月球勘探螺旋鉆機結構優化

山西中北大學機械與動力工程學院 劉德昌 龐俊忠

1 引言

人造地球衛星、載人航天以及深空探測是航空航天的三大主要活動領域。因為月亮是距地球最近的天體，月球探測是人類實現深空探測、走出地球的搖籃[1]。月球取樣鉆探相比土鉆困難很多[2]。首先，運載火箭的運載能力有限，鉆井工具具有特別小、額定功率和轉矩低、以及尺寸小和重量輕等特點。其次，從月球表面不可以獲得鉆井液，應充分考慮如何實現正常運輸巖屑和冷卻鉆頭等問題。第三，月球表面是在低重力環境下進行的，重力加速度只有地球表面的六分之一[3]。

2 螺旋鉆機的機構優化

在火箭搭載能力的限制下，額定扭矩和鉆井工具所提供的功率相對較小。因此，為實現高效的探月鉆井，螺旋鉆機的結構優化是非常有必要的。

2.1 鉆頭優選

2.1.1 高度

鉆頭結構包括鉆頭內外徑、鉆頭高度、刀具類型和排列等。鉆頭外部的螺旋葉片，其參數與螺旋鉆桿相同，鉆頭高度只在某種程度上影響總核心恢復率（TCR），但不影響鉆井過程。例如，假設有位置高度是hb，鉆孔深度為H的理論核心恢復率為100%，TCR可以表示為方程（1）。鉆頭高度通常不高于50mm，深度小于2000mm，所以它的影響不超過2.5%，是可以忽略不計的。

其中，TCR是鉆井試驗總核心恢復率；hb為位置高度，單位mm；H為鉆孔深度，單位mm。

2.1.2 內外直徑

鉆頭內徑由目標鉆孔深度、采樣質量、以及樣品密度所確定。假設內、外半徑為R1和R2，內管的內半徑為R3，鉆井深度為H，樣品的密度為ρ，上述變量與目標采樣質量m之間的關系由方程式（2）所示。

其中，m是目標采樣質量，單位kg；R1是鉆頭內徑，單位m；ρ 是原狀土樣密度單位kg/m3。可以得到最小的內半徑方程為式（3）。

在確定鉆頭內徑后，假定進給速度是恒定的，鉆頭外徑的尺寸決定單位時間內產生的巖屑體積。旋轉速度恒定時，螺旋鉆機的鉆屑運輸能力是有限的，因此，鉆頭外徑管、螺旋葉片的寬度等與鉆井參數密切相關。

2.1.3 鉆頭類型的選擇

在地球環境中，普通旋轉取心鉆頭是硬質合金鉆頭、PDC鉆頭、金剛石鉆頭、牙輪鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭，主要適用于堅硬的地層。牙輪鉆頭主要用于大口徑油氣鉆井，PDC鉆頭適用于軟到中等堅硬的巖石鉆探。

實際上月球土壤塑性強度較低，偶爾遇到的月球巖石與地球表面的普通巖石相比強度也較低,根據巖石可鉆性分級相當于五級的巖石[4]。因此，硬質合金鉆頭和PDC鉆頭可用于月球鉆探。

2.2 螺旋鉆桿的優化

2.2.1 螺旋葉片的導程角

在鉆頭尺寸和螺旋鉆孔直徑一定的情況下，螺旋葉片的導程角是決定巖屑自動輸送速度的關鍵，它也是決定螺旋鉆機承載能力的一個關鍵因素。

以雙螺旋鉆機采用軟袋取心鉆井試驗為例，假設螺旋鉆機的外徑為32mm，螺旋葉片寬度為3.5mm，螺旋葉片厚度為3 mm，月球土壤的密度為1900kg/m3，鉆井深度為2m，然后螺旋葉片的導程角影響螺旋鉆機的鉆井巖屑自動運輸的適應能力和臨界轉速如圖1所示。

圖1 螺旋葉片導程角增加，臨界轉速和鉆井巖屑適應能力的變化

如圖1所示，螺旋葉片導程角增加，臨界轉速和鉆井巖屑的適應能力增加。當螺旋葉片的角小20°時，巖屑的適應能力隨螺螺旋葉片導程角的增加而明顯增加。根據巖屑的適應能力和螺旋鉆頭在鉆井過程中產生的熱量，建議導程角的角度為15~20°。

2.2.2 螺旋葉片寬度

當螺旋葉片寬度越小時，影響螺旋鉆機的巖屑適應能力越明顯。然而，在某些鉆井參數的條件下，螺旋葉片寬度的增加只能減少巖屑的適應能力，螺旋葉片厚度的大小，對所需的鉆探能力沒有影響。由此確定了鉆桿其它參數后，可獲得螺旋葉片寬度，詳細的過程如下：

首先，螺旋葉片的外圓直徑應該由鉆頭外徑來決定，等于或稍小于鉆頭外徑0~1mm。其次，鉆桿的內徑應該由軟袋和內管之間正常滑動的空間所決定。第三，在保證鉆桿強度的條件下，選擇最小的鉆桿厚度，以獲得螺旋葉片的內徑，然后獲得螺旋葉片寬度。此外，選擇最小的螺旋葉片厚度也能增加巖屑的容納量。

3 結論

（1）通過目標取樣質量和鉆井對象密度確定鉆頭內徑。鉆頭外徑是由螺旋鉆機的實際工作情況決定的。

（2）螺旋葉片的導程角決定了巖屑自動輸送的臨界轉速，以及螺旋鉆機巖屑的容納能力。螺旋葉片的寬度則由鉆頭上其它參數所確定。

（3）根據所容納的巖屑和散熱的能力、以及在鉆井過程中產生的熱量過程盡可能多，推薦導程角的角度為15~20°。

（4）應首先確定進給速度，旋轉速度由螺旋鉆機的結構尺寸和進給速度決定。

[1]歐陽自遠.月球科學概論[M].北京：中國宇航出版社,2005．

[2]鄢泰寧,冉恒謙,段新勝.宇宙探索與鉆探技術[M].探礦工程（巖土鉆掘工程）,2010，37（1）：3-7.

[3]Neely W J. Bearing capacity of auger-cast piles in sand[J].Journal of Geotechnical Engineering, 1991, 117(2)：331-345.

[4]鄧宗全,丁亮,高海波等.月壤特性對月球車輪地相互作品用力的影響[J].哈爾濱工業大學學報,2010，42（11）：1724-1729.