月球钻探取心特种钻头研制与试验.pdf

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1、2013年第40卷第2期探矿工程(岩土钻掘工程)月球钻探取心特种钻头研制与试验李大佛，雷艳，许少宁(中国地质大学长江钻头有限公司，湖北武汉430074)摘要：对月壤形成过程和物质组成进行了介绍，并将实际月壤基本物理力学指标与CUG一1型模拟月壤和普通干砂进行对比，认为在月球钻探取样过程中可能遇到具有一定胶结强度的硬质团块。为保证钻探取样顺利进行，需要研制月球钻探用特种取心PDC钻头。基于PDC钻头的碎岩机理，对钻头的负前角、旁通角、出露高度、钻头保径和PDC切削齿的钎焊工艺分别进行了设计，并对钻杆和

2、钻头装配体在钻进过程中的受力过程进行有限元分析。最后，采用所设计的特种取心PDC钻头进行岩石干钻试验，试验结果表明，该钻头能钻进可钻性级别小于或等于6级的岩石，能满足月球钻探需要。关键词：特种钻头；钻孔取样；月壤；硬质团块中图分类号：P634．11文献标识码：A文章编号：1672—7428(2013)02—0001—06StudyonParticularCoringBitforLunarSoilDrilling／L／Oa-fo，，JE，Yah，XUShao—ning(ChangjiangBitsCo

3、．，Ltd．，ChinaUniversityofGeosciences，WuhanHubei430074，China)Abstract：Formingprocessandcompositionoflunarsoilwereintroducedinthispaper，andtheactuallunarsoilphysicalandmechanicalindexeswerecomparedwithandsimulatedCUG一1lunarsoilandnormaldrysand，itwassugges

4、tedthathardclodswithcertaincementingstrengthmightbeencounteredinlunarcoringdrilling．ToensurethesuccessfullunarCO—ringdrilling，aspecialpolycrystallinediamondcompact(PDC)coringbitshouldbedeveloped．BasedonthebreakingrockmechanismofPDCbit，thenegativerakean

5、gle，bypassangle，exposureheight，gaugeprotectionofPDCbitandbrazingtechnologiesofPDCcuttersweredesignedrespectively；andfiniteelementanalysiswasmadeontheforceofbitanddrillstemassemblyduringdrillingprocess．Atlast，thedrydrillingtestwasmadebyspecialdesignedPD

6、Cbit，itindicatedthatthebitwouldbeeffectivewhenrockdrillabilitywaslessthanorequaltoVI，anditcouldstratifytherequirementsforlunarsoildrilling．Keywords：particularbit；coringdrilling；lunarsoil；hardclod我国探月工程三期的核心任务是实现月球钻探3种描述月壤特性的资料。取样和返回，并明确要采用钻孔取样方式来获取能(1)

7、月球像地球以及其他固态天体一样，表面保持原始层理结构的较深层的月壤样品。月表处于覆盖着一层由疏松的颗粒状岩石构成的物质，通常无水、高真空、微重力、13夜温差悬殊的极端环境，因被称为月壤层(王世杰等，2010)。地球的表土层是此月球钻探取样用特种钻头需要具有低能耗、耐高岩石在风、水、热、生物等因素共同作用下形成的，而温、耐磨等特性，力求钻头结构简单以减少钻进故障月球表面的月壤层则是由于陨石撞击形成，并受微几率和拓宽对所钻月壤层的适应性。特种钻头的研陨石轰击、宇宙射线轰击以及由于较大昼夜温差导制对于安全

8、可靠地完成取心任务，顺利实现月球探致的周期性热脉冲作用等后期空间风化作用的改测有关科学目标具有重要意义。造。其中陨石撞击所导致的挖掘、碾碎过程是月壤形成的主要作用过程，决定了月壤的基本组成与基1月壤基本情况介绍岩保持一致。月壤与基岩一样，主要由橄榄石、斜长月壤成分、物理力学性质，以及月壤颗粒表面微石、辉石、钛铁矿以及玻璃质组成，但月壤颗粒在经观结构特征，是探讨月壤形成演化过程和推动月球受后期的空问风化作用改造后会在成分和微观结构科学研究的重要基础，对于实现月球资源开发