http://bhxb.buaa.edu.cnjbuaa@buaa.edu.cnDOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0554超声波钻探器结构参数对输出特性的影响分析张兴旺1，张明2，于登云3，*，曾婷1，殷参1，杨帅1，庞勇1(1.北京卫星制造厂有限公司，北京100194；2.中国空间技术研究院，北京100194；3.中国航天科技集团有限公司，北京100048)摘要：超声波钻探器因具有质量轻、低功耗、所需轴向力小、便于实时检测和原位分析及对象适应性强等特点，在地外天体科学钻探的新技术和新方法探索过程中备受瞩目。为进一步提高钻探器对不同钻进对象的适应性及其设计效率，通过研究超声波钻探器结构参数可知，其输出频率主要受碰撞冲击次数、弹簧钻杆的振动及钻杆本身的动力学特性等因素耦合影响。在此基础上，建立钻探器影响因素的物理模型，并结合实验研究了恢复弹簧刚度及初始预紧力和质量块质量对输出频率、位移和速度等参数的影响，得到弹簧初始预紧力对频率影响较为显著，弹簧刚度及质量块质量次之，为适应不同硬度对象高效钻进的变频超声波钻探器的优化设计提供技术参考。关键词：超声波钻探器；结构；高速摄像系统；冲击碰撞；频率中图分类号：V11文献标志码：A文章编号：1001-5965（2023）07-1735-08开展深空探测活动是人类探索宇宙奥秘、寻求长久发展的必然途径，是近地空间到更广阔太阳系空间的必然拓展[1-2]。在深空探测任务中，星体表面或表面下岩石及土壤样品的采集对研究星体环境、资源、地质构造及物质组成等具有重要意义[3]。而利用采样机构获取星体表层或表层下土壤及岩石样品，进而对其进行分析研究，是深空探测中的重要任务和关键技术[4]。传统的旋转钻进技术因所需轴向力高、持续保持扭矩、功率消耗高、质量大、无法有效循环工作及钻头磨损严重等问题[5-7]难以在具有微弱引力环境及坚硬岩层的地外天体探测上得到更好的应用。而超声波钻探器因具有结构简单、体积小、质量轻、低功耗、所需轴向力较小、便于实时检测、不必考虑钻头磨损及强适应性等特点[8]，在探索适合深空探测的科学钻探新技术和新方法的过程中备受瞩目。为此，国内外学者和机构对超声波钻探器开展了大量研究。Bar-Cohen等[8-9]针对火星采样探测任务设计了由压电驱动、变幅杆、自由质量块及钻杆等构成的超声波/声波钻探器（ultrasonic/sonicdrilling/coring，USDC），实现了低钻压低功耗钻进，拉开了超声波钻探器设计研究的序幕。随后，为研究钻探器驱动机制，Bao等[10]对换能器、自由质量、钻头和岩石之间...
