0 引 言
1 月球水冰冻土采样及超声钻研究现状
1.1 月球水冰冻土采样装置现状
刘德赟等[11]对不同含率下的模拟冻土进行了钻进测试，并使用了软袋取芯。研究表明，月壤冻土钻进应采取低转速、慢进程的方式，以防止冻土中的水冰融化后重新冻结导致钻具黏附。同时，钻具应具备较强的排粉能力和疏水性能。崔中雨[12]设计了低温模拟月壤水冰钻进测试实验台系统，并对钻具进行了多方案构型设计，提出了不同强度冻土不同钻进规程下钻具使用寿命的初步预测方法。季节等[13]使用深槽螺旋钻进行了模拟月壤冻土钻取，测试了不同含水率和钻压力等条件下钻进速度的变化。在4.0%含水率、高密实度的模拟月壤冻土中，钻具可以在140 N钻压力条件下可达到45.8 mm/min的平均钻进速度。在低重力环境下，随着钻进深度的增加，传统旋转在钻头的扭转性能、钻进性能等方面面临着诸多挑战。相比之下，超声波钻取采样技术因其独特的驱动方式，在地外天体采样中具备一定的优势。
1.2 超声波钻取采样技术方案概述
目前，超声波钻探器主要分为直削式、冲击式、电机驱动回转冲击式、超声驱动回转冲击式等。其中，直削式超声波钻探器直接利用变幅杆末端高频、低振幅的简谐振动破碎岩石，难以获得较高的钻进效率[14-15]；冲击式超声波钻探器通过在超声换能器与钻杆之间引入了自由质量块，使得超声波钻探器的钻进速度得到大幅提升，但是存在排屑困难的问题[16-17]；超声驱动回转冲击式超声波钻探器在钻进速度上有所提升[18-20]；电机驱动回转冲击式超声波钻探器深度取芯性能表现更为突出，并且电机重量能提供额外的钻压力[21-22]。超声波钻进在硬岩中表现出较高的破碎效率，适合钻探高硬度岩石，并且高频的超声波振动能够减少钻头与岩石之间的滑动摩擦，从而降低钻头磨损和卡钻的情况。综合来看，各种超声波驱动方式均能很好地发挥出低钻压力、结构紧凑、功耗低、破岩效率高、耐温范围宽和无需润滑等优势。与传统电机驱动的钻探器相比，超声波钻探器更适用于弱引力下星体的钻取。
1.3 冲击式超声波钻取采样
2000年，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）与加州理工学院的NDEAA团队联合开发了超声波/声波钻孔/取芯机（Ultrasonic/Sonic Driller/Corer，USDC）[23]。该钻孔机所需的轴向力较小，从而克服了在低重力环境下使用传统钻头进行行星采样的主要限制之一。此后，NASA基于USDC原理研制了原型机Auto-Gopher[24]。为了提高Auto-Gopher的钻进性能，Badescu等[25]制造了实验样机（见图1 ），用来测试不同功率、不同占空比（超声换能器工作时间与整体钻进时间的比值）以及不同自由质量块重量下的最佳钻进参数。随后，Badescu等[26]前往南极洲进行了钻冰测试，总钻进深度为1.76 m。
冲击式超声波钻探器的核心部件包括超声换能器和自由质量块等，这些部件共同实现了其冲击功能。其中，超声换能器将多片压电陶瓷堆叠并压紧，再向压电陶瓷两端施加高频交变电压，通过压电陶瓷的逆压电效应，将电能转换为机械能，从而产生20 kHz以上的微米级高频振动。随后，超声变幅杆将振动幅度放大到几十微米后输出。自由质量块初始通过预紧弹簧被压紧在超声变幅杆和钻杆之间。当超声换能器启动后，变幅杆末端输出的高频振动连续撞击自由质量块，使其被激励后弹出，并将冲击传递给钻具，从而进一步放大振幅和冲击力。自由质量块与钻具碰撞后再次被弹回，实现自由质量块的连续碰撞，如图2 所示。高频振动使钻头与岩石接触面产生高频应力波，导致岩石内部产生微裂纹。这些微裂纹在多次冲击下逐渐扩展，使岩石的强度降低，同时电机驱动回转带动钻头旋转切削，最终导致岩石破碎。
本文针对月壤冻土大深度取芯钻进的需求，研制了一种基于电机驱动回转的超声波冲击式取样器，进行了特定频率的超声变幅杆进行了模态优化仿真，并测试了其实际输出特性。同时，搭建了实验平台，对超声取样器进行了模拟实验，并且研究了不同钻压力对钻进速度的影响。研究结果表明，超声激励驱动自由质量块冲击钻杆能显著提高钻进速度。此外，还进行了月壤水冰冻土的本构参数仿真，制备了月壤水冰冻土模拟物，并通过钻进实验证明了本构参数的正确性，以期为未来月球水冰冻土的开采提供新的解决方案，助力月球科学研究和月球基地建设。
2 模拟月壤冻土制备
使用压机将模拟含水月壤压制到目标密实度，如图4 所示，以满足实验需求。压紧后，将其置于−65 ℃的冰柜中冷冻12 h，制成100 mm×100 mm×30 mm规格的实验用含冰月壤方砖，随后，将其置于装有液氮的保温箱中3 h，使其温度降至−180 ℃以下。通过温度计实时检测温度，每10 min记录一次，待达到预定温度后取出进行钻进实验。详细的制备流程如图5 所示。
3 月球水冰冻土力学特性
月球水冰冻土的力学行为作为极区原位资源利用（In-situ Resource Utilization，ISRU）的关键科学议题，已成为制约月球极区永久阴影区探测任务工程可行性的重要瓶颈之一。
3.1 月球水冰冻土特性概述
月壤本身具有一定的黏性特性，而冻土中含有的水冰进一步增强了其黏附性。在钻探过程中，钻削产生的热效应会显著加剧月壤与钻具之间的黏附现象，从而大幅增加钻探操作的难度。相关实验研究表明，月壤在钻探过程中的切削阻力特性不会超过95 MPa[31]。近年来，学术界通过多尺度实验表征与数值建模相结合的方法论，系统性地揭示了冻融循环下月壤-水冰复合体的非线性力学响应机制。刘君巍等[32]提出基于“四性准则”（相似性、等效性、均一性、覆盖性）的类月壤水冰构型模拟方法。在−180~50 ℃的梯度温场真空实验舱中，采用原位声发射监测技术，同步获取了抗剪强度与泊松比的温度-含水率耦合演化谱系。研究发现，月壤水冰冻土复合体的抗剪强度（Q=5~65 MPa）遵循Arrhenius型温度依赖关系，其内摩擦角呈现含水率调制的双曲正切变化规律（$ \mathrm{\phi }$ =35°~395° ），而泊松比（v=0.16~0.32）则表现出显著的应变率敏感性。该多维度力学参数的精确标定，不仅校准了现有离散元素模型的微观接触算法，更为月球极区含冰月壤资源开发利用规划及资源挖掘装置的热力学兼容性评估提供了关键约束条件。
3.2 离散元PFC软件中的月球水冰本构参数
月壤冻土颗粒呈现多种形态。为了在模拟过程中更快速地建立仿真模型，本文采用球形单元（Ball）作为基本构建单元，用于模拟月壤和月岩的物理特性。这种方法通过简化颗粒的几何形态，提高了仿真模拟效率，同时保留了月壤冻土颗粒的基本力学行为特征。
在针对月壤水冰冻土的模拟中，使用PFC3D软件构建模拟物离散元模型时，选用刚度模型、滑动模型与胶结模型。其中，刚度模型主要用于描述粒间接触力和位移的线弹性关系。平行粘结模型用于描述月壤颗粒间的粘结行为。其微观参数主要包括平行粘结接触法向刚度（$ {\bar{{k}}}_{{n}} $ ）、平行粘结接触切向刚度（$ {\bar{{k}}}_{{S}} $ ）、抗拉力（$ {\bar{\mathrm{\sigma }}}_{\mathrm{c}} $ ）、抗剪力（$ \bar{{c}} $ ）和摩擦角（$ \bar{\mathrm{\varphi }} $ ）等。
参照第2节模拟月壤冻土单轴压缩实验的模拟结果，通过试错法，在PFC3D软件中对含水率为10%的CUG-1A模拟月壤水冰的微观参数进行了标定，为后续的钻进仿真做准备。标定结果见表1 。标定结果与实验结果的应力应变曲线对比见图8 。仿真断裂表现为脆性断裂，如图9 所示。由于单轴抗压强度实验中下端固定、上端压缩的特性，实验样本的破坏主要集中在样本上端，这与参数标定的仿真样本的破坏形态一致。标定后的仿真在一定程度上能够模拟真实工况条件，为后续钻进仿真奠定了理论基础。
表 1 模拟月壤冻土颗粒平行接触模型参数Table 1 Parameters of parallel contact model for simulated lunar regolith permafrost particles |
| 参数名称/单位 | 参数值 |
| 颗粒接触弹性模量 | 0.7602 |
| 颗粒接触法向与切向刚度比 | 1.5 |
| 颗粒间的摩擦系数 | 0.1 |
| 平行胶结模型弹性模量 | 0.7602 |
| 平行胶结模型法向与切向刚度比 | 1.5 |
| 平行胶结模型的内摩擦角 | 50 |
| 平行胶结模型法向强度 | 8.654 |
| 平行胶结模型内聚力 | 23.368 |
| 平行胶结模型半径放大系数 | 1 |
3.3 PFC3D钻进仿真
为了提高仿真效率，对于月壤冻土的颗粒仿真使用控制Ball的大小的方法进行优化。试制了尺寸为100 mm×100 mm×10 mm的仿真样本。当颗粒数量较少时，仿真结果会受到显著影响；而当颗粒数量达到一定规模后，其对仿真结果的影响可忽略不计。通过调整Ball的颗粒数量，进行了11次实验，实验结果见图10 。当仿真样本Ball数量达到30 000数量级以上时，其抗压强度的仿真结果受颗粒数量的影响较小，几乎可以忽略不计。
颗粒数量无关性验证实验表明，将Ball直径设置在0.45~0.85 mm范围内，颗粒数量为42 481，并进行预压与胶结处理后，得到的仿真样本如图11 所示。在三维建模软件中建立钻头模型，并将其导入PFC3D软件中如图12 所示。赋予钻头绕Z轴旋转角速度为18 rad/s，进给速度为0.05 mm/s的钻进条件，设置钻头振动频率为52 Hz，振幅为650 μm。在未施加超声振动和施加超声振动钻进时，月壤冻土的钻进力仿真破坏情况分别如图13 和图14 所示。加入超声振动的月壤冻土的破碎数量明显多于未加超声的情况，这表明超声振动更利于月壤冻土的钻进。
图 13 未施加超声振动的下月壤冻土破碎图Fig.13 Unapplied ultrasonic vibration of lunar regolith frozen soil crushing diagram |
在不同月壤钻进条件下，钻削过程中的钻进力随时间变化的曲线图如图15 所示。在引入超声振动钻削月壤冻土后，平均钻进力由129.25 N降低至55.14 N，下降幅度约为57.3%。这表明超声钻削技术在降低钻进力方面具有显著优势。无超声钻进的钻进力曲线较为平稳，波动较小；超声钻进下的曲线呈现周期性高频波动，这是振动引起的周期性接触和分离效应的典型特征，进一步验证了超声辅助钻削机制的有效性。
4 超声取样器试制与性能分析
4.1 超声取样器设计
冲击式超声取样器主要由旋转驱动及锚固部分、超声冲击驱动部分及回转冲击钻进部分等组成，如图16 所示。钻头表面的金刚石能有效提升岩石破碎的速度。超声换能器在25 kHz的共振频率下运行，为设备提供高频振动源。其设计使用4片PTZ-8压电陶瓷，通过螺栓将其压紧在后盖板与前端盖之间，以激励自由质量块振动。超声致动器的功率取决于压电陶瓷的片数及其单片的功率容量[33]。本文设计的超声换能器最大功率为80 W。此外，超声换能器内部设有通孔，用于传动杆的穿入，以传递扭矩和旋转运动。
4.2 超声换能器模态分析
首先，为了验证超声换能器设计模型的有效性，对设计的超声换能器进行模态分析，以确定其在不同频率下的共振模态。使用ANSYS有限元软件导入换能器的模型，定义各个部件的材料参数，如表2 所示。其中，后盖板和预紧螺栓采用不锈钢材质，前端盖为铝合金，变幅杆采用钛合金。随后，对模型进行网格划分，并于0~40 kHz的频率范围内搜索1~30阶模态。仿真结果如图17 所示，其中展示了第25、26、27阶模态的振动图。分析表明，第26阶模态为所需要的模态，其频率为25 163 Hz，且与相邻模态的频率差大于700 Hz，理论上可避免干扰。因此，本文换能器的设计是可行的。
使用阻抗分析仪对换能器的基本参数进行测试，以确定实际超声换能器的共振频率及阻抗特性。设定起始频率为24.5 kHz，终止频率为25.5 kHz，测试结果如图18 所示。经测试，超声换能器的谐振频率$ {{F}}_{\mathrm{s}} $ 为25 111 Hz，接近所设计的25 163 Hz的频率值；机械品质因数$ {{Q}}_{\mathrm{m}} $ 为3 232，表明振子的电声转换效率高，超声换能器的性能表现良好。
4.3 超声取样器输出振幅测试
为了测试超声变幅杆实际的输出振幅及超声取样器所能产生的最大输出振幅，验证自由质量块设计的合理性，搭建激光测振平台，如图19 所示。使用信号发生器和功率放大器对超声变幅杆进行驱动，设定信号发生器产生频率为25 111 Hz、幅值为2 Vp-p的正弦波。该信号经过功率放大器放大后直接加载在压电陶瓷两端。将变幅杆的输出端对准激光测振仪的焦点，并调整参数以测量变幅杆末端及钻杆的输出振幅和频率。
当压电陶瓷两端加载250 Vp-p电压时，变幅杆末端的实际输出振幅约为16 μm，振动频率为输入频率。组装好的钻杆实际输出振幅可达1.8 mm，振动频率为50~90 Hz。结果表明，引入自由质量块能显著提升换能器的输出振幅值并降低输出频率。
通过对超声换能器的特性分析，表明其实际输出性能与预期相符，验证了超声取样器设计的合理性和可行性。
4.4 超声取样器冲击动力学仿真
为了模拟自由质量块的碰撞过程，在Matlab中构建了超声换能器、自由质量块和钻杆相互碰撞的理论计算模型。模型的基础参数依据实际值进行设定，并绘制了三者在短时间内的碰撞位移曲线，如图20 所示。
为了简化模型的建立和计算过程，作出以下假设：
（1）超声换能器作为系统的驱动源，安装在法兰面上，不受自身振动或碰撞的影响，能够稳定输出频率和幅值恒定的简谐运动。
（2）系统仅考虑轴向自由度，着重研究轴向运动特性。碰撞过程在极短时间内完成，且系统内的碰撞次数有限。
（3）自由质量块仅受重力影响，而钻杆则在重力与弹簧弹力的共同作用下运动。由于振动位移较小，弹簧提供的弹力可视为恒定。
（4）忽略摩擦、变形等能量耗散效应，碰撞过程中的能量损失忽略不计。
由Matlab仿真结果可以看出，在0.02 s内，自由质量块与超声换能器和钻杆碰撞了25次，碰撞频率约为1 250 Hz；钻杆的输出位移约为1.5 mm，与实际测出的振幅基本一致。
5 模拟月壤冻土钻进实验
为了测试超声取样器实际的钻进性能，搭建了实验平台进行测试。超声取样器重量整体为4 636.0 g，其中冲击振动部分重量为363.5 g，质量为13.9 g.设定电机的输出转速为170 r/min。将制备好的模拟月壤冻土固定在三轴测力仪上，并以0.05 mm/s的进给速度进行钻进实验。在同组实验测试调整设备时，及时添加液氮以确保模拟冻土的特性基本保持不变，如图21 所示。通过设定相同的进给速度，测试了施加超声振动和不施加超声振动时钻进力的变化，如图22 所示。
实验结果表明，虽然施加超声振动时的钻进力最大值大于未施加超声振动时的钻进力最大值，但施加超声振动时的平均钻进力为49.36 N，未施加超声振动时的平均钻进力为105.53 N，降幅超过了52%。主要原因是自由质量块与钻杆碰撞时会产生较大的瞬时冲击力，该冲击力能使模拟冻土产生初始裂纹，从而降低后续钻进过程中的钻进力。因此，在施加超声振动时，最小钻进力也小于未施加超声振动时的力，导致平均钻进力显著降低。在相同的钻进条件下，超声取样还能减少对钻具的磨损。此外，由于钻进力的减小，对电机的转速和扭矩要求也会随之降低，进而降低了电机驱动所需的能耗。
与前述PFC3D模拟冻土切削钻进仿真结果相比，在0.05 mm/s的进给速度及相同钻进参数下，模拟钻进力与实际钻进力相差10.5%。考虑到常温实验导致模拟月壤冻土温度逐渐升高、强度逐渐降低，以及实际模拟月壤冻土强度未达到仿真值的影响，验证了模拟仿真参数的正确性。
6 结语与展望
本文设计了一种用于月壤冻土资源开发的超声取样器，并对取样器整体结构进行了设计、仿真和优化。通过实验验证了超声激励驱动钻进的优势，并与仿真结果进行了对比分析，得到的结论如下：
（1）成功制备了模拟月壤冻土试样，并对试样进行单轴抗压强度测试，验证了制备方法的合理性。
（2）分析了超声取样器的实际性能，测得了超声变幅杆和超声取样器的输出振幅及频率，并进行了钻杆的冲击动力学仿真。
（3）实验结果表明，超声辅助钻进相较于常规钻削能够有效降低钻进力。超声仿真得到的平均钻进力与实验结果的误差为10.2%，这表明仿真中采用的月壤冻土本构参数具有较高的合理性。
未来研究将致力于进一步优化超声取样器的性能，提高钻进取样的效率，并搭建实验平台以模拟月球表面的真空、低重力及高温差环境，从而验证超声取样器在极端环境下的钻进性能。此外，还探究不同自由质量块形状与重量、弹簧预紧力组合下的最佳钻进配置，以最大化发挥超声取样器的优势，使其更好地适应地外天体的取样需求，助力地外天体原位采样技术发展与实践。