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月球土壤采样钻具钻进过程热特性分析

作　者: 晏然
导　师: 谈和平
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程热物理
关键词: 瞬态热响应特性辐射传热月球探测月球表面热环境钻取采样
分类号: P634
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 33次
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内容摘要

月球探测工程是我国目前开展深空探测活动的首要任务。月球土壤（月壤）中含有丰富的月球环境和空间环境变化信息，对月壤的研究，不仅是探索太阳系演化过程的重要基础，也是月球矿物、能源资源的储量、分布和开发利用价值的评估依据。月壤采样钻具的研制是决定月球样品采样成功与否的关键环节，而复杂的月球表面（月面）热环境对钻具的热特性分析提出了特殊的要求，进而对钻具结构和钻进规程控制的设计具有重要意义。本文针对一种类似于前苏联月球探测器LUNA24号所采用的空心钻杆加软袋式取样钻具，建立了钻具在月球表面热环境下的分析模型；结合文献资料数据，确定了一种相对恶劣的月球表面极限环境参数。对钻具在月球表面热环境下钻进采集月壤样品的过程进行了热分析计算；分析了钻具钻进过程中影响表面生热的月壤物性参数影响。研究了钻进过程中钻具的受力状态，建立了热力边界条件的关联，编制了ANSYS命令流，实现了钻具在不同工况下的热特性分析。通过对正常工况、恶劣工况以及停机工况下钻具的瞬态热响应计算分析，讨论了以转速、进尺速度为主的钻进规程参数对钻具最高温度变化和整体温度分布的影响。结合正常钻进工况和停机工况的温度分布特性，提出了间歇性停机的钻进方式，获得了钻具高温区域温度控制方案，对钻进规程设计有一定指导意义。此外，为了进一步完善本文所建立的热分析模型，补充开展了地面热环境下钻具的热响应特性计算，为后续地面试验验证做好准备。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 课题背景及研究意义  9-10
  1.2 课题相关研究现状  10-14
    1.2.1 热环境分析研究现状  10-12
    1.2.2 温度场计算研究现状  12-14
  1.3 主要研究内容  14-19
    1.3.1 钻具结构及工作原理  14-16
    1.3.2 研究方法及流程  16-17
    1.3.3 各章结构关系  17-19
第2章月球表面热环境及钻具热模型  19-39
  2.1 引言  19
  2.2 月表热环境  19-25
    2.2.1 月表地形地貌  19-20
    2.2.2 月表辐射环境  20-24
    2.2.3 月尘及重力环境  24-25
  2.3 月球土壤环境  25-31
    2.3.1 月壤颗粒形态及粒径分布  25-26
    2.3.2 月壤的密度、孔隙比和孔隙率  26-28
    2.3.3 月壤的温度、导热系数和比热  28-30
    2.3.4 月壤的内摩擦角和内聚力  30-31
  2.4 钻具热分析模型  31-38
    2.4.1 钻具几何结构  31-35
    2.4.2 钻具传热途径分析  35-36
    2.4.3 钻具边界条件分析  36-38
  2.5 本章小结  38-39
第3章钻具热分析边界条件  39-65
  3.1 引言  39
  3.2 钻具几何结构简化  39-46
    3.2.1 等效空心圆管模型  40-42
    3.2.2 模型简化验证  42-46
  3.3 钻具网格划分  46-49
    3.3.1 网格划分影响因素  46-47
    3.3.2 结构化网格划分  47-49
  3.4 月表辐射边界条件计算  49-53
    3.4.1 月表与钻具的角系数  49-51
    3.4.2 辐射平衡温度  51-53
  3.5 月壤内边界条件计算  53-63
    3.5.1 钻杆表面生热计算  53-58
    3.5.2 刀具表面生热计算  58-63
  3.6 本章小结  63-65
第4章钻具钻进过程热特性分析  65-89
  4.1 引言  65
  4.2 月面正常钻进工况计算分析  65-73
    4.2.1 正常工况及计算参数  65-66
    4.2.2 正常工况计算结果分析  66-73
  4.3 月面恶劣工况计算分析  73-78
    4.3.1 恶劣工况及计算参数  73-74
    4.3.2 恶劣工况计算结果分析  74-78
  4.4 月面停机工况计算分析  78-83
    4.4.1 停机工况及计算参数  78-79
    4.4.2 停机工况计算结果分析  79-83
  4.5 地面环境几种工况的计算分析  83-87
    4.5.1 地面环境及计算参数  83-84
    4.5.2 地面正常—停机钻进工况计算  84-86
    4.5.3 地面恶劣—停机工况计算  86-87
  4.6 本章小结  87-89
结论  89-90
参考文献  90-97
附录 A 刀具前刀面计算参数  97-103
攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果  103-106
致谢  106

月球土壤采样钻具钻进过程热特性分析

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