空心外螺旋钻杆与月壤相互作用力学模型研究

空心外螺旋钻杆在月面钻取深层月壤样品任务中有非常广泛的应用,研究它与月壤间的相互作用特性,并建立力学模型,对月面钻取采样机构的研制和操作具有重要意义。基于"光杆模型",建立了空心外螺旋钻杆与月壤相互作用的等效力学模型,该模型能够将空心外螺旋钻杆与月壤间的相互作用统一等效至空心外螺旋钻杆外包络面上进行分析。通过对"光杆模型"微元进行运动学和准静力学分析,建立了空心外螺旋钻杆阻力矩和辅助钻压力关于月壤参数、钻杆参数和钻进规程参数的解析模型,并对其进行参数影响分析,获得了空心外螺旋钻杆阻力矩、辅助钻压力、功率和进尺速度的主要影响参数,为月面钻取采样机构的研制和操作奠定了理论基础。

月球钻取采样机构的钻杆结构与运动参数分析

针对月球钻取式自动采样机构空心外螺旋钻杆取样过程,分别建立了月壤内聚力和月壤内摩擦系数随月壤深度变化的数学模型,建立了钻进过程中钻杆运动参数(钻进速度和钻杆转速)与钻杆结构参数(钻杆螺旋升角、外径、槽宽比和螺旋槽深等)之间的关系。建模过程考虑了月壤物理和机械特性随钻进深度变化特性、钻杆钻进牵连速度及月壤微元相互间的抗剪性,使得钻杆参数符合月球钻取采样的实际工况。对模型进行了验证,利用该模型开展了钻杆结构参数对运动参数的影响分析,给出了钻杆结构参数对钻杆运动参数的影响规律,获得了钻杆结构参数的最佳取值范围。以钻杆转速与钻进速度比最小为优化目标,以结构参数为设计变量,基于遗传算法对钻杆结构参数进行了优化,优化后的钻杆转速与转进速度比降低了13.8%。该优化结果降低了系统能耗,提高了钻取采样输月壤效率,可为钻取式自动采样机构的设计提供理论依据。