1、月球采樣對深空探測具有十分重要的意義，我國在月球無人自主采樣探測領域還處于起步階段，很多關鍵技術亟待突破。我國探月三期的任務目標為月球次表層無人自主采樣并返回，鉆取采樣成為主要采樣方式之一。由于取樣深度較深，且鉆進過程中無法通過注水、切削液等其他形式輔助散熱，加之月面的高真空、月壤極差的導熱特性等各種惡劣的工作環(huán)境，使得取樣過程中鉆具極有可能達到很高的溫度，致使結構件破壞甚至燒鉆。另外，過高的溫度也會對月壤產(chǎn)生影響，直接影響獲取樣品的質(zhì)

2、量。因此，本研究在探月三期工程月面采樣預先研究重大專項的支持下，針對月面鉆取采樣的工程需求、取樣鉆具具體結構形式以及鉆進規(guī)程參數(shù)，開展采樣鉆具與月壤作用熱力特性及溫度場預測研究，為取樣過程鉆進規(guī)程參數(shù)的設計優(yōu)化提供理論基礎與技術支撐，保證取樣鉆具的熱安全性。
　　在月面鉆進取樣過程中，鉆具與月壤間相互作用是鉆進過程中最主要的作用關系。首先以鉆進小尺度月壤（不考慮月巖）作為研究工況，基于鉆具與月壤間相互作用特性和月壤的顆粒流動特性，

3、確定切削熱源主要性質(zhì)。在此基礎之上，針對具體采樣取芯鉆具切削刃構型和邊界條件，基于Jaeger的瞬時點熱源無限大物體傳熱模型，對切削刃局部的傳熱過程進行建模分析，得到了針對本課題具體邊界條件的三維傳熱問題的解析解，建立了鉆具溫升與鉆進受力參數(shù)的理論模型，對鉆進小尺度模擬月壤過程中的切削刃溫度場進行預測。之后，搭建基于光纖光柵測溫系統(tǒng)的鉆進測溫實驗臺，進行了常溫和低溫模擬月壤鉆進實驗，對預測模型進行了實驗驗證。
　　月面鉆取過程中，

4、針對鉆具溫升的一個主要問題在于，月球土壤中含有巖石，而鉆進月巖一般會產(chǎn)生大量的熱量?？紤]到月壤中可能出現(xiàn)并且最有可能造成鉆進過程中鉆具溫度較高的月巖塊體，并考慮真空環(huán)境對傳熱過程的影響，基于時間和空間離散化的思想，對真空環(huán)境下鉆進模擬月巖過程中的鉆具生熱及溫升特性進行了建模計算。為了提高模型適用性，在計算建模中，逐步考慮熱源形式、鉆具構型等因素的影響以及計算速度的優(yōu)化，最終提出了一種面向鉆進參數(shù)和負載條件對不同鉆具構型廣泛適用的實時快速

5、計算鉆具溫升的方法，并進行了真空中的鉆進模擬月巖實驗，對計算模型進行了完善修正以及實驗驗證。在鉆具溫度預測模型基礎上，實現(xiàn)對鉆進規(guī)程控制策略的干預，保證鉆具熱安全性。
　　模擬仿真是研究月面鉆取過程中鉆削溫升問題的有效手段之一。月壤屬于離散顆粒系統(tǒng)，基于離散元方法研究表征顆粒系統(tǒng)傳熱特性的關鍵參數(shù)——有效導熱系數(shù)，并以此為目標進行離散元傳熱參數(shù)匹配。研制實驗臺用穩(wěn)態(tài)方法對常壓和真空下的模擬月壤有效導熱系數(shù)進行了實驗測量，并用瞬態(tài)方

6、法對離散元中的顆粒系統(tǒng)有效導熱系數(shù)進行了確定。最后基于中心組合設計方法，在研究主要參數(shù)對顆粒系統(tǒng)傳熱特性影響關系的基礎上，對與常壓和真空下的模擬月壤顆粒系統(tǒng)傳熱特性相似的離散元模型進行了參數(shù)匹配，為后續(xù)的離散元仿真奠定了基礎。
　　基于離散元方法的仿真研究在復雜環(huán)境實現(xiàn)、土壤或巖石顆粒特性追蹤等方面都具有方法上的優(yōu)勢。在鉆具溫度場計算模型和離散元傳熱參數(shù)匹配的基礎上，基于對離散元軟件EDEM的二次開發(fā)，對各種環(huán)境工況下的鉆進過程進