基于离散元理论的钻具与广义月壤作用传热特性及温升预测模型研究

Lunar drilling is one of the key technologies for lunar exploration program and deep space exploration. Given the high-vacuum, dry drilling process, and the poor thermal properties of lunar regolith, it is reasonable to expect that the drill bit may reach a very high temperature, which could result in structural damage unknown effect on lunar Drilling object. In view of the discrete nature of lunar regolith particles, the research establishes meso-scale constitutive model of lunar regolith. Aiming at mechanics and heat transfer characteristic, calibration between meso-scale parameters and macro parameters of lunar regolith will be performed. On this basis, contact mechanics and heat transfer model between drill and Lunar regolith are established. By Lunar drilling DEM simulations and drilling lunar soil and rock simulant experiments, the theory model and research method can be verified and improved. Then, according to the interaction mechanism and heat transfer model, Mechanism of movement and fragmentation, and heat transfer characteristic of drill-lunar regolith interaction are studied. Further, a fast prediction model for the temperature of the sampling drill under limited information condition is proposed. The model will establish foundation for real-time prediction of temperature in the process of Lunar drilling. The project will provide support for lunar drilling and deep space exploration.

月球钻探技术是探月工程及深空探测必须解决的关键技术之一。真空、无辅助散热、极低导热月壤等恶劣工况会导致钻具温升过高，破坏相关结构并影响钻进对象。本项目拟从月壤颗粒的离散本质出发，基于离散元理论建立月壤细观本构模型，首先解决在力学及传热特性上离散元细观参数与广义月壤宏观参数的匹配问题。之后，以此为基础，建立广义月壤与钻具间的接触力学模型和传热模型。并通过月面钻进离散元仿真和模拟月壤月岩地面钻进实验，对理论模型和研究方法进行验证与完善。最终，根据完善的作用机理和传热模型，研究钻进中钻具-广义月壤运移破碎机理和传热特性，并进一步提出有限信息条件下的钻具温升快速预测模型，为实时预测月面钻探过程中的钻具最高温升、保证钻具热安全性奠定一定的基础，为我国月球钻探以及深空探测中的钻探研究提供支持。

目前，嫦娥五号成功采样返回，我国已基本完成“绕、落、回”三期探月任务，而实际上我国的星球探索之旅才刚刚开始。星球钻探技术是星球探测关键途径及主要技术难点之一，本项目即是针对该问题中的月球钻进温升问题展开研究。项目按照计划完成了预定的研究内容和研究目标。本项目首先基于离散元方法、颗粒传热和实验设计方法，以有效导热系数作为主要目标特征参数，研究并完成了多个离散元传热相关参数的高效率高精度匹配，同时对颗粒介质/系统的传热特性影响参数及影响规律进行了研究，对离散元方法及颗粒系统传热相关研究具有重要意义。之后，基于参数匹配、理论探索及实验研究，建立了钻进月壤月岩的离散元传热模型，并基于离散元模型以及地面实验验证，对钻进中的钻具与月壤月岩相互作用、生热传热过程、温度场、钻进对象、主要影响因素进行了分析，揭示传热散热机理及对温度场进行模拟预测；除准确预测钻具温升，研究同时发现高温极易由钻进月岩产生，月壤排屑流动对真空散热作用有限，且钻具内样品温度很难降低，高温可能会对取样样品产生影响。最后，本研究从能量角度入手，结合解析与数值思想，提出了钻具温升快速计算方法；该方法在保证精度的前提下计算响应速度快、输入信息要求低、钻具适用范围广。除此之外，本研究提出基于离散元和快速计算方法的钻进规程干预策略，以保证工程实施中的钻具热安全性；干预过程证明了其必要性但被动散热时间较长，会影响工程时间。本项目为实时预测星球钻探过程中的钻具温升、保证钻具热安全性奠定了一定的基础，为我国月球钻探及深空探测中的钻探研究提供了一定的支持。