太空超声取样钻机的设计研究

论文摘要

随着科学技术的发展,人类已经不能满足于仅仅在地球上进行科学研究,迫切地需要将视野扩大到太阳系乃至整个宇宙;同时,全球资源和环境问题日益紧张,促使人类必须将视野扩大到地外,寻找可供人类使用的能源和宜居的地外环境。太空探索迫在眉睫。我国于2000年和2006年发布两次政府白皮书,明确提出现阶段重点开展月球探测,实现无人探测器月面软着陆并进行月面勘察。然而,地表常规钻进方法（大轴向力、高能耗、采用风动或液动设备）在月面复杂环境（昼夜温差大、低重力等）难以实现。因此,本文综合实验室在地质钻探方面的优势和系统冲击动力学的部分研究成果,就一种能在地外进行岩芯样品采集的新型太空超声波取样钻机进行了理论和样机设计的基础研究工作。研究方法上,本文通过单质量受迫振动系统的运动方程和LC振荡电路系统方程的相似性,将致动器各部分的机械结构等效成电路网络,利用电路中的电学参数表征致动器尺寸等结构参数,得到一个由机械结构参数控制的强机电耦合电路模型。利用该电路的串联谐振条件计算出了超声致动器的结构尺寸。使用大型通用有限元分析软件ANSYS,对超声致动器在030000Hz的频率范围内进行了模态分析。然后用NV-2901激光多普勒测振仪对超声致动器样机进行了频响测试,验证了有限元方法在致动器模态分析上的准确性。本文设计太空超声取样钻机,整机质量201.5g,总共只有5个零部件;在超声取样钻机试验平台上,对粘土砖、泥岩等不同岩石样品进行了钻进试验。实验证明,在不同硬度岩石样品上进行采样分析工作切实有效可行。该太空超声取样钻机的创新特点在于:重量轻,结构简单,功率小,适应性强,可满足地外钻进苛刻要求下的岩石取样分析工作。最后,对超声取样钻机的设计和实验进行了总结,针对设计和实验过程中出现的问题,提出了一些改进方案和建议,为以后超声取样钻机的进一步研究和优化设计奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 无人太空取样面临的科学问题
• 1.3 无人太空取样设计任务的提出
• 1.4 国内外无人太空取样钻机的研究及发展现状
• 1.4.1 国外应用或在研的太空取样机构
• 1.4.1.1 地外土壤取样机构
• 1.4.1.2 地外岩芯取样机构
• 1.4.2 国内研究的太空取样机构
• 1.5 岩芯取样方法的选择
• 1.6 本文的主要内容及研究方法
• 第2章 超声取样钻机基本结构
• 2.1 超声致动器
• 2.1.1 超声致动器基本结构
• 2.1.2 致动器类型及结构的选择
• 2.1.2.1 类型
• 2.1.2.2 结构形式
• 2.2 超声波发生器
• 2.2.1 基本工作要求
• 2.2.2 一般分类
• 2.2.2.1 电压控制型驱动电源
• 2.2.2.2 电荷控制型驱动电源
• 2.2.3 超声波发生器的选择
• 2.3 本章小结
• 第3章 超声致动器的设计
• 3.1 设计原始数据
• 3.2 致动器零部件材料及结构的选择
• 3.3 超声致动器设计计算方法
• 3.4 超声致动器的机电等效
• 3.4.1 后盖板及变幅杆机电等效
• 3.4.2 压电陶瓷片的机电等效
• 3.5 超声致动器尺寸计算
• 3.6 致动器ANSYS 模态分析
• 3.7 钻杆压杆稳定计算
• 3.8 本章小结
• 第4章 超声取样钻机振动测量及钻进实验
• 4.1 超声致动器的装配
• 4.1.1 超声致动器的装配流程
• 4.1.2 装配中的注意事项
• 4.2 超声取样钻机实验台
• 4.3 超声波发生器的匹配调节
• 4.3.1 频率调节
• 4.3.2 匹配电感调节
• 4.3.3 输出信号波形
• 4.4 超声致动器模态频率测量
• 4.4.1 模态频率测量方法
• 4.4.2 激光测振基本原理
• 4.4.3 激光测振实验
• 4.5 岩芯取样试验
• 4.5.1 实验目的
• 4.5.2 实验设备
• 4.5.3 实验步骤
• 4.5.4 实验结果
• 4.6 本章小结
• 第5章 总结及展望
• 5.1 本文的主要结论
• 5.2 下一步研究计划及展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士学位期间发表的学术论文
• 作者简介
• 附录