基于可钻性在线辨识的月面钻取采样钻进规程研究

【摘要】：目前，我国探月工程（三期）月面钻取采样任务将采用无人钻取采样装置获取月表深度约两米的月壤样品，并保持样品层理信息。鉴于着陆区月壤物理力学特性（粒径极配、颗粒硬度、相对密实度等）具有随机性和不可预见性的特点，钻取采样器对钻进取芯过程的力载适应性以及样品层理信息保持性都提出了严格要求。除优化采样器机械本体外，具有一定辨识能力并能自动调节钻进参数的控制策略是提高其对不确定月壤对象适应能力的有效途径。 不同于地面钻探，月面钻取采样可利用的在轨监测资源极为有限，且钻进对象的物理力学参数繁多，基于现有条件难以准确辨识月壤的力学参数进行在轨控制。因此本文引入地质勘探领域岩石可钻性概念，用可钻性等级指标描述月壤的钻进难易程度。通过建立取芯钻具与月壤相互作用力学模型，获取月壤的合理钻进规程参数。利用模式识别方法开展月壤可钻性等级的辨识研究，实现合理钻进规程参数与可钻性等级的实时匹配与控制。 分别以空心钻杆和取芯钻头为研究对象，基于土力学相关理论，在充分考虑钻具作用下月壤的失效形式以及运移机理基础上，提出了螺旋槽填充率概念。将钻进工况分成阻塞和非阻塞两类，建立了以钻进规程参数、钻具构型参数以及月壤物理力学参数为变量，不同工况下钻具与月壤相互作用力学模型。 制备特定模拟月壤样本并测定其力学参数，在研制完成的钻取采样综合性能测试平台上开展多维钻进规程参数下的钻进取芯试验，验证了螺旋槽填充率假设及钻具-月壤力学模型的的正确性。引入月面钻取采样钻进规程优化指标，并以此为约束条件，利用最小能耗原理获得月壤的合理钻进规程参数。 基于机械钻速法开展模拟月壤的可钻性等级划分，提取对可钻性等级辨识具有显著意义的钻进特征时域和频域参量，借助支持向量机的模式识别方法，设计可钻性等级辨识算法，通过网格搜索法优化支持向量机参数获得较高准确率的辨识模型。规划多层随机分布钻进样本进行可钻性等级实时辨识及闭环控制试验，验证了该控制策略的可行性。