月壤钻取采样钻进导向机构设计与分析

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题来源及研究的目的和意义1.1.1课题来源本课题来源于哈尔滨工业大学承担的我国探月工程三期预先研究项目——钻取采样机构关键技术及原理样机研制（TY3Q20110005）。1.1.2研究目的和意义月球探测工程是当今世界高新技术领域中极具创新性的重大科研探索活[1]动之一，是一个国家综合国力的体现与象征。从20世纪50年代开始，以前苏联和美国为代表的航天强国共向月球发射了近百颗月球探测器，采集到总计[2]约382kg的月壤和岩石样品。我国的探月工程采取三步

2、走的策略，到现在为止已经完成了“绕”和“落”的任务，预计将于2017年实现“回”的探测目[3,4]标。探月三期采样任务分为表取采样和钻取采样两类，与表取采样相对应的钻取采样属于月壤的深层采样，因其采样深度大且能够保留月壤层理信息的[5,6]特点在月面采样活动中被广泛应用。探月三期月面钻取采样的目标是获得不小于两米深度的具有良好层理信[7]息的月壤样品并顺利返回。到目前为止，人类对不同区域月壤的层理信息所知甚少，因此钻取深层采样具有难度大、不确定性高等特点。而钻取采样装置[8]的合理设计是实现采样目标

3、的重要环节。钻取采样装置主要由钻进导向机构、钻进机构、加载机构、整型机构、取芯钻具、展开机构及压紧释放机构组成。钻进导向机构作为钻取采样装置的重要组件，在钻取采样任务的全周期中提供承载结构并为钻取采样装置钻进作业提供导向功能。在钻取采样任务的全周期中钻取采样装置要经历发射阶段、地月转移、环月飞行、动力下降和着陆冲击阶段，最终着陆月球表面开展月面采样工作。在上述探测器的各运行阶段中，由于在发射阶段探测器连同钻取采样装置需要经历加速度过载和振动的力学环境，作为钻取采样装置核心执行部件的钻杆由于是大长径比

4、结构，在上述力学环境中易产生挠曲变形，需要设计钻进导向机构为其提供承载作用限制钻具较大振幅的振动，避免在月面采样前出现塑性变形；另外在月面采样阶段，由于月面层理信息的不确定性，钻具在钻进过程中极有可能遇到月壤中夹杂临界尺度颗粒、钻头前端遇到岩石难钻进等工况，当钻具1哈尔滨工业大学工学硕士学位论文及钻具末端受到外加载荷及偏载扰动时易出现偏钻卡死、塑性变形等现象，从而导致钻取采样任务失败。综上所述，为保证钻具沿预定的直线轨迹运动，提高钻取采样系统采集样品的可靠性，需要设计特定的钻进导向机构对钻具进行相应

5、的约束与导向。本课题在充分分析钻进导向机构的功能需求和相应的性能指标基础上，重点考虑月面采样阶段不同工况条件下钻具的输入条件，对导向机构建模并进行分析，研制具有高精度、结构简单且适应于月面特殊空间环境的钻进导向机构，从而为我国探月工程（三期）月面钻取采样的顺利实施提供技术支持。1.2国外地外天体探测器采样装置研究概况1.2.1前苏联Luna系列采样装置前苏联于上世纪70年代先后三次对月球成功地开展了无人自动采样并带[9]回地球的任务，共采集到约320g月壤样品。（1）Luna16/20月球探测器19

6、70年9月发射的Luna16月球探测器是首个实现在月球上自动采样并成功返回地球的探测器。如图1-1a）所示，Luna16月球探测器的钻取采样装置安装于探测器右侧可实现水平和垂直方向摆动的机械臂上，其组成包括钻机、钻头、钻杆和封装机构。Luna16采样装置的工作原理是依靠机械臂摆动选取采样点，钻头通过进给导柱提供钻压力钻取月壤，完成采样后钻头翻转一百八[10]十度同时机械臂抬起，从而实现月壤的钻取采样。由于钻取采样装置的动力机构提供的钻压力较小，同时安装钻取采样装置的机械臂的刚强度有限，[11]lun

7、a16钻取采样装置的钻进深度仅为400mm且月壤样品采集量仅为101g。1972年2月发射的Luna20月球探测器结构与Luna16相似，仅稍微改进了钻具构型。但Luna20探测器在月面采样过程中，钻进负载3次达到了最大极限出现了卡钻、停钻等现象。其钻进深度虽然最终达到290mm，但出现了[12]样品滑落现象，返回地球样品量约为55g。（2）Luna24探测器1976年8月发射的Luna24探测器是前苏联Luna系列最后一次的探月任务。如图1-1b）所示，Luna24探测器的采样装置采用的是滑轨式钻

8、取采样装置，其组成包括钻进机构、导轨、取芯钻具（内含取芯软袋和支撑管）和封装容器。与其他luna系列不同的是，此次月面采样的钻取采样装置采用了导向机构以及与之相匹配的取芯钻具，该采样装置的工作原理是在进尺机构作用下取芯钻具沿着两根滑轨向下钻进。当钻杆侵入月壤表面后，采样装置根据月壤2哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的硬度可实现自主切换两种工作模式即回转钻进和回转冲击钻进，获得的月壤样品随即存放在软袋中并通过软袋整形缠绕被转移到返回舱内。Luna24最终[13,14]的取