月面鉆取過(guò)程中鉆削溫升問(wèn)題的有效手段之一。月壤屬于離散顆粒系統(tǒng)，基于離散元方法研究表征顆粒系統(tǒng)傳熱特性的關(guān)鍵參數(shù)——有效導(dǎo)熱系數(shù)，并以此為目標(biāo)進(jìn)行離散元傳熱參數(shù)匹配。研制實(shí)驗(yàn)臺(tái)用穩(wěn)態(tài)方法對(duì)常壓和真空下的模擬月壤有效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并用瞬態(tài)方

6、法對(duì)離散元中的顆粒系統(tǒng)有效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了確定。最后基于中心組合設(shè)計(jì)方法，在研究主要參數(shù)對(duì)顆粒系統(tǒng)傳熱特性影響關(guān)系的基礎(chǔ)上，對(duì)與常壓和真空下的模擬月壤顆粒系統(tǒng)傳熱特性相似的離散元模型進(jìn)行了參數(shù)匹配，為后續(xù)的離散元仿真奠定了基礎(chǔ)。
　　基于離散元方法的仿真研究在復(fù)雜環(huán)境實(shí)現(xiàn)、土壤或巖石顆粒特性追蹤等方面都具有方法上的優(yōu)勢(shì)。在鉆具溫度場(chǎng)計(jì)算模型和離散元傳熱參數(shù)匹配的基礎(chǔ)上，基于對(duì)離散元軟件EDEM的二次開發(fā)，對(duì)各種環(huán)境工況下的鉆進(jìn)過(guò)程進(jìn)