深层月壤取芯方案设计与验证技术研究.pdf

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工学硕士学位论文


深层月壤取芯方案设计与验证技术研究




硕士研究生: 张吉
导师: 邓宗全教授
申请学位: 工学硕士
学科: 机械设计及理论
所在单位: 机电工程学院
答辩日期: 2012 年 6 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:
: 621


Dissertation for the Master Degree in Engineering


RESEARCH ON DEEP LUNAR SOIL METHOD
DESIGN AND VERIFICATION TECHNIQUES




Candidate: Zhang ji
Supervisor: Zongquan
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Mechanical Design and Theory
Affiliation: School of Mechatronics Engineering
Date of Defence: July, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
探月工程三期的核心目标是“采样返回”,预计于 2017 年前后实施,届时
将利用钻取、表取两种采样方式获取月球样品。钻取采样的目标是:获取月面
以下 2m 保持原态层理信息的月壤样品。其中,月壤取芯动作是采样成败的关
键性环节,取芯方案、取芯机构设计是探月工程三期预先研究需首先予以突破
的关键技术之一。本文以哈尔滨工业大学承担的月面采样预先研究项目为工程
背景,结合我国月面采样的初步方案规划,开展深层月壤取芯多方案比较与分
析工作,对优选的取芯方案进行细化设计和试验验证,支撑钻取采样装置工程
实施方案的制定。
本文深入调研分析了国内外星球土壤样品取芯技术,通过理论分析和试验
对比,提出了满足我国探月工程三期采样指标要求的取芯总体方案——“内翻
式无滑差软袋取芯”;基于“内翻式无滑差软袋取芯”原理,根据目前采样钻具
和钻进驱动机构设计适应性要求,在充分满足取芯机构轻量化、低功耗、高取
芯率、高层理信息保持性等约束条件的基础上,完成了两套深层月壤取芯功能
实现方案的详细设计,两套方案均涵盖软袋布置方案及封口方案。
基于岩土力学和理论力学等理论体系,研究了取芯特性参数与取芯负载间
的关系,以低功耗为目标初步完成了取芯特性参数的优化,为后续试验件参数
的制定提供了理论依据;定性分析了取芯材料特性参数对取芯率及层理信息的
影响,给出了取芯柔性组件材料的设计优化方向。
根据参数优化分析结果,结合取芯机构特殊工作环境的需要,提出了深层
月壤取芯机构的详细性能需求,并给出了相应的性能实现方案,研制出了针对
两套方案的取芯验证试验件。
研制了取芯功能验证试验装置,完成了针对两套试验件的取芯功能验证试
验与封口效果验证试验;利用环境设备、材料性能测试设备等试验条件完成了
取芯柔性组件的高低温、辐照环境下力学性能验证试验、可靠性验证试验以及
化学稳定性验证试验,从功能和性能两个角度验证了方案的可行性与可靠性。

关键词:无滑差软袋取芯;方案设计;参数优化;试验验证
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
The third state of China lunar exploration is the first attempt of universe
sampling back task. It will obtain the sample of lunar soil by deep drilling-sampling
and surface drilling-sampling. Deep drilling-sampling mission aims at obtaining
lunar soil under the surface of the moon two meters. The action of lunar soil coring
is the direct bearing of dri