月壤鉆取采樣鉆進導(dǎo)向機構(gòu)設(shè)計與分析

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1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1課題來源及研究的目的和意義1.1.1課題來源本課題來源于哈爾濱工業(yè)大學(xué)承擔(dān)的我國探月工程三期預(yù)先研究項目——鉆取采樣機構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)及原理樣機研制（TY3Q20110005）。1.1.2研究目的和意義月球探測工程是當(dāng)今世界高新技術(shù)領(lǐng)域中極具創(chuàng)新性的重大科研探索活[1]動之一，是一個國家綜合國力的體現(xiàn)與象征。從20世紀(jì)50年代開始，以前蘇聯(lián)和美國為代表的航天強國共向月球發(fā)射了近百顆月球探測器，采集到總計[2]約382kg的月壤和巖石樣品。我國的探月工程采取三步

2、走的策略，到現(xiàn)在為止已經(jīng)完成了“繞”和“落”的任務(wù)，預(yù)計將于2017年實現(xiàn)“回”的探測目[3,4]標(biāo)。探月三期采樣任務(wù)分為表取采樣和鉆取采樣兩類，與表取采樣相對應(yīng)的鉆取采樣屬于月壤的深層采樣，因其采樣深度大且能夠保留月壤層理信息的[5,6]特點在月面采樣活動中被廣泛應(yīng)用。探月三期月面鉆取采樣的目標(biāo)是獲得不小于兩米深度的具有良好層理信[7]息的月壤樣品并順利返回。到目前為止，人類對不同區(qū)域月壤的層理信息所知甚少，因此鉆取深層采樣具有難度大、不確定性高等特點。而鉆取采樣裝置[8]的合理設(shè)計是實現(xiàn)采樣目標(biāo)

3、的重要環(huán)節(jié)。鉆取采樣裝置主要由鉆進導(dǎo)向機構(gòu)、鉆進機構(gòu)、加載機構(gòu)、整型機構(gòu)、取芯鉆具、展開機構(gòu)及壓緊釋放機構(gòu)組成。鉆進導(dǎo)向機構(gòu)作為鉆取采樣裝置的重要組件，在鉆取采樣任務(wù)的全周期中提供承載結(jié)構(gòu)并為鉆取采樣裝置鉆進作業(yè)提供導(dǎo)向功能。在鉆取采樣任務(wù)的全周期中鉆取采樣裝置要經(jīng)歷發(fā)射階段、地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月飛行、動力下降和著陸沖擊階段，最終著陸月球表面開展月面采樣工作。在上述探測器的各運行階段中，由于在發(fā)射階段探測器連同鉆取采樣裝置需要經(jīng)歷加速度過載和振動的力學(xué)環(huán)境，作為鉆取采樣裝置核心執(zhí)行部件的鉆桿由于是大長徑比

4、結(jié)構(gòu)，在上述力學(xué)環(huán)境中易產(chǎn)生撓曲變形，需要設(shè)計鉆進導(dǎo)向機構(gòu)為其提供承載作用限制鉆具較大振幅的振動，避免在月面采樣前出現(xiàn)塑性變形；另外在月面采樣階段，由于月面層理信息的不確定性，鉆具在鉆進過程中極有可能遇到月壤中夾雜臨界尺度顆粒、鉆頭前端遇到巖石難鉆進等工況，當(dāng)鉆具1哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文及鉆具末端受到外加載荷及偏載擾動時易出現(xiàn)偏鉆卡死、塑性變形等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致鉆取采樣任務(wù)失敗。綜上所述，為保證鉆具沿預(yù)定的直線軌跡運動，提高鉆取采樣系統(tǒng)采集樣品的可靠性，需要設(shè)計特定的鉆進導(dǎo)向機構(gòu)對鉆具進行相應(yīng)

5、的約束與導(dǎo)向。本課題在充分分析鉆進導(dǎo)向機構(gòu)的功能需求和相應(yīng)的性能指標(biāo)基礎(chǔ)上，重點考慮月面采樣階段不同工況條件下鉆具的輸入條件，對導(dǎo)向機構(gòu)建模并進行分析，研制具有高精度、結(jié)構(gòu)簡單且適應(yīng)于月面特殊空間環(huán)境的鉆進導(dǎo)向機構(gòu)，從而為我國探月工程（三期）月面鉆取采樣的順利實施提供技術(shù)支持。1.2國外地外天體探測器采樣裝置研究概況1.2.1前蘇聯(lián)Luna系列采樣裝置前蘇聯(lián)于上世紀(jì)70年代先后三次對月球成功地開展了無人自動采樣并帶[9]回地球的任務(wù)，共采集到約320g月壤樣品。（1）Luna16/20月球探測器19

6、70年9月發(fā)射的Luna16月球探測器是首個實現(xiàn)在月球上自動采樣并成功返回地球的探測器。如圖1-1a）所示，Luna16月球探測器的鉆取采樣裝置安裝于探測器右側(cè)可實現(xiàn)水平和垂直方向擺動的機械臂上，其組成包括鉆機、鉆頭、鉆桿和封裝機構(gòu)。Luna16采樣裝置的工作原理是依靠機械臂擺動選取采樣點，鉆頭通過進給導(dǎo)柱提供鉆壓力鉆取月壤，完成采樣后鉆頭翻轉(zhuǎn)一百八[10]十度同時機械臂抬起，從而實現(xiàn)月壤的鉆取采樣。由于鉆取采樣裝置的動力機構(gòu)提供的鉆壓力較小，同時安裝鉆取采樣裝置的機械臂的剛強度有限，[11]lun

7、a16鉆取采樣裝置的鉆進深度僅為400mm且月壤樣品采集量僅為101g。1972年2月發(fā)射的Luna20月球探測器結(jié)構(gòu)與Luna16相似，僅稍微改進了鉆具構(gòu)型。但Luna20探測器在月面采樣過程中，鉆進負(fù)載3次達到了最大極限出現(xiàn)了卡鉆、停鉆等現(xiàn)象。其鉆進深度雖然最終達到290mm，但出現(xiàn)了[12]樣品滑落現(xiàn)象，返回地球樣品量約為55g。（2）Luna24探測器1976年8月發(fā)射的Luna24探測器是前蘇聯(lián)Luna系列最后一次的探月任務(wù)。如圖1-1b）所示，Luna24探測器的采樣裝置采用的是滑軌式鉆

8、取采樣裝置，其組成包括鉆進機構(gòu)、導(dǎo)軌、取芯鉆具（內(nèi)含取芯軟袋和支撐管）和封裝容器。與其他luna系列不同的是，此次月面采樣的鉆取采樣裝置采用了導(dǎo)向機構(gòu)以及與之相匹配的取芯鉆具，該采樣裝置的工作原理是在進尺機構(gòu)作用下取芯鉆具沿著兩根滑軌向下鉆進。當(dāng)鉆桿侵入月壤表面后，采樣裝置根據(jù)月壤2哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文的硬度可實現(xiàn)自主切換兩種工作模式即回轉(zhuǎn)鉆進和回轉(zhuǎn)沖擊鉆進，獲得的月壤樣品隨即存放在軟袋中并通過軟袋整形纏繞被轉(zhuǎn)移到返回艙內(nèi)。Luna24最終[13,14]的取