小行星快速膨胀碎岩方法研究

论文摘要

随着深空探测的不断深入,美国、日本等航天大国开展了诸多针对小行星的研究,小行星探测活动已日益成为前沿热点。小行星探测中,接触式探测是人类感知小行星物质最直接有效的手段。为了充分认识小行星,需要进行较为深层样品的获取和返回。我国正在积极开展小行星探测及采样的研究工作,首选的探测目标为小行星2016HO3,由于该小行星引力十分微弱,表面环境具有不确定性,对采样具有极为苛刻的要求。超声波钻进的反作用力小,可在小行星上有效的作业,但是由于受到功耗的限制使得岩石样品获取量很少,且样品多为粉末,不宜收集。为了获得更多的样品,本文提出了一种新的碎岩方法——超声波钻进加超临界流体膨胀碎岩法,先用超声波钻在岩石上打几厘米深的孔,再将膨胀碎岩器插入到打好的岩石孔中进行膨胀碎岩,可以在紧迫的资源下快速碎岩,以获取较大量样品。由于超声钻进在国内研究较多,技术较为成熟,而超临界流体膨胀碎岩方法还未有人研究,因此本文主要研究超临界流体膨胀碎岩方法。此方法利用超临界流体具有温度和压力无限性的原理进行碎岩,可破碎不同硬度的岩石。本文选择了超临界水作为膨胀介质,研究了超临界水的热力学特性,得到了超临界水温度、压力和体积的量化关系;本文研究了膨胀碎岩方法中的加热方式,考虑到能够配合钻具在旋转过程中进行快速加热,选择了加热效率高、加热温度易于控制的感应加热方式;本文设计了一种膨胀碎岩器,对其进行了整体结构设计和参数计算,保证了加热时储水压力容器的安全性和碎岩时的膨胀筒的无泄漏性;本文利用有限元软件对储水压力容器进行了应力仿真,得到了计算壁厚下储水压力容器的应力值,确保加热时容器的安全性;本文利用有限元软件对膨胀筒进行了超塑变形仿真,实现了强度上的匹配设计。通过在模拟阶段的仿真验证,能够实现人类认知岩石硬度下可靠的碎岩,具有获取样品的能力。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 小行星特性分析

1.2.2 小行星探测和采样研究现状

1.2.3 地面碎岩技术

1.3 本文主要研究内容及章节安排

1.3.1 本文主要研究内容

1.3.2 论文章节安排

1.4 本章小结

第2章小行星快速膨胀碎岩方法设计

2.1 小行星快速膨胀碎岩方法的总体采样方案设计

2.1.1 超临界流体

2.1.2 膨胀碎岩方法中的加热方式

2.2 小行星快速膨胀碎岩器的结构设计

2.2.1 容器装置的结构设计

2.2.2 进出流体装置的结构设计

2.2.3 爆破装置的结构设计

2.2.4 膨胀装置的结构设计

2.3 本章小结

第3章小行星快速膨胀碎岩器的参数计算

3.1 超临界水的热力学计算

3.2 储水压力容器的参数计算

3.2.1 储水压力容器的容积计算

3.2.2 储水压力容器的壁厚计算

3.2.3 储水压力容器内单位水吸收的热量的计算

3.3 回转钻具中感应加热装置的参数计算

3.3.1 感应加热的集肤效应

3.3.2 感应加热频率的计算

3.3.3 电流穿透深度的计算

3.3.4 感应线圈的设计

3.3.5 温度传感器和压力传感器

3.4 本章小结

第4章小行星快速膨胀碎岩器关键部件的有限元仿真

4.1 储水压力容器的应力仿真分析

4.1.1 模型的简化

4.1.2 模型的材料参数

4.1.3 模型边界条件及载荷

4.1.4 模型的网格划分及单元类型

4.1.5 模型的可视化结果

4.2 膨胀筒的弹塑性仿真分析

4.2.1 膨胀筒模型的导入

4.2.2 模型的材料参数

4.2.3 模型的边界条件及载荷

4.2.4 模型的网格划分及单元类型

4.2.5 模型的可视化结果

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 冯伟娜

导师: 杜韧,殷参

关键词: 小行星采样,小行星碎岩,膨胀碎岩,膨胀碎岩器,超塑变形碎岩

来源: 北华航天工业学院

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 天文学,航空航天科学与工程

单位: 北华航天工业学院

分类号: P185.7;V476.4

总页数: 61

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