第 1 章绪论
1.1 研究背景与意义
发射人造卫星、载人航天以及深空探索是目前人类开展太空探索的三大主要方面。进入到二十一世纪后，世界范围内的航天活动蓬勃发展，其中随着科学技术水平的不断发展进步，深空探索成为最新的国际热点问题，对外星球的探索变得愈加频繁。我国在 2004 年正式启动的探月工程就是对月球环境和地质情况的探索，在月球探，甚至未来在其他外星球深空探索的任务中，地外岩石样品的采集都是其中缺一不可的任务环节。从 1959年前苏联成功发射世界上第一个无人月球探测器“Luna 1”号到 2012 年美国“好奇号”火星探测器成功着陆火星表面，人们对于月球、火星、彗星和其他一些小行星已经实现了软着陆和一些样品的采集（主要是土壤）。在地外星球表面或者表面以下采集地质岩石样品，无论是在地外进行原位样品分析，或者是将其带回地面作进一步的分析研究工作，都对外太空星体的矿物成分研究、天体演化的分析以及探寻生命迹象的存在具有极其重要的意义（鄢泰宁，2010）。外太空严峻复杂的宇宙环境（高温高压、低重力、真空等）、复杂多变的探索任务过程、星外探测器工作平台的承载能力和工作空间以及运载火箭的运载能力的限制都给外太空的探索任务提出了诸多约束条件，大大增加了探索任务的复杂难度。例如，钻进取样装置的重量、结构体积、耗能、轴向力、润滑等，常规的钻探设备由于质量大、结构复杂、体积大、高功率、轴向力大、需要大扭转力矩、存在常规机械失效等问题，已经远远不能满足深空探索过程中对岩石样品的采集任务要求了。寻求新型的钻进采样技术，用于深空探索过程中的地外星体采样，成为目前各个航天大国的研究热点（Barcohen Y，2009）。
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1.2 地外星体取样技术研究发展概述
自上世纪中叶开始，人类开启了太阳系地外星体的深空探索的步伐，首先研究的对象就是距离地球最近的月球，关于月球方面的探索活动，目前世界上各主要航天大国已经取得了一些成果，包括前苏联的 Luna 系列月球探测器（Luna-16、20、24），先后三次成功登陆月球，并且完成无人自动采样返回的任务，这是人类历史上首次成功进行的地外星体采样探测任务。美国方面的多次载人登月探索（Apollo-11~17），在月球采样环节中宇航员采用重锤冲击的方式对月球表面浅层样品进行采集，后续任务过程中采用了手持式电动冲击钻机，采用回转钻进的方式进行采样。2013 年中国的“玉兔”号月球探测器成功着陆，开启中国探月工程的第二阶段。同时，进入到 21 世纪以来，美国的航空航天局（NASA）以及欧洲太空局（ESA）在深空探索技术方面处于领先地位，开展了月球以外其它地外星体（例如火星、木星）的钻探采样任务。目前各个航天大国在对地外星体表面土壤采样已经具有比较成熟的技术，但在深空探索任务中对于岩石样品的采集工作所使用的装置主要为回转钻进设备，此类设备重量大，体积大，功率消耗高，而目前外太空的能量来源主要是太阳能、电能，无法提供如此大功率的能量，故需要配备大功率的动力设备，因此就会给探测器的运输发射以及着陆带来巨大的困难。而且常规的钻进设备需要大的扭矩，大的轴向力，在地外星体低重力环境下就需要探测器提供更大的轴向力，此时探测器所受到的作用力也比较大，容易导致探测器翻转甚至倾覆情况的发生。基于声波/超声波能量耦合的超声波钻探装置，利用压电材料的逆压电效应，以压电陶瓷作为驱动元件，因其所具有的独特优势：结构简单、体积小、重量轻、能耗低、无回转运动、无需润滑，弥补了常规钻进设备难以在地外环境下实现的局限性，突破外太空环境、探测器运载能力与工作平台空间的限制，可以方便的安装在无人探测器上，实现星外无人钻探取样的任务，使探测工作能够持续高效的进行，成为目前深空探索领域关于新型钻探采样技术研究的热点问题，备受瞩目。
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第 2 章超声取样钻碎岩机理的研究
2.1 引言
在钻探技术行业中，普通的回转钻进方法在硬岩钻进过程中存在钻进效率低、钻头磨损严重等问题，声波/超声波振动碎岩技术作为一种新型、高效的振动碎岩方法，以其独特的优势成为太空取样钻探技术的研究热点方向。目前关于这种高频振动碎岩机理还没有比较完善的阐释，其中孙龙在关于声波钻的研究中指出声波钻柱在低频共振状态下的碎岩钻进过程与岩石的频率无关，主要是依靠钻柱本身的弹性和惯性传递应力波，通过持续的振动冲击来实现凿岩钻进的（Sun L，2017）。但是有些研究人员从岩石的固有频率方面开展研究，认为岩石是在高频率的冲击振动下发生共振，以实现岩石破碎的目的。基于此从岩石固有频率为切入点，来分析超声取样钻高频碎岩的过程是否与岩石频率有关。目前已有部分研究人员开展了关于岩石固有频率的仿真分析，赵大军等使用 ANSYS 数值模拟软件，建立直径 50mm，长 100mm 的柱状硬岩岩石模型，进行硬岩振动特性的模态分析，模型边界条件为岩石侧面施加无摩擦约束（一种施加在整个面的法线方向上的约束，约束该面的正、负法线方向的位移。），两端面自由，求解得出岩石的前三阶固有频率和振型，得出硬岩的一阶固有频率在 20kHz 左右，可在超声波激励下达到共振碎岩的结论（赵大军，2015）。Li S Q 等在假设岩石为均质、各向同性的前提下对岩石受简谐激励下的振动响应进行求解，模型上施加的边界条件是立方体模型横向固定约束，只允许其在纵向上（z 轴方向）振动，结果显示所采用的砂岩和花岗岩的共振频率分别为 1400Hz 和 4300Hz（Li S Q，2015）。以上关于岩石的模态仿真或者谐响应仿真均是选择特定尺寸的岩石模型进行分析的，当岩石模型的尺寸参数发生改变时仿真结果是怎样的，并且当岩石模型的边界条件改变时，其结果又会是怎样的，进一步而言，将岩石视作半无限体时其固有频率值又会是怎样的，现就这一问题进行讨论分析。
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2.2 有限尺寸下岩石模型的固有频率分析
在赵大军等关于岩石模态仿真分析中，只对直径 50mm，长度 100mm的岩样模型进行了仿真计算，其模态仿真计算的约束条件为对岩样侧面添加无摩擦约束（一种施加在整个面的法线方向上的约束，约束该面的正、负法线方向的位移。），两端面自由。特定尺寸岩样的模态频率是否即为该类岩石的固有频率？为此需要对不同尺寸的岩样模型进行模态仿真分析，同时将仿真计算值与振动理论中关于等直杆纵振固有频率的解析计算值进行对比，以说明这种仿真计算方法在求解岩石固有频率方面的可行性。在 ANSYSWORKBENCH 中分别建立 Ф50×150mm、Ф50×200mm、Ф1000×2000mm、Ф1000×4000mm、Ф2000×4000mm 等不同尺寸的岩石模型进行模态仿真分析，所选用的岩石力学参数如表 2-1 所示，采用自动划分网格，边界条件设置为岩石侧面无摩擦约束，两端面无位移约束。进行求解，仿真结果如表 2-2 所示。
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第 3 章激振力特性对声波/超声波钻柱动力学特性的影响 ....... 24
3.1 引言 ......... 24
3.2 声波/超声波钻柱振动模型的建立及求解.... 24
3.3 声波/超声波钻柱振动响应分析 ............ 26
3.4 本章小结 ..... 33
第 4 章超声取样钻动力学分析与实验 ...... 34
4.1 引言 ......... 34
4.2 超声取样钻动力学特性研究 ...... 35
4.3 超声取样钻性能影响因素的分析 ........... 41
4.4 超声取样钻岩芯取样实验 ........ 42
4.5 本章小结 ..... 53
第 5 章声波钻仿真实验装置的设计 ........ 55
5.1 引言 ......... 55
5.2 超声致动器工作参数的确定 ....... 56
5.3 超声致动器各部件材料与结构的确定 ........ 56
5.4 超声致动器尺寸的确定 ........... 58
5.5 本章小结 ..... 63
第 5 章声波钻仿真实验装置的设计
5.1 引言
声波钻进技术在目前的工程应用中，由于受到声频振动器上限频率的限制，目前常用的机械式的激振器能够调节的频率范围为：50~200Hz，在此范围内钻杆到达驻波共振状态所需的最短长度 12.8m，在如此深的孔中对声波钻振动沉入过程中钻杆动力学参数的测量难以实现。想要实现对声波钻工作时的振动测量目的，需要减小声波钻钻孔的深度，但是减小孔深，意味着声频振动器的频率需要增加，就目前工程中所用的机械式振动器而言，提高其输出力的频率不太容易实现，因而考虑采用其他形式的激振器。采用压电驱动的超声换能器能够产生超高频/高频的机械振动，因此考虑采用超声波/声波取样钻来模拟声波钻的振动沉入过程，从而实现对声波钻柔体钻柱共振钻进过程的振动测量。超声换能器能够实现电能和机械能之间的转换，利用逆压电效应，将高频的交流电转换成同频率的机械振动。对于超声换能器的设计，由于其工作时机电耦合作用比较弱，因而可以将其当作一个纯机械结构来设计（梁彩红，2015）。传统的关于超声换能器的设计方法是利用机电等效网络法建立致动器的频率方程组，通过求解该方程组得出超声换能器的尺寸参数。目前，随着数值计算技术的发展以及新型换能器的研制，数值计算方法被广泛的应用于换能器的分析设计中。在关于超声换能器的设计过程中，有限元计算方法得到普遍应用，其中常用的计算软件是 ANSYS（林书玉，2009）。利用 ANSYS 分析软件设计换能器的特点是不受换能器结构和尺寸的限制，可进行复杂结构换能器的设计。同时利用 ANSYS 分析软件在对换能器进行设计的过程中可以方便的计算出换能器的谐振频率，观察谐振时换能器各部分的位移分布，还可对换能器的结构进行优化设计。
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结论
本文针对在地外星体上进行钻探取样的问题，开展了超声取样钻钻进动力学特性分析、钻岩实验以及碎岩机理研究。通过一系列的研究工作，主要得出了以下结论：
（1）对声波/超声波钻柱在变频定幅周期激励下的振动进行分析，钻柱内位移场幅值和最大动应力均随着共振模态阶数的增加而减小。
（2）对于超声取样钻，减小钻杆截面积 S 能够提高其的工作性能，同时钻杆长度设计应该满足其纵振固有频率等于或接近超声致动器的谐振频率。
（3）增装自由质量块能够显著提高超声取样钻钻进效果，相同条件下增幅高达 48%左右；并且自由质量的大小对超声取样钻的性能也有影响，对于特定长度的钻杆存在一个最佳的能量耦合。
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参考文献（略）