王丽丽, 刘志全, *, 吴伟仁, 张之敬

1. 北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081 2. 中国空间技术研究院， 北京 100094 3. 探月与航天工程中心， 北京 100037

月球钻取采样机构的钻杆结构与运动参数分析

王丽丽1, 2, 刘志全1, 2, *, 吴伟仁1, 3, 张之敬1

1. 北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081 2. 中国空间技术研究院， 北京 100094 3. 探月与航天工程中心， 北京 100037

针对月球钻取式自动采样机构空心外螺旋钻杆取样过程，分别建立了月壤内聚力和月壤内摩擦系数随月壤深度变化的数学模型，建立了钻进过程中钻杆运动参数(钻进速度和钻杆转速)与钻杆结构参数(钻杆螺旋升角、外径、槽宽比和螺旋槽深等)之间的关系。建模过程考虑了月壤物理和机械特性随钻进深度变化特性、钻杆钻进牵连速度及月壤微元相互间的抗剪性，使得钻杆参数符合月球钻取采样的实际工况。对模型进行了验证，利用该模型开展了钻杆结构参数对运动参数的影响分析，给出了钻杆结构参数对钻杆运动参数的影响规律，获得了钻杆结构参数的最佳取值范围。以钻杆转速与钻进速度比最小为优化目标，以结构参数为设计变量，基于遗传算法对钻杆结构参数进行了优化，优化后的钻杆转速与转进速度比降低了13.8%。该优化结果降低了系统能耗，提高了钻取采样输月壤效率，可为钻取式自动采样机构的设计提供理论依据。

钻取采样机构； 空心外螺旋钻杆； 结构参数； 运动参数； 月壤； 采样

在月球、火星乃至未来其他星球的深空探测任务中，星球表面或表下土壤及岩石样品的采集对于研究星球环境、地质构造、资源以及物质组成等具有重要意义[1]。……