基于试验的模拟月壤表层取样理论修正及其应用

月球探测对于我国各方面综合实力的提升均具有巨大的推动作用。当前我国各研发机构对月球采样的研发重点集中于采样机具的设计制造上,对采样机具和月壤之间相互作用却研究较少。与地球土壤相比,月壤的形成环境与条件完全不同,从而造就了其较为特殊的物理力学性质。在利用与真实月壤类似的模拟月壤进行的薄壁圆筒贯入试验中,发现存在月壤滞留和月壤附壁现象,从而分析得出在采样机具表面与月壤相互作用的理论分析中,除了传统的摩擦力理论外,还可通过最大抗剪强度进行分析。通过对试验现象和数据对比摩擦力理论和最大抗剪强度理论发现,最大抗剪强度理论更加符合实际情况。故将最大抗剪强度理论引入已有的月球螺旋钻进采样的理论模型中,通过计算得出基于最大抗剪强度理论计算的螺旋临界转速低于基于摩擦力理论计算的临界转速,在一定程度上能够降低采样机具的能耗。     

月球钻孔取心机具研制与试验

对月壤形成过程和物质组成进行了介绍,并将实际月壤基本物理力学指标与CUG-1型模拟月壤和普通干砂进行对比,认为在月球钻探取样过程中可能遇到具有一定胶结强度的硬质团块。我国探月工程三期的核心任务是实现月球钻探取样和返回,并明确要采用钻孔取样方式来获取能保持原始层理结构的较深层月壤样品。月表处于无水、高真空、微重力、日夜温差悬殊的极端环境,因此月球钻探取样采用的钻孔取心机具应结构简单,以减少钻进故障几率和拓宽对所钻月壤层的适应性。针对模拟月壤,分别对传统钻孔取心钻具、孔内取心钻具、孔外取心钻具、软袋翻转取心钻具、内外管联合(内管、外管)取心钻具进行了试验研究。试验研究结果表明,内外管联合取心钻具能更好地满足我国月球钻探取样返回的要求。     

月球钻探取样技术研究进展

“嫦娥5号”探测器的成功发射与采样返回,揭开了我国月球采样的序幕。面对当前月球(未来深空)探测的需求,钻进技术作为能够获取深层地质样品的最常用手段,受到越来越多的关注。然而,地球环境下的常规钻探机具与工艺在面对月球(太空)环境时并不能直接进行应用。基于此,本文就当前各国月球钻探技术的研究进展进行了广泛调研与分析,具体包括真实月壤的性能及模拟月壤的研发、月球环境对钻进的影响、月球钻探机具结构和月球钻探规程的探索等几个方面;并对未来月球钻探技术的发展进行了分析思考。     

我国科学家积极参与登月计划 专家提出研制月球钻探取样机具的设想

《科学时报》消息 :2 0 0 2年 10月 19日 ,参加“复杂条件下钻探技术国际研讨会”的中国地质大学 (武汉 )钻探工程专家、博士生导师鄢泰宁教授提出研制月球钻探取样机具的设想 ,并表示 ,依靠我国现有的钻探取样机具制造水平 ,研制准自动化或全智能小型月球钻探取样系统 ,实现月壤及月壤以下表层岩石取样深度 3～ 4ｍ是完全可能的。据介绍 ,探测月球表面的物质组成对研究月球和地球的起源 ,研究地球气候和水域潮汛现象等重大科学命题都具有战略意义 ,同时可为在月球上建立长期观测站完成重要的前期研究工作。美国于1968年就完成了人类首次登…     

不同负温和含水率模拟月壤SHPB试验与分析

为了解月球永久阴影区月壤的动态力学性能,以玄武质模拟月壤进行动态冲击试验,研究不同负温、不同含水率及不同应变率加载下模拟月壤的动态应力-应变曲线特性、动态抗压强度和破坏特征,分析动态抗压强度、动弹性模量与模拟月壤负温、含水率、应变率的关系。试验结果表明：动态抗压强度与应变率呈正相关关系;破坏形态类型主要为锥形剪切破坏和颗粒状粉碎破坏;破碎块度分布具有良好的分形特征。研究结果能为未来月球资源研究提供参考。     

月球钻探取心特种钻头研制与试验

对月壤形成过程和物质组成进行了介绍,并将实际月壤基本物理力学指标与CUG-1型模拟月壤和普通干砂进行对比,认为在月球钻探取样过程中可能遇到具有一定胶结强度的硬质团块。为保证钻探取样顺利进行,需要研制月球钻探用特种取心PDC钻头。基于PDC钻头的碎岩机理,对钻头的负前角、旁通角、出露高度、钻头保径和PDC切削齿的钎焊工艺分别进行了设计,并对钻杆和钻头装配体在钻进过程中的受力过程进行有限元分析。最后,采用所设计的特种取心PDC钻头进行岩石干钻试验,试验结果表明,该钻头能钻进可钻性级别小于或等于6级的岩石,能满足月球钻探需要。     

模拟月壤螺旋钻进力载特性分析

月球钻探取样具有钻进对象松散、钻机功率小、质量轻、钻进过程无冲洗介质等难点,螺旋钻进因其连续排屑和干式回转钻进的能力,成为最具可行性的月球钻探取样方式之一。为确保在设备能力和月表环境限制下实现深层月壤钻探取样目的,针对月壤/模拟月壤物理力学特性,对螺旋钻探取样过程进行力载特性分析。分析表明,月球钻探具有螺旋叶片宽度窄、回转速度高的特点,可采用钻屑颗粒模式求得临界回转速度,然后选择合理的钻进工艺。螺旋钻进功耗包括钻头切削月壤的功耗和钻进排屑功耗,可根据功耗模型研究各变量对功率的影响规律,从而为钻具结构优化和钻进参数优选提供理论指导。     

模拟月壤原位增材制造技术研究进展

增材制造技术又称3D打印技术,它可以实现对复杂结构器件的制造,从而使其在建筑、机械加工等应用领域有一定潜力.随着人类对宇宙探索欲望愈演愈烈,各国都决定将月球作为"跳板",采用月球上丰富的月壤资源利用3D打印技术进行小型零件或大型建筑物的原位制造,以此逐步开展宇宙探索计划.目前,科研工作者们已成功配置出多种模拟月壤,其与真实月壤的成分组成、粒径分布等性质都很相似.并且利用D-shape、微挤出式墨水3D打印、激光增材制造、数字光固化等增材制造工艺已成功将模拟月壤原料打印成型.其中,采用数字光固化增材制造技术打印并经过脱脂烧结后得到的模拟月壤结构件的抗压强度及弯曲强度分别可达到428.1 MPa和129.5 MPa,验证了增材制造技术在未来行星上进行原位制造的可行性.本文意在为月球等宇宙天体的原位制造技术研究提供一定的参考.     

月壤原位资源利用技术研究进展

月球蕴藏着大量的金属与非金属矿产资源,充分利用月球矿产资源,可减少地球发射到月球的荷载,节约深空研究、开发成本。对月壤原位资源利用中的月壤物理特性、模拟月壤材料固化成型工艺和提取冶金工艺的一般原理、基本过程、技术特点及最新研究进展情况进行了综述,并对这些方法在月球矿物原位利用方面的应用前景进行了展望。     

月球采矿中月壤/岩力学问题的理论与试验方法

月球上蕴含丰富的钛、钍、铀、氦等矿产资源以及三斜铁辉石、锆石等地球上未发现的新矿物,月球矿产资源开发利用可有效解决地球资源枯竭及环境破坏等全球性问题,已成为新一轮全球范围太空开发竞争的焦点。然而,月球表面独特的重力、真空及温度等环境和月球地质体特殊的组分、结构及几何特征造就了月壤/月岩特殊的力学特性和工程行为,给未来月球采矿和月球基地建设带来了前所未有的巨大挑战。空间环境方面,月球重力场仅为地球的1/6,月面真空度高达133×10-12 Pa,温度最高130 ℃、最低-183 ℃,温差高达313 ℃。月球地质体几何特征方面,月壤颗粒呈现出多孔、多勾角的异型结构;结构特征方面,月壤呈现出粒径跨度大且夹杂月岩大颗粒的典型壤/岩混合体特征;组分方面,月壤及月岩富钛、富铁特征十分典型。因此,获得月球低重力引起的低应力水平和低应力梯度条件、月表超高真空和极端温度等特殊环境条件下月壤/月岩的力学行为,以及异形月壤颗粒形状引起的力学响应、月岩特殊组分及组构相关的力学特征等基础力学问题的系统研究成果,是实现月球矿产资源安全、高效开发的前提和基础。为此,需要对理论及试验研究方法进行创新,弥补现有研究方法和手段无法满足该领域研究需求的短板。理论手段方面,应该建立考虑应力梯度的月球地质体高阶力学方法,实现月壤/岩力学行为对低应力梯度响应的表征;实现月壤特殊颗粒形状的数学表征及数值重构,为揭示月壤复杂颗粒形状特征及其对力学特性的影响奠定基础;构建考虑复杂颗粒形状的月壤多尺度力学方法,实现月壤“细观颗粒形状-宏观力学行为”的跨尺度关联。试验手段方面,需要在地面构造与月面相似的空间环境并研制与月壤/月岩相似的试验材料,为在地球环境研究月球采矿基础力学问题构建试验平台。     

应用于月壤取样钻具的激光选区熔化研究综述

综述了月球钻探取样钻具的发展现状,金属三维点阵的轻量化以及激光选区熔化制造技术的基本方法和优势。基于激光选区熔化制备技术提出了将三维空间点阵结构应用于月球钻探取样钻具的轻量化,讨论了点阵结构的钻具对于月球钻进过程的适应性并展望了轻量化月球取样钻具方面的发展趋势。分析认为,利用激光选区熔化技术制备的三维点阵结构在月壤取样钻具方面具有很大的应用潜力。     

万福煤矿深厚表土层冻土力学性质试验研究

针对山东万福煤矿深厚表土采用冻结法施工的基础数据不足及工程经验欠缺等难题,采 集万福煤矿的深部土样,开展深厚表土层冻土力学性能参数的测试与研究。结果表明:在本试验 设计的冻结温度下,冻土试样的单轴抗压强度、三轴抗压强度、蠕变应力及冻胀力随着冻结温度 的降低均呈现增大的趋势,同时深部表土层的冻土蠕变性质表现尤为明显,含水率和采样深度对 冻结壁设计的影响不可忽略。通过对原状土单轴压缩试验、三轴抗压强度试验、单轴蠕变试验、 冻胀试验等数据进行多元回归分析,综合考虑冻结温度、含水率和采样深度对冻土试样力学性能 的影响,归纳得到的数学模型拟合程度高,相关性好,为深厚表土层冻结壁的设计和在不同地层 地质条件下力学参数的确定提供了技术支撑。     

复杂环境下超大深基坑开挖变形演化规律研究

为了研究复杂环境下超大深基坑开挖变形演化规律, 利用仿真分析软件FLAC^3D对基坑开挖支护过程中基坑周边土体地表沉降变化规律、墙后土体水平位移变化规律以及支撑轴力变化规律等进行了研究。结果表明, 基坑周边土体地表沉降沿基坑水平方向最初呈递增的趋势, 在距离墙后13 m左右处达到沉降最大值, 此后逐渐减小, 地表沉降趋势整体呈“镰刀”形变化;墙后土体水平位移与基坑挖深成正相关关系, 且挖深越大, “凸肚”现象越明显;支撑轴力随基坑开挖工作的进行逐渐增大, 前3道支撑最大轴力出现在支撑中部附近, 第4道支撑最大轴力出现在支撑端部附近。研究成果对基坑设计、施工具有一定参考价值。     

基于Hardening-Soil模型基坑支护变形特性研究

在基坑开挖的模拟分析中,考虑土体的卸荷膨胀及加载硬化等性质,选用一种更适用于土体开挖的Hardening-Soil本构模型,对深基坑开挖阶段支护结构变形特性进行了数值模拟,计算得出不同开挖阶段的内支撑的轴力变化、围护桩的力矩变化、以及桩的水平位移的变化,计算结果很好地反映了土的特性,为工程设计与施工提供了依据。     

基于蚁群算法的挖掘式装载机工作装置优化设计

反铲工作装置是挖掘式装载机的工作机构,对整机的运行性能和经济效益起着重要作用。采用蚁群算法,以最大挖掘力为目标函数,利用Matlab软件实现了挖掘式装载机工作装置的优化设计。     

煤矿用钻杆疲劳寿命试验系统的研究与设计

为了满足目前煤矿井下瓦斯抽采、探放水以及地质探测等钻孔施工大孔深、大直径的需要,施工工艺对钻具使用寿命与质量提出更高的要求,其最大工作扭矩已经超过20000 Nm,现有煤矿井下钻杆质量与疲劳寿命缺乏有效的检验检测手段,钻具没有报废标准,导致煤矿井下钻孔施工事故频发。基于钻杆质量检测与钻具疲劳寿命研究需要,研制了一种煤矿用大扭矩钻杆疲劳寿命试验系统,最大扭矩达25000 Nm,可模拟矿用钻杆在施工条件下的扭矩、推进力、径向位移等载荷与约束,为钻具质量检测和疲劳寿命研究提供一种方法。     

岩石循环冲击损伤演化围压效应的实验研究

为研究岩石循环冲击荷载作用下损伤的围压效应, 对大理岩试件在压力试验机上进行模拟冲击加载, 测试受冲击后试件轴向超声波波速。用超声波波速变化量描述试件的损伤度。分析了围压、荷载冲量大小、冲击次数对岩石损伤演化的影响, 得出了大理岩在不同围压下冲击损伤与冲击次数的函数关系。分析了大理岩岩样循环冲击损伤的围压效应。结果表明, 岩石循环冲击损伤具有明显的围压效应, 围压的存在提高了岩石抗冲击破坏的能力。从试验角度证明了在深部矿井中高地应力的存在对钻孔的钻进效率和处于初始应力场中的岩石的爆破破碎效率有重要影响。