地外天體超聲波鉆探器研究與應(yīng)用綜述

王童照，全齊全，黃江川，唐德威，郭 璠，孟林智，趙志軍，鄧宗全

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150001；2. 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094；3. 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

0 引 言

在未來深空探測任務(wù)中，采樣作為一個重要環(huán)節(jié)是獲取星體信息最直接的方式。星體的表層物質(zhì)受宇宙風(fēng)、塵暴和流星撞擊等影響嚴(yán)重，所保留的星體原始物質(zhì)信息較少；星體次表層的物質(zhì)受外界環(huán)境影響較小，更有利于獲取有價值的信息，對研究太陽系星體演化規(guī)律和人類生命起源具有重要意義[1-3]。鉆探采樣是獲取星體次表層地質(zhì)樣品的有效途徑之一。通過鉆進(jìn)取芯的方式可以獲取保留完整地質(zhì)層序信息的樣品[4]。然而在星體表面實施鉆進(jìn)任務(wù)時面臨鉆探環(huán)境惡劣和引力微弱的環(huán)境特點，鉆探采樣對鉆機(jī)提出了環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、低功耗和低軸向力的要求。壓電驅(qū)動的超聲波鉆探器可以滿足這些要求，超聲波鉆探器具有所需鉆壓力小、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、耐溫范圍寬(-200 ℃～500 ℃)和無需潤滑等突出優(yōu)點[5]，比傳統(tǒng)電磁電機(jī)驅(qū)動的鉆探器更適用于微弱引力下星體的鉆探采樣任務(wù)。

目前，國內(nèi)外研制的超聲波鉆探器依據(jù)作動方式主要分為三類：直驅(qū)式超聲波鉆探器、沖擊式超聲波鉆探器和回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器。直驅(qū)式超聲波鉆探器研究最早，由美國噴氣推進(jìn)實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)提出，驗證了適應(yīng)于火星環(huán)境的超聲波鉆探器具有低功耗、低鉆壓和耐溫范圍寬的工作特點[6]。沖擊式和回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器在直驅(qū)式超聲波鉆探器的研究基礎(chǔ)上致力于提高鉆進(jìn)取芯效率，受到了廣泛的研究，被定位于協(xié)助星體探測器和漫游車的鉆探平臺[7]。超聲波鉆探器作為鉆探平臺對星體探測具有重要意義，主要體現(xiàn)在：1)超聲波鉆探器所需鉆壓力小、功耗低可以極大地節(jié)省探測器的能源;2)超聲波鉆探器對不同硬度的硬脆性介質(zhì)均具有很好的可鉆性，這增加了采樣地點選擇的多樣性;3)超聲波鉆探器可以產(chǎn)生完整的異型孔有助于實現(xiàn)十米左右的鉆進(jìn)深度;4)超聲波鉆探器自身的聲納傳感特點能夠?qū)崿F(xiàn)鉆進(jìn)過程的鉆探一體化。

苛刻的空間環(huán)境對超聲波鉆探器技術(shù)研究具有極大的挑戰(zhàn)[8-9]。月球表面溫度-233 ℃～180 ℃、火星表面溫度-120 ℃～35 ℃、小行星表面溫度-188 ℃～120 ℃、金星表面溫度465 ℃～500 ℃，星體表面存在的高低溫環(huán)境對超聲波鉆的諧振頻率和各部件之間的力學(xué)性能產(chǎn)生巨大影響[10-11]。星體表面的介質(zhì)硬度不確定，這要求超聲波鉆探器能夠適應(yīng)不同硬度等級的介質(zhì)。在鉆進(jìn)過程中可能面臨地質(zhì)層結(jié)構(gòu)的變化，這要求超聲波鉆探器需要針對被鉆介質(zhì)的變化及時調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)以保證鉆進(jìn)穩(wěn)定性。星體表面往往還存在著真空、強(qiáng)酸和宇宙輻照等苛刻環(huán)境，這些對超聲波鉆探器的影響還尚不清晰。

本文基于國內(nèi)外已有的超聲波鉆探器的研究進(jìn)展，分析各超聲波鉆探器方案的特點和存在的不足。同時，對超聲波鉆探器的各部件間動力學(xué)仿真模型、結(jié)構(gòu)優(yōu)化成果、驅(qū)動電源控制方法進(jìn)行分析與討論。并基于在未來深空應(yīng)用中的預(yù)研成果對超聲波鉆探器研制過程中的關(guān)鍵問題給出一些具體建議。

1 超聲波鉆探器研究進(jìn)展

超聲波鉆探器在1998年由JPL首次提出以來，主要作為地外天體探測的鉆探平臺被廣泛研究。JPL開發(fā)了多種構(gòu)型和功能的超聲波鉆探器，并對其性能進(jìn)行了不斷優(yōu)化。歐洲和俄羅斯的學(xué)者對超聲波鉆探器的性能提升和非線性動力學(xué)分析方面也做了大量的工作。同樣，超聲波鉆探器也吸引了國內(nèi)學(xué)者對其進(jìn)行深入研究。以下將分別探討各科研機(jī)構(gòu)對超聲波鉆探器的研究進(jìn)展。

1.1 美國噴氣推進(jìn)實驗室

JPL創(chuàng)新性的提出超聲波鉆探器的概念，以低功耗和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)為設(shè)計目標(biāo)，開發(fā)出了第一代直驅(qū)式超聲波鉆探器(Ultrasonic Core Driller, UTCD)，發(fā)現(xiàn)了它比傳統(tǒng)鉆機(jī)具有低功耗、低鉆壓力和耐高低溫的突出優(yōu)點。但是由于UTCD的鉆進(jìn)速度較慢，在JPL后續(xù)的研究中提及較少。為了進(jìn)一步提高UTCD的鉆進(jìn)速度，Bar-Cohen等[12]在壓電換能器與鉆桿之間引入自由質(zhì)量塊，研制出了沖擊式超聲波鉆探器(Ultrasonic/Sonic Drilling/Cori-ng, USDC)。自由質(zhì)量塊將壓電換能器傳遞的20 kHz超聲頻振動轉(zhuǎn)換為60～1000 Hz聲波的組合，激勵鉆桿鉆進(jìn)巖石內(nèi)部。整個鉆進(jìn)過程中孔的形狀保持完整，通過改變鉆頭的形狀可以得到不同的鉆孔形狀，這一獨特的孔型保持能力也是優(yōu)于傳統(tǒng)鉆機(jī)之處。自由質(zhì)量塊的引入使得超聲波鉆探器的鉆進(jìn)速度得到大幅提升，這也使USDC成為超聲波鉆探器廣泛研究和應(yīng)用的原型。USDC鉆進(jìn)實驗如圖1所示，鉆壓力5 N，功耗5.3 W時，在砂巖上的鉆進(jìn)速度為2.4 mm/min。在鉆進(jìn)過程中只需要單手扶持鉆機(jī)的電源線即可[13-14]。

圖1 JPL研制的USDC與結(jié)構(gòu)原理圖[13-14]Fig.1 USDC developed by JPL and its schematic structure[13-14]

雖然USDC的鉆進(jìn)速度得到了提升，但是存在排屑困難的問題。隨著鉆孔深度增加，產(chǎn)生的鉆屑很難及時排除，這對鉆進(jìn)穩(wěn)定性和深度取芯將造成不利影響。為了獲取火星、木衛(wèi)二、土衛(wèi)二地表冰層以下有一定深度的樣品，JPL在USDC的基礎(chǔ)上又開發(fā)了Ice-Gopher沖擊式超聲波鉆探器[15]和Auto-Gopher-Ⅰ和Auto-Gopher-Ⅱ回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器[16]，在冰面的鉆進(jìn)深度可達(dá)30 m。Auto-Gopher系列的超聲波鉆探器由沖擊破碎被鉆介質(zhì)的USDC和驅(qū)動鉆桿回轉(zhuǎn)的同軸電磁電機(jī)兩套系統(tǒng)組合而成，具有自動斷芯、取芯、送芯、嵌入電子儀器和自動故障診斷五種功能[17]。Auto-Gopher系列在實驗測試中深度取芯性能表現(xiàn)突出，但是電磁電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)的方式增加了裝置的復(fù)雜性，這對降低探測器載荷質(zhì)量是不利的。由此，JPL探索了利用單壓電陶瓷疊堆驅(qū)動變幅桿前端既實現(xiàn)沖擊又實現(xiàn)回轉(zhuǎn)以簡化Auto-Gopher系列的結(jié)構(gòu)，并研制了一套Single Piezo-Actuator Rotary-Hammering Drill(SPaRH)原理樣機(jī)[18]，但是仍然存在變幅桿縱振與扭振的強(qiáng)耦合作用使得鉆桿的回轉(zhuǎn)運動不連續(xù)問題，降低了能量傳遞效率。鉆壓力3 N、功耗100 W時，SPaRH在砂巖上的鉆進(jìn)速度為8 mm/min。

1.2 格拉斯哥大學(xué)

格拉斯哥大學(xué)也進(jìn)行了直驅(qū)式、沖擊式和回轉(zhuǎn)沖擊式三種超聲波鉆探器類型的研究。2008年，提出在階梯型縱振壓電換能器上通過切斜槽方式增加扭轉(zhuǎn)振動以提高直驅(qū)式超聲波鉆探器的鉆進(jìn)速度，研制了兩種壓電換能器：一種是在變幅桿大徑端切斜槽實現(xiàn)縱扭模態(tài)耦合，另一種是在變幅桿小徑端切螺旋槽實現(xiàn)縱扭模態(tài)退化[19]。研究指出當(dāng)需要縱扭分量均較大時采用模態(tài)退化型設(shè)計，需要突出縱扭復(fù)合中的某一種振動分量時采用模態(tài)耦合型設(shè)計。由于這兩種壓電換能器與鉆桿緊密連接，相比JPL研制的SPaRH改善了鉆桿縱扭運動不連續(xù)的缺點，但是仍然存在扭振能量雙向傳遞的問題，從而造成換能器額外的溫升和疲勞。為克服這一問題，2009年提出在壓電換能器的變幅桿前端周向加工三層徑向斜槽孔洞的方案[20-21]。通過控制斜槽孔洞的孔柱分布方向有效克服了扭振的雙方向傳遞問題，使振動能量集中在變幅桿前端。優(yōu)化后的鉆探器在鉆壓力12 N、功耗40 W時，達(dá)到鉆進(jìn)速度2.2 mm/min，雖然鉆速較慢，但其作動方式具有很好的借鑒意義。

2010年，在對沖擊式超聲波鉆探器的改進(jìn)研究中，借助ANSYS軟件探討了壓電換能器的中空結(jié)構(gòu)和自由質(zhì)量塊的數(shù)量對取芯速率的影響，發(fā)現(xiàn)使用階梯型實心壓電換能器的取芯效果優(yōu)于狗骨型空心換能器，布置單一自由質(zhì)量塊時可以獲得理想的有效沖量[22]。此外，針對沖擊過程中變幅桿前端易發(fā)生疲勞破壞問題，采用增加硬質(zhì)金屬保護(hù)層的措施，研究了保護(hù)層對軟化效應(yīng)、滯回效應(yīng)等非線性因素和鉆進(jìn)速度的影響。

在回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器的研究中，提出了三種新構(gòu)型。2011年，研制了一種由電磁電機(jī)激勵鉆桿回轉(zhuǎn)的超聲波鉆探器，鉆桿與電磁電機(jī)同軸布置并通過花鍵連接[23]。同時提出了第二種新構(gòu)型的設(shè)想，但是沒有研制樣機(jī)進(jìn)行實驗驗證。即利用凹槽結(jié)構(gòu)將變幅桿前端產(chǎn)生的縱振和扭振能量分離[24]。鉆桿的縱向運動由沖擊頭縱向沖擊自由質(zhì)量塊產(chǎn)生，扭轉(zhuǎn)運動由一個可移動的內(nèi)六角套筒布置在凹槽柱與鉆桿之間依靠摩擦轉(zhuǎn)子傳遞?？v扭運動分離的想法具有很大研究價值，它避免了縱扭同時驅(qū)動自由質(zhì)量塊時導(dǎo)致的鉆桿回轉(zhuǎn)不連續(xù)問題。2018年，開發(fā)了第三種由電磁電機(jī)激勵的超聲波鉆探器(Ultrasonic planetary core drill，UPCD)，鉆桿與電機(jī)平行布置并通過齒輪機(jī)構(gòu)連接，最優(yōu)鉆速達(dá)到6.2 mm/min。Li等[25]希望獲得全波長換能器與半波長換能器對UPCD有效沖量和鉆進(jìn)速度影響的區(qū)別，如圖2所示，但是通過仿真與實驗研究均未獲得二者之間的明顯差別。

圖2 格拉斯哥大學(xué)研制的回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器[25]Fig.2 Rotary-percussive ultrasonic drills developed by UOG[25]

1.3 俄羅斯比斯克超聲技術(shù)中心

俄羅斯比斯克超聲技術(shù)中心研制的超聲波鉆探器以直驅(qū)式為主。2012年，為了提升脆性和硬質(zhì)材料的鉆進(jìn)取芯自主性，依據(jù)鉆桿的類型先后提出了兩種直驅(qū)式超聲波鉆探器[26]：被動型和主動型。被動型鉆桿在深度鉆孔時存在鉆桿外壁碰撞鉆孔和磨料不方便注入問題，而主動型鉆桿可以通過內(nèi)腔注入磨料液，且主動型鉆桿設(shè)計為階梯型避免了在鉆進(jìn)過程中與鉆孔之間的碰撞。被動型鉆桿和主動型鉆桿均可以通過螺紋連接、夾頭加緊和焊接三種方式緊密安裝在壓電換能器上。但為了保證傳遞到鉆具的振幅強(qiáng)度，只有鉆桿直徑大于3 mm時才可以選擇夾頭加緊和焊接鉆桿的方式。

2013年，與俄羅斯科學(xué)院空間研究所合作研制了面向月壤取芯的直驅(qū)式超聲波鉆探器，重點研究了鉆頭的端面振幅和摩擦溫升對鉆進(jìn)取芯過程的影響[27]。由于取芯時鉆桿的溫升會影響地質(zhì)樣品的真實信息，采取在壓電換能器和鉆桿之間增加多個半波長波導(dǎo)管的形式避免壓電陶瓷的熱量向鉆具傳遞。具有一定長度的波導(dǎo)管也有助于實現(xiàn)月面次表層樣品的采集。該鉆探器可以在模擬月面溫度-130 ℃環(huán)境下工作15 min后仍然保持鉆桿表面溫度在0 ℃以下。除此，為了實現(xiàn)在鉆進(jìn)深度增加的同時對破碎的介質(zhì)進(jìn)行原位分析，提出了中心結(jié)構(gòu)為錐形、四周分布通孔的特殊鉆頭[28]，并研究了該鉆具與泡沫混凝土、水沙混合物、油沙混合物在鉆進(jìn)過程中的溫升和阻尼特性。

圖3 用于模擬月壤采樣的超聲波鉆探器[26-28]Fig.3 Ultrasonic equipment for the intake of Lunar soil[26-28]

1.4 帕德博恩大學(xué)

帕德博恩大學(xué)主要針對沖擊式超聲波鉆探器做了動力學(xué)建模和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究。2006年，帕德博恩大學(xué)提出一種基于自適應(yīng)細(xì)分技術(shù)面向集合的數(shù)值方法用于求解不規(guī)律或混沌系統(tǒng)周期解[29]。該方法可以快速獲得沖擊式超聲波鉆探器整體動力學(xué)的信息，有助于分析自由質(zhì)量塊的混沌動力學(xué)行為，指導(dǎo)壓電換能器的諧振頻率設(shè)計、自由質(zhì)量塊的參數(shù)選型，評估鉆桿的鉆進(jìn)特性。

由于傳統(tǒng)圓盤形的自由質(zhì)量塊在碰撞運動時嚴(yán)重晃動，無法對測試的自由質(zhì)量塊接觸信號進(jìn)行有效分析。2007年，帕德博恩大學(xué)研制了一種由8 mm直徑鋼珠代替圓盤形自由質(zhì)量塊的沖擊式超聲波鉆探器[30]，如圖4所示。為了定量描述該超聲波鉆探器的換能器端面振幅、激勵頻率和自由質(zhì)量塊的質(zhì)量，采用有限元方法和具有黏彈性Kelvin-Voigt元素的離散模型方法建立了沖擊式超聲波鉆探器的整機(jī)動力學(xué)模型[31]。但是，該模型中忽略了壓電換能器本體質(zhì)量的影響。壓電換能器的本體質(zhì)量是準(zhǔn)確分析變幅桿有效沖量的關(guān)鍵因素。

圖4 帕德博恩大學(xué)研制的超聲波鉆探器[30]Fig.4 Ultrasonic drills developed by Paderborn University[30]

1.5 英國Magna Parva公司

面向未來在火星上實現(xiàn)次表層樣品取芯任務(wù)，英國Magna Parva公司和歐空局于2006至2009年合作開發(fā)了一套直驅(qū)式超聲波鉆探器(Breadboard-Ultrasonic Drill Tools, BB UDTs)和一套回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器(Engineering Model Ultrasonic Drill Tools, EM UDTs)[32]。研究了BB UDTs的三種安裝方式：在機(jī)械節(jié)面處的無約束、固定約束和彈性約束。鉆進(jìn)試驗表明，通過彈簧連接放開自由度的彈性約束可以獲得良好的鉆進(jìn)效果。同時，還發(fā)現(xiàn)在鉆具與鉆進(jìn)介質(zhì)相互作用表面存在顆粒介質(zhì)時會降低鉆進(jìn)速率，以及冰塊的局部融化會增加鉆進(jìn)效率。

在BB UDTs的基礎(chǔ)上研制了能夠滿足火星探測任務(wù)需求和組裝性能較好的工程樣機(jī)EM UDTs。EM UDTs的電磁電機(jī)與超聲波鉆探器同軸布置，通過電機(jī)轉(zhuǎn)軸與切削刃的柱塞連接實現(xiàn)鉆具回轉(zhuǎn)。切削刃的柱塞在活塞缸和記憶合金封閉環(huán)的作用下可以沿鉆機(jī)軸向運動，有助于實現(xiàn)鉆探器的鉆孔、打磨、取芯等多種功能。

圖5 UDTs概念演示樣機(jī)及工程樣機(jī)[32]Fig.5 Concept demonstrator and engineering model UDTs[32]

1.6 中國有關(guān)科研機(jī)構(gòu)

國內(nèi)關(guān)于超聲波鉆探器的研究主要集中在高等院校，以沖擊式和回轉(zhuǎn)沖擊式的鉆探器研究為主。2008年，南京航空航天大學(xué)的郭俊杰等[33]率先開展了超聲波鉆探器的研究，基于巖石破碎機(jī)理提出了一種新型的沖擊式超聲波鉆探器。2010年，南京航空航天大學(xué)的楊康等[34]研制了適應(yīng)溫度-40 ℃～80 ℃的單晶壓電陶瓷(PMNT)驅(qū)動的沖擊式超聲波鉆探器并進(jìn)行了高低溫試驗。2015年，中國地質(zhì)大學(xué)梁彩紅等[35]提出了采用解耦的方式將鉆探器的動力學(xué)分析簡化為集中力對連續(xù)柱激勵共振響應(yīng)求解的新方法。2016年，太原理工大學(xué)的畢亞蘭等[36]借助仿真和實驗方法獲得了自由質(zhì)量塊質(zhì)量和活動空間對超聲波鉆探器鉆速的影響。以上機(jī)構(gòu)研制的鉆探器均為沖擊式超聲波鉆探器，變幅桿與鉆桿之間忽略了恢復(fù)彈簧而采用螺紋連接，且具有相似的結(jié)構(gòu)與性能特點。雖然對超聲波鉆探器在性能提升、模型改進(jìn)和環(huán)境適應(yīng)性方面均有涉獵，卻存在研究的延續(xù)性不足問題，分別僅提出了一代鉆探器樣機(jī)。

2012年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與中國空間技術(shù)研究院合作開展了基于超聲波鉆探器面向地外天體鉆探采樣的研究。針對超聲波鉆探器的作動方式優(yōu)化和鉆進(jìn)速度提升做了大量工作。2017年，全齊全等[37-38]提出了兩種由單壓電陶瓷疊堆兩端的縱振能量分別驅(qū)動鉆具做沖擊運動與回轉(zhuǎn)運動的超聲波鉆探器(Rotary-percussive ultrasonic drills, RPUD)，如圖6所示。鉆壓力5 N、功耗100 W的RPUD，在75 MPa的砂巖上實現(xiàn)了40 mm/min的鉆進(jìn)速度，是目前為止所有相關(guān)科研機(jī)構(gòu)中鉆速最快的超聲波鉆探器。超聲波鉆探器的研究雖然在國內(nèi)已經(jīng)興起多年，但是還沒有得到更廣泛的研究與應(yīng)用，實驗研究也處在模擬空間驗證階段，且提升鉆速和探究空間適應(yīng)性仍然是未來需要深入研究的方向。

圖6 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器[37-38]Fig.6 Rotary-percussive ultrasonic drills proposed by HIT[37-38]

2 超聲波鉆探器的振動特性研究

結(jié)合有限元仿真和數(shù)值方法能夠定量分析超聲波鉆探器的振動特征，評估壓電換能器在不同應(yīng)用環(huán)境中的設(shè)計性能，優(yōu)化應(yīng)力波在鉆具組件間的傳遞效率。該仿真方法有助于描述和分析自由質(zhì)量塊碰撞過程中出現(xiàn)的非線性現(xiàn)象，探索鉆桿碎巖的超聲波/聲波作用機(jī)理，實現(xiàn)對壓電換能器和鉆具組件的參數(shù)優(yōu)選。

2.1 壓電換能器模型的研究

壓電換能器是超聲波鉆探器的動力來源，由夾心式壓電振子和變幅桿組成，在一階縱振模態(tài)的超聲頻激勵下，形成駐波共振并在變幅桿前端端面處達(dá)到振幅最大。根據(jù)壓電換能器的仿真結(jié)果表明，在夾心式壓電振子確定的情況下，變幅桿對換能器的振動特性具有重要的影響：變幅桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料性能影響著換能器的諧振頻率、應(yīng)變增幅以及驅(qū)動形式。文獻(xiàn)[39]發(fā)現(xiàn)增加變幅桿前端直徑可以實現(xiàn)在不降低有效相互作用質(zhì)量的情況下增加換能器的振幅，基于此提出了狗骨型變幅桿。文獻(xiàn)[40]研究了模態(tài)退化型變幅桿，改變了壓電換能器純沖擊的驅(qū)動形式，實現(xiàn)了超聲波鉆探器的縱扭復(fù)合運動。同時，傳統(tǒng)的變幅桿仍具有不可克服的缺點，比如在某些應(yīng)用中希望降低諧振頻率就需要增加變幅桿的長度至米數(shù)級，過長的變幅桿在應(yīng)用中并不切合實際，并且由于變幅桿直徑比的要求，勢必導(dǎo)致變幅桿加工過程中的原材料和時間上的浪費。為了克服傳統(tǒng)變幅桿的缺點，文獻(xiàn)[41]提出了折疊、平面折疊和翻轉(zhuǎn)構(gòu)型的三種新型變幅桿。通過比較三種新型變幅桿發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)型變幅桿綜合性能較好，在保持換能器性能的同時縮短了傳統(tǒng)變幅桿的長度。

對壓電換能器仿真模型的研究結(jié)果表明，基于一維壓電材料波動方程演化的梅森等效電路模型可以簡化波動方程的計算過程，有利于求解尺寸規(guī)則換能器的振動響應(yīng)和確定設(shè)計參數(shù)。文獻(xiàn)[14]通過對比梅森等效電路模型和ANSYS軟件求解的換能器響應(yīng)，優(yōu)化了梅森等效電路模型。文獻(xiàn)[42]為消除梅森模型中變壓器頂端與聲學(xué)傳輸線節(jié)點之間的電路元件提出了KLM模型，進(jìn)一步簡化了梅森等效電路模型?；谟邢迒卧ê徒?jīng)典等效電路推導(dǎo)的FEM等效電路模型[43]是將有限元方程轉(zhuǎn)換為模態(tài)方程后對模態(tài)方程進(jìn)行等效變換建立的，考慮了驅(qū)動電源與換能器的相互作用，可以方便求解尺寸不規(guī)則的換能器在無負(fù)載和有負(fù)載情況下的位移、振速、阻抗以及功率。有限單元法對壓電材料建模所需的機(jī)電耦合單元通過ANSYS軟件可以方便獲得。ANSYS軟件對等效電路模型起到補充作用，可以體現(xiàn)換能器更多的工程設(shè)計細(xì)節(jié)，在確定節(jié)面、參數(shù)調(diào)整、確定全頻響應(yīng)和獲得應(yīng)力分布方面具有突出的優(yōu)點。文獻(xiàn)[43]將壓電換能器模型進(jìn)一步簡化為由質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)表示的集中質(zhì)量模型，細(xì)化了變幅桿前端與負(fù)載作用的有效質(zhì)量范圍。文獻(xiàn)[44]基于力-電-聲類比方法，建立了模態(tài)退化型壓電換能器的聲阻抗網(wǎng)絡(luò)模型，可以對換能器聲阻抗和頻率對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究?？傮w來說，壓電換能器模型的研究已經(jīng)相對成熟，在構(gòu)型優(yōu)化和模型細(xì)化方面已經(jīng)具備了系統(tǒng)的研究方法。

圖7 FEM等效電路模型[43]Fig.7 FEM-equivalent circuit model[43]

2.2 超聲波鉆探器集成模型的研究

超聲波鉆探器的集成模型是耦合壓電換能器模型對鉆具組件和被鉆介質(zhì)之間相互作用的動力學(xué)建模。考慮直驅(qū)式和沖擊式超聲波鉆探器的結(jié)構(gòu)不同，將集成模型的建立分為兩類進(jìn)行研究。由于回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器是由直驅(qū)式和沖擊式超聲波鉆探器發(fā)展而來，其集成模型的建立依據(jù)回轉(zhuǎn)驅(qū)動形式不同分別對應(yīng)于直驅(qū)式和沖擊式的超聲波鉆探器。直驅(qū)式超聲波鉆探器的鉆桿是壓電換能器波長的一部分，鉆桿傳遞給被鉆介質(zhì)的振動頻率與壓電換能器的驅(qū)動頻率相同，因此直驅(qū)式超聲波鉆探器的集成模型可以參考壓電換能器模型的建立方法。

在沖擊式超聲波鉆探器中引入的自由質(zhì)量塊導(dǎo)致鉆探器的集成模型增加了兩個相互作用的接觸面：變幅桿與自由質(zhì)量塊的相互作用、自由質(zhì)量塊與鉆桿的相互作用，使得集成模型建立變得復(fù)雜[45]。一般需要分別建立各部件的相互作用模型，然后將各部分模型進(jìn)行耦合。Bar-Cohen等[46]結(jié)合動量守恒和能量守恒提出了簡單碰撞模型，驗證了自由質(zhì)量塊與換能器碰撞運動的簡單作用機(jī)理。Bao等[47]考慮了換能器碰撞運動的有效質(zhì)量，利用有限單元法獲得了自由質(zhì)量塊與換能器碰撞的準(zhǔn)確接觸時間，并采用集中質(zhì)量法簡化了有限元模型。Li等[48]提出了鉆探器整體的質(zhì)量-彈簧-阻尼動力學(xué)模型，相比文獻(xiàn)[49]，在二自由度的壓電換能器模型中增加了驅(qū)動電源參數(shù)，同時將Kelvin-voigt模型用于鉆桿與被鉆介質(zhì)相互作用的仿真。文獻(xiàn)[50]提出一種考慮鉆桿振動影響時自由質(zhì)量塊對鉆桿的縱向沖擊力的分析方法。文獻(xiàn)[51]利用ANSYS軟件建立了鉆桿與被鉆介質(zhì)的相互作用模型，對比了實心鉆桿與空心鉆桿在被鉆介質(zhì)上的應(yīng)力分布。綜上分析，超聲波鉆探器集成模型的研究還大多集中于鉆探器本身，而關(guān)于鉆探器與被鉆介質(zhì)相互作用的研究較少。針對鉆桿的不同運動形式，詳細(xì)研究與被鉆介質(zhì)之間的作用機(jī)理并考慮空間環(huán)境因素對反饋鉆探器設(shè)計和探明超聲作用的碎巖和取芯機(jī)理具有重大意義。

圖8 鉆進(jìn)巖石前的RPUD振動模型[45]Fig.8 RPUD vibration model before rockdrilling[45]

3 超聲波鉆探器的控制及驅(qū)動電源研究

目前驅(qū)動電源研究以鉆探器自身的諧振控制為主，同時考慮了鉆探環(huán)境因素的變化。自身諧振控制主要是通過自動頻率追蹤系統(tǒng)與恒振幅系統(tǒng)或恒功率系統(tǒng)結(jié)合的控制方法實現(xiàn)[52]。JPL開發(fā)了一種能夠安裝在Auto-Gopher-Ⅱ內(nèi)部并能使用總線驅(qū)動電壓且適應(yīng)溫度在100 ℃左右的驅(qū)動電源[53]，具有應(yīng)對環(huán)境溫度、壓力和機(jī)械邊界條件變化引起的鉆探器諧振頻率變化的能力。該驅(qū)動電源通過實時監(jiān)測鉆探器的功率進(jìn)行頻率調(diào)整，利用霍爾電流傳感器測量換能器的電流作為控制換能器振幅的參數(shù)，采用低側(cè)電流感知電阻器測量換能器傳遞到鉆桿和巖石的真實功率。文獻(xiàn)[16]還提出一種高壓線路快速可復(fù)位熔斷器的電路設(shè)計方案以防止驅(qū)動電源故障對主系統(tǒng)高電壓的影響。格拉斯哥大學(xué)采用P100控制單元控制驅(qū)動電源的輸出電壓和輸出電流同相，從而使鉆探器恒振幅穩(wěn)定工作。在驅(qū)動程序的負(fù)反饋設(shè)計中，討論了三種反饋參數(shù)對控制精度的影響：基于換能器前端振幅的機(jī)械反饋、基于壓電陶瓷電流的電流反饋和基于換能器電流與功耗的功率反饋。俄羅斯比斯克超聲技術(shù)中心采用自動頻率追蹤技術(shù)將驅(qū)動電源輸出功率與環(huán)境變化建立自適應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系，研制了一種隨鉆探器鉆進(jìn)深度增加和鉆進(jìn)介質(zhì)機(jī)械參數(shù)改變自動調(diào)整輸出功率以維持鉆進(jìn)速率的驅(qū)動電源。哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對壓電換能器與超聲波鉆探器驅(qū)動特性的差異性，提出采用D類放大器設(shè)計驅(qū)動電路并將最大電流法、自動追頻技術(shù)和恒振幅控制方法結(jié)合，設(shè)計了適用于沖擊式超聲波鉆探器的驅(qū)動電源[54]。恒振幅控制由降壓式變換電路(Buck電路)控制輸出電流的恒定實現(xiàn)。

圖9 JPL研制的驅(qū)動電源控制策略[53]Fig.9 Drive power control strategy developed by JPL[53]

此外值得注意的是，由于自由質(zhì)量塊的存在和鉆進(jìn)介質(zhì)的改變使鉆探器在鉆進(jìn)過程中的幅頻特性呈現(xiàn)不穩(wěn)定和多值對應(yīng)關(guān)系，控制換能器工作的自動頻率追蹤技術(shù)不完全適用于高品質(zhì)因數(shù)的諧振系統(tǒng)，而鉆探器的幅相特性在鉆進(jìn)過程中表現(xiàn)穩(wěn)定且不受負(fù)載的干擾，因此英國Magna Parva公司舍棄了自動頻率追蹤技術(shù)，只考慮保證驅(qū)動電源的輸出電壓和輸出電流同相的方式使鉆探器工作在諧振狀態(tài)。所研制的驅(qū)動電源采用了符合空間標(biāo)準(zhǔn)的電子元器件，并將元器件的總數(shù)量簡化到72個。結(jié)合上述分析，未來在研制針對空間一般性場合的超聲波鉆探器驅(qū)動電源時，除了鉆探器自身諧振控制以外，基于未知鉆進(jìn)對象在線辨識的全流程閉環(huán)控制算法以實現(xiàn)鉆進(jìn)參數(shù)自主調(diào)整方面仍需重點關(guān)注。鉆進(jìn)對象在線辨識的全流程閉環(huán)控制是實現(xiàn)超聲波鉆探器利用自身聲吶優(yōu)勢實現(xiàn)智能鉆探的前提。

4 超聲波鉆探器地外天體應(yīng)用的探索研究

由于太陽系星體環(huán)境的多樣化，不同星體的采樣任務(wù)將對超聲波鉆探器提出不同的設(shè)計指標(biāo)，要求鉆探器在適應(yīng)不同星體環(huán)境的同時獲得理想的科學(xué)樣品。USDC是超聲波鉆探器系列樣機(jī)的設(shè)計原型，其具備較完善的理論模型與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法支持不同應(yīng)用樣機(jī)的設(shè)計開發(fā)?；赨SDC的通用功能，學(xué)者們探索了多種結(jié)構(gòu)與功能的超聲波鉆探器系列樣機(jī)以適應(yīng)不同環(huán)境下的采樣探測任務(wù)，包括可以完成鉆孔、取芯、錨固、打磨的超聲波裝置和輔助選點探測與原位分析的智能型超聲波鉆探器。

4.1 鉆進(jìn)取樣

基于USDC開發(fā)的新型超聲波裝置保持了低鉆壓力、低功耗、碎巖速度快與耐溫范圍寬的優(yōu)點，在適應(yīng)星體地形、深度鉆取和次表層取芯方面具有突出優(yōu)勢。

進(jìn)行星體表面采樣工作之前，首先清除巖石表面的風(fēng)化層并暴露出巖石的原始表面，可以幫助探測器獲得更加有效的科學(xué)信息。Bar-Cohen等[55]開發(fā)了一種由翻轉(zhuǎn)型換能器和齒形打磨頭組合而成的超聲波打磨裝置(Ultrasonic rock abrasion tool，URAT)，利用超聲波工作機(jī)理實現(xiàn)了模擬巖石風(fēng)化層的快速去除。有科學(xué)家提出，探測星球上峽谷的側(cè)壁可能會獲得新的巖石礦物信息或天體生物學(xué)信息[56]。為了實現(xiàn)探測器在峽谷的側(cè)壁等一些苛刻環(huán)境下行走和保持固定，Badescu等[57]提出了超聲波錨固裝置(STAR-USDC)。錨固裝置由四個超聲波鉆分別搭載在探測器的四足末端組成。錨固所用的超聲波鉆利用雙自由質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)鉆體的自動回收并避免卡鉆?；鹦?、月球和木衛(wèi)二等天體的未來探測任務(wù)提出獲取地表深層樣品的要求，以更好的研究地外天體的地質(zhì)物理性質(zhì)和生物學(xué)信息。對星體內(nèi)部存在的冰層，Bar-Cohen等[15]提出Ultrasonic/Sonic Gopher裝置，該裝置采用循環(huán)取芯的方式，鉆頭內(nèi)部空間決定了每段冰芯的長度。同時低導(dǎo)熱性鉆頭和空載循環(huán)驅(qū)動兩種方式避免了鉆頭發(fā)熱融化冰層導(dǎo)致的卡鉆問題。試驗在-60 ℃模擬環(huán)境中進(jìn)行，鉆取深度達(dá)到1.76 m。為了提高鉆進(jìn)深度與鉆進(jìn)效率，研制了Auto-Gopher系列的鉆探器。室外測試實現(xiàn)了在石灰?guī)r地質(zhì)中7.52 m的取芯深度[53]。此外，文獻(xiàn)[58]還開發(fā)了多種可更換鉆頭的超聲波鉆探器，以實現(xiàn)多種形狀樣芯與巖屑粉末的收集。文獻(xiàn)[59]研究了不同壓電材料制作的USDC采樣器對500 ℃高溫的適應(yīng)性。除此，還尚無高低溫環(huán)境對超聲波鉆探器樣機(jī)性能影響的文獻(xiàn)研究。

圖10 Auto-Gopher-Ⅱ現(xiàn)場試驗[53]Fig.10 The field test of the Auto-Gopher-II[53]

4.2 智能鉆探

USDC不僅可以實現(xiàn)不同樣品的鉆進(jìn)取芯，還可以作為傳感裝置輔助探測器選擇合適的采樣點和實現(xiàn)樣品的原位分析。研究者們基于USDC具有的聲吶功能提出了智能型超聲波鉆探器的概念[7]。

鉆探器自身具有的聲源組件可以作為聲納的信息源。在鉆探器未接觸星體表面時，鉆探器可同時作為發(fā)射器和接收器產(chǎn)生應(yīng)力波感應(yīng)到星體表面，通過分析返回波數(shù)據(jù)能夠獲得星體地質(zhì)分層結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)洞穴存在的信息等[60]。鉆探器鉆進(jìn)之前的地質(zhì)信息探測可以幫助選擇更有探測價值的樣品區(qū)域、節(jié)約探測器的能源。當(dāng)鉆探器接觸星體表面時，鉆桿沖擊被鉆對象使鉆探器的阻抗發(fā)生變化[61]。通過檢測鉆探器的諧振頻率與阻抗值變化可以獲得介質(zhì)的剛度等力學(xué)信息。將探測的信息與實驗測得的波速、頻譜和阻抗數(shù)據(jù)對應(yīng)起來構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，可為后期研究星體樣品識別的魯棒控制算法提供基礎(chǔ)。

根據(jù)USDC的縱振模態(tài)特征，可以在鉆頭處安裝傳感器實現(xiàn)在鉆進(jìn)取芯過程中對樣品的原位分析。原位分析通過對樣品的實時檢測可以避免樣品采集后在保存過程導(dǎo)致的交叉污染造成科學(xué)信息不準(zhǔn)確?？梢赃x擇的傳感器有：熱電偶、RF接收器、渦流裝置、聲學(xué)傳感器、介電特性傳感器，以及一些光纖傳感裝置。Blake等[62]對USDC鉆取樣品的成分保持性進(jìn)行了研究。經(jīng)過Horiba CAPA-500粒度分析儀和CheMin XRD/XRF光譜儀分析表明，USDC鉆進(jìn)過程產(chǎn)生的粉末的粒度和相位譜組成與在實驗室使用研磨機(jī)制備的粉末粒度和相位譜組成相同，這支持了USDC對樣品原位分析的可能性。

圖11 開發(fā)的智能型USDC[7]Fig.11 Developed smart USDC[7]

5 結(jié)論與展望

對比分析國內(nèi)外各科研機(jī)構(gòu)研制的超聲波鉆探器可知，針對不同類型的超聲波鉆探器，在理論分析、樣機(jī)研制和實驗研究方面均積累了一定的基礎(chǔ)，尤其以回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器為主是未來深空探測任務(wù)中優(yōu)勢突出、可工程實現(xiàn)的鉆探平臺之一。針對超聲波鉆探器的研究與應(yīng)用，提出如下建議：

其次，可以舉一些優(yōu)秀的“阿姨”的例子，展示給她們看，這個職業(yè)可以到達(dá)的高度和狀態(tài)，為阿姨樹立學(xué)習(xí)的榜樣?？梢詫鴥?nèi)外家政服務(wù)人員的學(xué)習(xí)和教育經(jīng)歷展示給阿姨看，英國、菲律賓等家政培訓(xùn)課程和學(xué)員學(xué)習(xí)情況，都可介紹給阿姨看，目的是希望阿姨認(rèn)識到，這個工作不像她們想象的那樣簡單，有很多方面可以做得更好，但必須經(jīng)過艱苦的學(xué)習(xí)和自我改變。

1)依據(jù)不同星體的探測任務(wù)選擇超聲波鉆探器。由于深空作業(yè)環(huán)境的限制，選擇鉆進(jìn)效率優(yōu)于直驅(qū)式類型的沖擊式和回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器具有較高的實用價值。針對樣品取芯和快速鉆進(jìn)等對鉆進(jìn)速率要求較高的任務(wù)，選擇回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器，回轉(zhuǎn)運動在促進(jìn)排屑和提高鉆進(jìn)速率方面優(yōu)勢明顯；針對風(fēng)化層清除、無損探測和樣品原位分析等對鉆進(jìn)速率要求不高的任務(wù)，選擇沖擊式超聲波鉆探器可以簡化鉆探平臺的結(jié)構(gòu)。

2)研究回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。目前，回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器的回轉(zhuǎn)運動大多是由電磁電機(jī)激勵產(chǎn)生，這增加了鉆探器的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。為了進(jìn)一步集成回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器，應(yīng)著重研究由壓電換能器同時驅(qū)動鉆桿做沖擊運動和回轉(zhuǎn)運動，并探明壓電換能器構(gòu)型參數(shù)對縱扭轉(zhuǎn)換比的影響規(guī)律和能量傳遞特性。

3)研究超聲波鉆探器回轉(zhuǎn)沖擊作用下的碎巖機(jī)理。回轉(zhuǎn)運動的引入使鉆桿對巖石單純的縱向沖擊運動變?yōu)榛剞D(zhuǎn)-沖擊復(fù)合運動，導(dǎo)致鉆桿在巖石鉆進(jìn)過程中的接觸狀態(tài)與邊界條件復(fù)雜化。闡明超聲波鉆探器回轉(zhuǎn)沖擊作用下的碎巖機(jī)理，并同時獲得覆蓋地面巖石所有可鉆性等級的樣本，以構(gòu)建鉆進(jìn)規(guī)程專家?guī)於际窃谖磥磴@探應(yīng)用中亟需解決的問題。

4)構(gòu)建鉆探器的空間環(huán)境自適應(yīng)控制方法。超聲波鉆探器對空間環(huán)境的適應(yīng)性規(guī)律還不清晰，除真空、高低溫外，還需考慮強(qiáng)酸、宇宙輻照等因素的影響。重點研究空間環(huán)境因素與鉆探器相耦合的集成模型，同時結(jié)合基于支持向量機(jī)建立真空高低溫環(huán)境下巖石的可鉆性辨識模型，形成能夠主動適應(yīng)環(huán)境的閉環(huán)控制算法，將為進(jìn)一步的超聲波鉆探器空間應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。