月球勘探螺旋钻机结构优化

山西中北大学机械与动力工程学院 刘德昌 庞俊忠

1 引言

人造地球卫星、载人航天以及深空探测是航空航天的三大主要活动领域。因为月亮是距地球最近的天体，月球探测是人类实现深空探测、走出地球的摇篮[1]。月球取样钻探相比土钻困难很多[2]。首先，运载火箭的运载能力有限，钻井工具具有特别小、额定功率和转矩低、以及尺寸小和重量轻等特点。其次，从月球表面不可以获得钻井液，应充分考虑如何实现正常运输岩屑和冷却钻头等问题。第三，月球表面是在低重力环境下进行的，重力加速度只有地球表面的六分之一[3]。

2 螺旋钻机的机构优化

在火箭搭载能力的限制下，额定扭矩和钻井工具所提供的功率相对较小。因此，为实现高效的探月钻井，螺旋钻机的结构优化是非常有必要的。

2.1 钻头优选

2.1.1 高度

钻头结构包括钻头内外径、钻头高度、刀具类型和排列等。钻头外部的螺旋叶片，其参数与螺旋钻杆相同，钻头高度只在某种程度上影响总核心恢复率（TCR），但不影响钻井过程。例如，假设有位置高度是hb，钻孔深度为H的理论核心恢复率为100%，TCR可以表示为方程（1）。钻头高度通常不高于50mm，深度小于2000mm，所以它的影响不超过2.5%，是可以忽略不计的。

其中，TCR是钻井试验总核心恢复率；hb为位置高度，单位mm；H为钻孔深度，单位mm。

2.1.2 内外直径

钻头内径由目标钻孔深度、采样质量、以及样品密度所确定。假设内、外半径为R1和R2，内管的内半径为R3，钻井深度为H，样品的密度为ρ，上述变量与目标采样质量m之间的关系由方程式（2）所示。

其中，m是目标采样质量，单位kg；R1是钻头内径，单位m；ρ 是原状土样密度单位kg/m3。可以得到最小的内半径方程为式（3）。

在确定钻头内径后，假定进给速度是恒定的，钻头外径的尺寸决定单位时间内产生的岩屑体积。旋转速度恒定时，螺旋钻机的钻屑运输能力是有限的，因此，钻头外径管、螺旋叶片的宽度等与钻井参数密切相关。

2.1.3 钻头类型的选择

在地球环境中，普通旋转取心钻头是硬质合金钻头、PDC钻头、金刚石钻头、牙轮钻头和孕镶金刚石钻头，主要适用于坚硬的地层。牙轮钻头主要用于大口径油气钻井，PDC钻头适用于软到中等坚硬的岩石钻探。

实际上月球土壤塑性强度较低，偶尔遇到的月球岩石与地球表面的普通岩石相比强度也较低,根据岩石可钻性分级相当于五级的岩石[4]。因此，硬质合金钻头和PDC钻头可用于月球钻探。

2.2 螺旋钻杆的优化

2.2.1 螺旋叶片的导程角

在钻头尺寸和螺旋钻孔直径一定的情况下，螺旋叶片的导程角是决定岩屑自动输送速度的关键，它也是决定螺旋钻机承载能力的一个关键因素。

以双螺旋钻机采用软袋取心钻井试验为例，假设螺旋钻机的外径为32mm，螺旋叶片宽度为3.5mm，螺旋叶片厚度为3 mm，月球土壤的密度为1900kg/m3，钻井深度为2m，然后螺旋叶片的导程角影响螺旋钻机的钻井岩屑自动运输的适应能力和临界转速如图1所示。

图1 螺旋叶片导程角增加，临界转速和钻井岩屑适应能力的变化

如图1所示，螺旋叶片导程角增加，临界转速和钻井岩屑的适应能力增加。当螺旋叶片的角小20°时，岩屑的适应能力随螺螺旋叶片导程角的增加而明显增加。根据岩屑的适应能力和螺旋钻头在钻井过程中产生的热量，建议导程角的角度为15~20°。

2.2.2 螺旋叶片宽度

当螺旋叶片宽度越小时，影响螺旋钻机的岩屑适应能力越明显。然而，在某些钻井参数的条件下，螺旋叶片宽度的增加只能减少岩屑的适应能力，螺旋叶片厚度的大小，对所需的钻探能力没有影响。由此确定了钻杆其它参数后，可获得螺旋叶片宽度，详细的过程如下：

首先，螺旋叶片的外圆直径应该由钻头外径来决定，等于或稍小于钻头外径0~1mm。其次，钻杆的内径应该由软袋和内管之间正常滑动的空间所决定。第三，在保证钻杆强度的条件下，选择最小的钻杆厚度，以获得螺旋叶片的内径，然后获得螺旋叶片宽度。此外，选择最小的螺旋叶片厚度也能增加岩屑的容纳量。

3 结论

（1）通过目标取样质量和钻井对象密度确定钻头内径。钻头外径是由螺旋钻机的实际工作情况决定的。

（2）螺旋叶片的导程角决定了岩屑自动输送的临界转速，以及螺旋钻机岩屑的容纳能力。螺旋叶片的宽度则由钻头上其它参数所确定。

（3）根据所容纳的岩屑和散热的能力、以及在钻井过程中产生的热量过程尽可能多，推荐导程角的角度为15~20°。

（4）应首先确定进给速度，旋转速度由螺旋钻机的结构尺寸和进给速度决定。

[1]欧阳自远.月球科学概论[M].北京：中国宇航出版社,2005．

[2]鄢泰宁,冉恒谦,段新胜.宇宙探索与钻探技术[M].探矿工程（岩土钻掘工程）,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]邓宗全,丁亮,高海波等.月壤特性对月球车轮地相互作品用力的影响[J].哈尔滨工业大学学报,2010，42（11）：1724-1729.