山西中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 劉德昌 龐俊忠

1 引言

人造地球衛(wèi)星、載人航天以及深空探測是航空航天的三大主要活動領(lǐng)域。因為月亮是距地球最近的天體，月球探測是人類實現(xiàn)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(zhuǎn)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(yīng)充分考慮如何實現(xiàn)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(huán)境下進(jìn)行的，重力加速度只有地球表面的六分之一[3]。

2 螺旋鉆機(jī)的機(jī)構(gòu)優(yōu)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(xiàn)高效的探月鉆井，螺旋鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是非常有必要的。

2.1 鉆頭優(yōu)選

2.1.1 高度

鉆頭結(jié)構(gòu)包括鉆頭內(nèi)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(shù)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(fù)率（TCR），但不影響鉆井過程。例如，假設(shè)有位置高度是hb，鉆孔深度為H的理論核心恢復(fù)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(fù)率；hb為位置高度，單位mm；H為鉆孔深度，單位mm。

2.1.2 內(nèi)外直徑

鉆頭內(nèi)徑由目標(biāo)鉆孔深度、采樣質(zhì)量、以及樣品密度所確定。假設(shè)內(nèi)、外半徑為R1和R2，內(nèi)管的內(nèi)半徑為R3，鉆井深度為H，樣品的密度為ρ，上述變量與目標(biāo)采樣質(zhì)量m之間的關(guān)系由方程式（2）所示。

其中，m是目標(biāo)采樣質(zhì)量，單位kg；R1是鉆頭內(nèi)徑，單位m；ρ 是原狀土樣密度單位kg/m3?？梢缘玫阶钚〉膬?nèi)半徑方程為式（3）。

在確定鉆頭內(nèi)徑后，假定進(jìn)給速度是恒定的，鉆頭外徑的尺寸決定單位時間內(nèi)產(chǎn)生的巖屑體積。旋轉(zhuǎn)速度恒定時，螺旋鉆機(jī)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(shù)密切相關(guān)。

2.1.3 鉆頭類型的選擇

在地球環(huán)境中，普通旋轉(zhuǎn)取心鉆頭是硬質(zhì)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(jù)巖石可鉆性分級相當(dāng)于五級的巖石[4]。因此，硬質(zhì)合金鉆頭和PDC鉆頭可用于月球鉆探。

2.2 螺旋鉆桿的優(yōu)化

2.2.1 螺旋葉片的導(dǎo)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(dǎo)程角是決定巖屑自動輸送速度的關(guān)鍵，它也是決定螺旋鉆機(jī)承載能力的一個關(guān)鍵因素。

以雙螺旋鉆機(jī)采用軟袋取心鉆井試驗為例，假設(shè)螺旋鉆機(jī)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(dǎo)程角影響螺旋鉆機(jī)的鉆井巖屑自動運輸?shù)倪m應(yīng)能力和臨界轉(zhuǎn)速如圖1所示。

圖1 螺旋葉片導(dǎo)程角增加，臨界轉(zhuǎn)速和鉆井巖屑適應(yīng)能力的變化

如圖1所示，螺旋葉片導(dǎo)程角增加，臨界轉(zhuǎn)速和鉆井巖屑的適應(yīng)能力增加。當(dāng)螺旋葉片的角小20°時，巖屑的適應(yīng)能力隨螺螺旋葉片導(dǎo)程角的增加而明顯增加。根據(jù)巖屑的適應(yīng)能力和螺旋鉆頭在鉆井過程中產(chǎn)生的熱量，建議導(dǎo)程角的角度為15~20°。

2.2.2 螺旋葉片寬度

當(dāng)螺旋葉片寬度越小時，影響螺旋鉆機(jī)的巖屑適應(yīng)能力越明顯。然而，在某些鉆井參數(shù)的條件下，螺旋葉片寬度的增加只能減少巖屑的適應(yīng)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(shù)后，可獲得螺旋葉片寬度，詳細(xì)的過程如下：

首先，螺旋葉片的外圓直徑應(yīng)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(nèi)徑應(yīng)該由軟袋和內(nèi)管之間正?；瑒拥目臻g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(nèi)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(jié)論

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

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

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

（4）應(yīng)首先確定進(jìn)給速度，旋轉(zhuǎn)速度由螺旋鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和進(jìn)給速度決定。

[1]歐陽自遠(yuǎn).月球科學(xué)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(shù)[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(yè)大學(xué)學(xué)報,2010，42（11）：1724-1729.