模拟月壤物理力学特性对钻进过程的影响机理研究

The objective of the third stage of China's Lunar Exploration Program is to realize the drilling and sampling on the lunar surface. The environment on the earth and the moon is significantly different. Due to the limitation of the carrying ability of the rocket, the drilling tools are special. The physical mechanical properties of the lunar soil are complicated and make important influence on the drilling process. Through the survey on the lunar soil samples and the sampling tools used by USA and Soviet, produce the lunar soil stimulant and carry out the drilling experiments. Monitor the rotary speed, penetration rate, drilling pressure, torque and power etc. and build the mathematical model of the relation between physical mechanical properties of the lunar soil stimulant and drilling parameters. .Simulate the drilling process numerically on the lunar soil by the Discrete Element Method and analyze the moving characteristics of lunar soil particles on the helical blade and inside the corer, in order to reveal the mechanism of cutting removal during drilling process and the influence mechanism of lunar soil characteristics as well as drilling parameters on the sampling ratio. According to the classical mechanics theory and the similarity principle, by replace the acceleration of gravity with 1/6 of that on the earth, the theoretical model can be extended to the microgravity environment to analyze the interaction mechanism between lunar soil and tools during the actual drilling process and optimize the structural parameters as well as drilling parameters, which provides the theoretical principle and scientific basis to increase the drilling efficiency and the lunar soil sampling ratio and make the drilling process on the moon successful.

我国探月工程三期目标要实现月表钻探取样，月球和地球环境差异很大，受火箭搭载能力的限制，所采用的钻进机具特殊，月壤的物理力学特性复杂，对钻进过程具有重要影响。通过对美国和前苏联采取的月壤样本以及取样机具进行调研，制备出模拟月壤，对模拟月壤进行地面实钻试验，实时监测回转转速、进尺速度、钻压、扭矩和功率等，建立模拟月壤的物理力学参数同钻进规程参数关系的数学模型。通过离散元法对月壤的钻进过程进行数值模拟，研究月壤颗粒在螺旋叶片上和取芯管内的运动规律，揭示钻进过程中的排粉机理以及月壤特性、钻进规程参数对取芯率的影响机理。运用经典力学理论和相似性原理，通过改变重力加速度的值为地球重力加速度的1/6,将数学模型推演到月球微重力环境下，分析实际月球钻进过程中月壤与机具的相互作用机理，并对钻具的结构参数、钻进规程参数进行优化，为提高钻进效率、提高月壤采取率，确保采样过程顺利进行提供重要的理论基础和科学依据。

我国探月工程三期目标要实现月表钻探取样，月球和地球环境差异很大，受火箭搭载能力的限制，所采用的钻进机具特殊，月壤的物理力学特性复杂，对钻进过程具有重要影响。.本项目基于此背景，完成了以下研究内容：（1）对模拟月壤进行地面实钻试验，实时监测回转转速、进尺速度、钻压、扭矩和功率等，建立了模拟月壤的物理力学参数同钻进规程参数关系的数学模型。（2）通过编制软件，利用离散元法对月壤的钻进过程进行数值模拟，由于离散元法的计算量过大，超出了个人电脑或工作站的计算能力，使用简化的模型对钻进过程进行了仿真，与地面实钻试验和数学物理模型进行了相互验证。（3）运用经典力学理论和相似性原理，通过改变重力加速度的值为地球重力加速度的1/6,将数学模型推演到月球微重力环境下，分析实际月球钻进过程中月壤与机具的相互作用机理，并对钻具的结构参数、钻进规程参数进行了分析和优化。.通过一系列的理论计算和分析，得出了以下关键数据和结论：（1）钻进深度、回转转速、进尺速度，以及外载的增大都将使钻进所需功耗线性增大，其中以外载钻压对功耗的影响最为显著。（2）由于月球的低重力环境，月球环境下的钻进总功率相对于地球环境而言有所降低，比如在回转速度400rpm、给进速度0.1m/min、外载钻压200N和进尺深度2m时，月球环境下的钻进总功率比地球环境下的降低11.35%。（3）在地球和月球环境下，埋钻重启所需扭矩均随着埋钻深度的增大而增大，且地球环境下的增大幅度显著高于月球环境；在埋钻深度为2m时，地表和月表埋钻重启扭矩分别为24.529Nm和7.527Nm，月球环境下的所需扭矩降低了69.31%。（4）钻具与月壤间的摩擦系数对钻进所需功耗的影响最为显著，当摩擦系数由0.1增大到0.9时，地球环境下的钻进所需总功耗由6.76W增大到64.94W，月球环境下的钻进功率由6.01W增大到54.00W。（5）在地球环境下，螺旋升角为8°~20°时可获得最小的钻进总功耗；在月球环境下，当螺旋升角大于8°以后，螺旋升角对钻进总功耗的影响可忽略不计，可从降低钻具质量和增大排粉能力两个方面设定权值进行考虑。.将本项目的研究理论、软件和成果用来分析不同的钻具和模拟月壤，可以得出相似的结论及一般性的规律，本项目的研究过程和关键数据可以为我国探月工程提高钻进效率、提高月壤采取率，确保采样过程顺利进行提供重要的科学依据。