月壤采样冲击机构的破岩机理与能量传输机理研究

China's third lunar exploration project will sample the lunar soil. The hollow spiral drill will be used to sample the deep lunar soil. According to a large number of tests and the experiences of Soviet and America, the drill cannot feed and sample if it faces a rock. Right now, the impulse function must be opened to broken the rock, so the design of the impulse mechanism is very important to the design of lunar soil sampling mechanism. Researches on the lunar rock crushing principle and the impulse transmission principle are necessary because of the special nature of lunar rock, the complex space environment, the limited power and the limited configuration. In this project, the discrete element and finite element coupling analysis model is established for lunar impact process, combined with the Hopkinson test on rock crushing mechanism, to obtain the optimal impact conditions, such as the optimal impulse power, impulse frequency, percussive rotary ratio, for the desired form of broken lunar rock. The impulse power transmission equation is established based on the wave theory for the special shaped sampling drill. The impacts on the impulse transmission efficiency of the hammer shape, drill parameters, impulse parameters and the material parameters are analyzed. Combined with the optimal impulse conditions, the lunar soil sampling mechanism is designed under multifactor. The research results can be the theoretical support of the lunar soil sampling mechanism overall design, and improve the lunar soil sampling efficiency.

我国探月三期工程即将开展月面采样工作，对于深层月壤采用空心螺旋钻进行回转钻进取样，由大量试验与美苏经验知，当遇到岩石块时钻具受阻无法进给和进样，此时须开启冲击功能破碎岩块才能继续，因此冲击机构设计对于月壤采样机构设计十分重要。由于月岩性质特殊，空间环境复杂，加之冲击机构的功率受发射限制，构型受回转功能限制，因此需专门针对月壤采样冲击机构进行月岩破碎机理研究与受限结构下的能量传输机理研究。本项目针对月岩冲击过程建立离散元与有限元耦合分析模型，结合霍普金森试验研究月岩的冲击破碎机理，获得使月岩破碎成期望形式的最优冲击功、冲击频率、冲击回转比等冲击条件，基于波动理论以采样钻具特殊构型为对象建立冲击功传输方程，分析冲锤形状、钻杆参数、冲击参数、锤杆材料等对冲击传递效率的影响，结合最优冲击条件进行月壤采样冲击机构的多因素集成设计。研究成果可为月壤采样机构整体设计提供理论支持，提高月壤采样效率。

本项目针对月壤采样返回任务中即将发挥重要功能的冲击破岩进行深入的理论研究与试验验证，主要针对月岩在冲击作用下的破碎机理与冲击功在采样钻具内的传输效率进行研究。采用离散元方法构建了可变本构的月岩力学模型，编制的离散元软件可实现月岩冲击破碎过程的动态仿真。采用霍普金森试验台对地面类月岩试件进行了性质测定，分别实现对红砖、砂岩的硬度测量、物理参数测量、单轴压缩试验、巴西劈裂试验和三轴压缩试验，得到红砖与砂岩的内摩擦角和内聚力等力学参数的变化关系，进而得到其本构关系特点，用于标定离散元与有限元模型。针对月岩受冲击作用后可能形成的不同形状碎块建立了月岩簇状颗粒离散元模型，并进行了不规则形状岩石碎片在月壤钻取过程中的动态仿真，计算了月岩碎片影响下月壤钻取采样的进样率。采用有限元方法建立月岩模型，进行月岩冲击过程仿真，分析了冲击传递过程对月岩破碎过程产生的效果，分析了转速、冲击速度及不同的波形载荷对冲击机构破碎不同硬度岩石的效率产生的影响趋势，有利于进一步优化机构的冲击参数，提高冲击破碎月岩的能力。统计冲击功的分散传递情况，明确了应力波在冲击作用下在冲锤与钻杆间的分配方式，以及应力波在钻杆内传递过程中能量的分配与转换规律，确定了重锤初始冲击动能中，用于产生钻杆应变能并最终传递至月壤介质的部分为有效冲击能量。根据一维波传输理论建立了月岩冲击过程冲击波的传递模型，并分析了最优应力波形，结合最优应力波的传输特性对冲锤部件和钻杆结构进行了反演设计。通过对冲击效率的分析和对冲锤和钻杆进行优化设计，最终实现多因素集成设计。最后分析了钻杆存在初始弯曲时冲击功的传递效率，初步探讨了不同初始弯曲量对冲击能量传递效率的影响。