TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4756 ~ 4 7 6 3   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.549 6          4756     Re cei v ed  De cem ber 2 9 , 2013; Re vi sed  March 8, 201 4; Acce pted  March 24, 20 14   Thermal Simulation and Experiment of Lunar Drill Bit in  Vacuum      Jinsheng  Cu i, Xu y a n Hou*, Deming Zhao, Yousong  Hou, Qiqua n Quan, Xiang Wu,  Zongqua n Deng, Sheng y uan Jiang, De w e i Tang   Schoo l of Mechatron i cs Engi neer ing,  Har b i n  Institute of  T e chn o lo g y   No.92,  Xid a zh i Street, Nang an g District, 1500 01, Harb in, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : hou xu ya n@ h i t.edu.cn       A b st r a ct   Drill ing s a mpl e s of lunar s o il i s  an i m p o rtant  and  i ndis p e n s abl e part of Ch ina ’ s  lun a r exp l orati o n   proj ect. The drill bit te mp era t ure duri ng th e drill in g  proc ess is one of  the key conc erns for schol ars,   espec ial l y for t he  hard  lu nar  rock dri lli ng  in  vacu um. In   th is articl e, the  simulati on  an a l ysis of  dril lin g  i n   atmos p h e re  an d vacu u m  is c o nducte d. More over, a fi ber gr ating te mper ature  me asuri ng system  i n tegr at e d   w i th vacuum  dr illi ng system  is establ ished. Experi m en t on lunar rock stimul ant in  atmosphere and vacuu m   is taken out a n d  compar ed.      Ke y w ords : lun a r drill b i t, therma l char acteris t ic, vacuu m  en viron m e n t, FBG    Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Acco rdi ng to   Chin a’s luna r exploration  p r oje c t pla nnin g , the  sam p ling d e vice  carried  by  the dete c tor will colle ct lunar  soil, d epth ab out   2m from th e  lunar surfa c e, with  bed ding   informatio n [1]. Consid eri ng the sampl i ng depth,  dry drilling pro c e ss, tempe r ature chan ge  of  lunar  soil [2], high vacuu m  lunar surfa c e, poo r thermal prop ertie s  of lunar  soi l  [3-5] and high   solar radi ation,  the drill   bit may  reach very high tem p erature. Th e hi gh tem perature  of drill bit  will  result in stru ctural dam age  of drill bit. In  addition,  it also may take unkno wn effe ct to lunar  so il,  leadin g  to po or sa mple q u a lity.  In con s ide r in g of the engineeri ng re qu irem e n t, basi ng on the drill bit structure and   drilling procedure paramet e rs,  an  ex peri mental devi c e in  this paper is desi gned  to simulating  the   exce ssive  wo rkin g  con d itio n, the va cuu m  envir onme n t and  luna r  rocks.  Com p a r ative si mulat i on  and tem p e r a t ure te sting  of drillin g p r oce s s a r e  p e rform ed  un der  atmo sph e ric an d va cuum  con d ition, pro v iding refe ren c e for d e sig n  and optimi z at ion.      2. On-line Te mperatu r e M easuring Sy stem Based  on Fiber Bra gg Gratin g Sensor   Princi ple of fiber Bra gg g r a t ing (FBG)  se nso r  is  sho w n  in Figure 1.       Figure 1. Sch e matic Beam  Propa gation  within the Fib e r  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Therm a l Simulation an d Expe rim ent of Luna r Drill Bit in Vacuum  (Jinsh eng  Cui)  4757 Whe n  a b r oa dban d bea m tran spo r ts to t he fiber  g r atin g, sin c e the b and- stop role of  filter  grating,  th e Bragg wavel ength  of  th e   light  will  re turn al ong t he same  ro ute, and  oth e r  wavele ngth s  of light will pa ss th rou gh th e gratin g.  If the wavelengt h of the Brag g gratin g can  be   cha nge d for  some phy sical  paramete r s,  the ch ang e  value can get by  analyzi ng the  refle c tion or  transmissio n  spe c tru m . Th e Bra g g  wavelength  refers  to  the  effective refra c tive ind e x an d  the   grating  con s t ant of the fiber co re, whi c h  is as  sho w n i n  formula (1).                                                                                                                                             (1)    Whe r e  is Bra gg wavel engt h;   is Effective  refra c tive in dex;   is Grati ng co nsta nt.  Differential form of formula (1) is  as  follows :                                                                                                                                  (2)    It can be see n  from form ul a (2) th at the physi cal qu an tities cha ngin g  whi c h  can  cause a  cha nge  of the  fiber Bra gg  g r ating  ref r a c tive index  or  th e  g r id sp aci n g,  will ca use a  chan ge of  t h e   Bragg wavele ngth.  There are  several fa cts  can  ca use the Br a gg  wa velength d r ift due to the  external   temperature   cha nge s, such as the fibe r expan sion  effec t, the fiber thermal-optic effec t  and the  photo-ela s tic  effect. The  p hoto-el asti c e ffect is  so  we ak th at it can  be i gno red.   Therefore,  in  a  certai n temp eratu r e  ran g e , wh en te mperature   in fluences  FB G individu all y , the thermal  expan sion  effect a n d  the t herm o -o ptic  effect of  th e  grating  p e rio d  an d th e eff e ctive  refra c ti ve   index ch ang e  can be exp r e s sed a s  follo ws:                                                                                                                                                      (3)                                                                                                                  (4)    Whe r e  is the thermal e x pansi on co efficient  of the fiber mat e rial;  is the  norm a lized   freque ncy of the fiber.   Whe n  the te mperature  ch ange s, the  drift  of Bragg  wavele ngth  caused by th e  therm o - optical effe ct is den oted a s :                                                                                                                                  (5)    Whe r e   is thermo-optic  coe fficient ( ) .  The drift of FBG wavelen g t h cau s ed by  temperature  cha nge  can b e  denote d  as:                                                                                                                                     (6)    FBG sen s o r  has hig h  pre c ision, and its  sen s in g re sul t s are ra rely affected by the sou r ce  energy o r  th e opti c al  pat h, ada pting t o  the  humid   climate. An d  it also  ha s  capability of  a n ti - electroma gne tic interfe r en ce, sm all si ze, easy  to p a ste, an d ha rdly impa ct on me cha n ical   prop ertie s . Therefo r e FBG  sen s or i s  the  best sol u tion .  The fib e r  gra t ing temp erat ure  mea s u r in g sy stem i s   mainly comp ose d  of   fibe r Bragg   grating  sen s o r s, optical fiber tran smi ssi on line,  optical signal d e m odulato r , wire less tran sceive r  device,  P C   and d a ta pro c e ssi ng  software. FBG  a nd the d r ill b i t is sh own i n  Figu re 3.  The  measuri ng sy stem is  sho w n in Figure 2.  Be f f 2 n  B eff n ef f B Be f f n n   T  ef f e f f ef f e ff 1 nd n dV T n n dV dT  V ef f ef f 1 dn dV nd V d T  6 6.67 10  B B () T   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4756 – 4 763   4758       Figure 2. FBG and the Dri ll Bit         Figure 3. Sch e matic Di ag ram of FBG Test System       The transmission fiber of t he FBG sensor i s  arranged along the drill pipe i n si de.  And the   sen s o r  is inst alled in th e drill near th e cu tting tool. The  demod ulatio n and  a wi rel e ss mod u le a r e   installed on the host  sam p ling dr ill  rig,  whi c h  can rot a te with the  drill ri g. The  PC receives  data  via a wirele ss module, then  display an d restore the dat a.   The experimental rig is shown (FB G  s ensor in drilling  tool) in Figure 4.          Figure 4. Experime n tal Rig  and Dem odu lator Installati on       3. Simulation  Before the experiment, si mulations  compar i s on bet ween drilling in atmosphere  and  vacuum  are  con d u c ted. T he mai n  differen c e  bet ween the  two  con d ition s  is conve c tion.  For  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Therm a l Simulation an d Expe rim ent of Luna r Drill Bit in Vacuum  (Jinsh eng  Cui)  4759 vacuum exp e r iment, co nvection i s  ign o red a nd ra d i ation is con s ide r ed in va cuum  contai n e r,  mean while,  radiation i s  ig nore d  a nd  convectio n   is  con s id ere d  o u t of vacu u m  co ntaine r. For  atmosp he re experim ent,  convectio n   i s  alway s  con s i dere d , an d  ra diation i s  th e  sa me  as tha t  in  vacuum exp e r iment. The h eat tran sfer di agra m s a r e shown in Figu re 5.      a) vacu um ex perim ent     b) atmo sph e re experim ent     Figure 5. Heat Transfer Di agram s  of Drilling Experiment      In  ord e r  t o   si mplify  the  an alysis, ch ang e  of cutting condition due  to  tempe r ature  ri se  i s   not con s ide r e d  in th e  simul a tion. Assum e  that  h eat  i s  gene rated   on   the su rface betwe en cutti ng   edge a nd rock. Part of the  heat ente r s i n to the dr ill a nd the othe r  enters into th e ro ck. Th e h eat  gene ration fo r every cuttin g  edge i s  given:    11 () () () 44 e qt k P t k T t n                      ( 7 )     Whe r e P ( t) i s  power  co nsu m ed o n  the  motor,  W; k  i s  eq uivalent  corre c tion  co efficient du e t o  the  factors  of he at co nversi o n ,  heat  partitio n  an d  so  on,  dete r mine d  difficultly, here, k=0.7;  T(t) is  torque in d r illi ng, Nm; n is rotational spe ed, rpm.   Equivalent  co rre ction  coefficient i s   difficu lt  to be  dete r mined, ta ken   0.7 he re. A c cordin g  to the p r evio us  experi m en ts, the to rqu e ,  simplifi ed  to  se gmentatio n fun c tion, i s   sho w n  in  Fig u re   6. And rotatio nal sp eed  will be 108rpm.   The thermal load s of cuttin g   edge s are shown in Figu re 7.        Figure 6. Torque versu s  Ti me in Simulation   Figure 7. The r mal Lo ad s of Cutting Edge s  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4756 – 4 763   4760 The m a terial   of bit and  rod  is  C45  ste e l  with  smooth  surfa c e. The  length of  ro d is  1 000   mm with 500  mm in the vacu um tan k  for vacuum e x perime n t. The sim u lation  param eters  are  sho w n in Ta b l e 1.      Table 1. The  Paramete rs o f  Simulation  Room  temperatu r e( Ԩ )  density   (k g/m 3 )  thermal conductivity   (W /m Ԩ )  specific heat  (J /k g Ԩ )  emissi vity   convection  coefficient (W/m2)   20 7.85  0 ℃  52.34   20 Ԩ   461  0.24 5  100 Ԩ   48.85   200 Ԩ   44.19   200 Ԩ   544  300 Ԩ   41.78       The di stribution of  temperature  field for  the dr ill tool and the m e asuring point i s  shown in  Figure 8. The  result i s  sho w  in Figu re 9.         Figure 8. Dist ribution of  Te mperature Fi eld for  the Drill To ol and the Mea s uring Poi n t      Figure 9. Te mperature s  o f  Measu r ing  Point in  Atmosph e re  and Vacuum  versu s  Time i n   Simulation      It can b e   se en fro m  Fig u re  9 that u nder the  sa me Th erm a l  load  co nditi ons, th e  temperature  rise of me a s uri ng poi nt in vac uum  is highe r than that in atmosp he re,  that  confo r m s  to the expe ctatio n. The differe nce of tempe r ature is a bout  40 Ԩ .      4. Thermal Test in Vacuu m  and Atmo sphere       a) drilli ng into  Sandston e  in  vacuum     b) The  san d st one after d r illi ng     Figure 10. Pictures  of Drilli ng Sandstone      The test process is sho w n  in Figure 1 0  and  Figu re  11. In orde r to obtain the  desi r ed  vacuum  test  environ ment , a rotary v ane va cuum  pump  wa s  use d , whi c h  can  achiev e a  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Therm a l Simulation an d Expe rim ent of Luna r Drill Bit in Vacuum  (Jinsh eng  Cui)  4761 maximum vacu um of 1 P a. Comp ari ng with th e  molecula r pump, which co uld rea c h   highe r  vacu u m   degree, rot a ry vane va cuum pu mp  can  with stan d harsh  d u st e n vironm ent.  The   existing va cu um pum p req u ire s  2 - 3 h o u r s to  obtain t he ne ce ssary  test environ ment. If a hig her  vacuum  envi r onment  nee d ed, the te st ti me will   in cre a s e  expon entially. Con s ide r ing a bove fa cts ,   a rota ry van e  vacu um p u mp  was chosen to  m eet the mini mum requi re ments fo r te st  environ ment.                a) drilli ng into loam bri ck in vacuum     b) The lo am brick after d r il ling     Figure 11. Picture s  of Drilli ng Loam Bri ck      The trial  matrixs for te st ph ase I  and te st  pha se II a r e  as  sho w n  in  Table  2 an d  Table  3,  with their results .       Table 2. The r mal test trial matrix of pha se I (ro om te mperature 1 7 Ԩ )  No.  dr illing  subject   vacuum  degree [Pa]   dr illing par ameter s  dr illing  time[min]  feed maximum  temperatu r e[ Ԩ ]  feed-stop ma xim u m  temperatu r e[ Ԩ ]  rotational  speed[rpm]   feed rate  [mm/min]  1001   sandstone  170 108  2  feed 8.5/   feed- stop1.5  200 230  1002   normal  atmosphere   108 2  feed 8.5/   feed- stop1.5  100 114  1003  130  108  2  feed 8.5/   feed-stop  5  199 248  1004   normal  atmosphere   108 2  feed 8.5/   feed-stop  5  104 138  1005   loam brick  230 108  2  feed 12/   feed-stop  3   98 87  1006   normal  atmosphere   108 2  feed 12/   feed-stop  3   70 60  1007  200  108  4  feed 6/   feed-stop  3   168 224  1008   normal  atmosphere   108 4  feed 6/   feed-stop  3   128 198        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4756 – 4 763   4762 Table 3. The r mal Test Tri a l  Matrix of Phase II (ro om tempe r ature 2 0 Ԩ )  No.  dr illing  subject   vacuum  degree [Pa]   dr illing par ameter s  dr illing  time[min]  dr illing  depth[mm]   feed maximum  temperatu r e[ Ԩ ]  rotational  speed[rpm]   feed rate  [mm/min]  2001   loam brick  190 108  20  2.5  50  70  2002  87  108  2  25  50  263  2003  150  54  2  6  12  35  2004  130  108  1  50  50  492  2005  100  54  1  50  50  96  2006   sandstone  190 54  1  32  32  265  2007  84  108  1  35  35  378  2008  40  108  2  25  50  407  2009  74  108  1  50  20  420  2010  35  108  2  25  50  414  Note: Du ring  test No. 200 3 ,  the rig brea ks do wn, but the data is eff e ctive for ana lysis.       5. The Influence of the Vacuum on the Therm al Characteristics of the  Drilling Process  The te sts si mulate th e l unar  surfa c e  vacu um  co n d itions. A c co rding  to th e  test pla n   matrix, two sets of te st data, which  are pe rformed in unif o rm envi r on mental condi tions  respe c tively, are  ch ose n  f o r  comp ari s o n . The two a r e li sted in  T able 4  and  T able 5. An d the   comp ari ng cu rves a r e sho w n in Figu re  12 and Fig u re 13.      Table 4. 100 1 - 100 2 Rigi d Sand stone Exp e rime nt Data   No.  vacuum  degree [Pa]   dr illing par ameter s  dr illing time[min] feed maximum  temperatu r e[]   feed-stop ma xim u m  temperatu r e[]   rotational  speed[rpm]   feed rate  [mm/min]  1001  170  108  2  feed 8.5/   feed-stop1.5   200 230  1002   normal  atmosphere   108 2  feed 8.5/   feed-stop1.5   100 114      Table 5. 1005-1006 Rigi d Clay Drilling Ex perim ent Dat a   No.  vacuum  degree [Pa]   dr illing par ameter s  dr illing  time[min]  feed maximum  temperatu r e[]   feed-stop ma xim u m  temperatu r e[]   rotational  speed[rpm]   feed rate  [mm/min]  1005  230  108  2  feed 12/   feed-stop  3  98 87  1006   normal  atmosphere   108 2  feed 12/   feed-stop  3  70 60      It can  be  see n  from  Fig u re  6  and  Figu re  7 th at un der  the same  exp e rime ntal  con d itions,   the atmo sph e r ic te st an d the vacuum te st have di ffe rent re sult s. Vacu um ha s  a  gre a t influen ce  on the  drill bit  temperature, and th e tem peratu r e  of  bi t unde r vacuu m  is al mo st d ouble  of that i n   atmosp he re  whe n  the temperature  re ach e s 20 0 Ԩ . The differe nce of the tempe r ature in   experim ent hi gher tha n  tha t  in simulation .      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Therm a l Simulation an d Expe rim ent of Luna r Drill Bit in Vacuum  (Jinsh eng  Cui)  4763       Figure 12. 10 01 and 1 002  Rigid San d st one  Drilling Temperature  Figure 13. 10 05 and 1 006  Rigid  Clay Dri lling  (2mm/min) T e mperature Curve      6. Conclusio n   The temperat ure and its i n fluen cing factors in drilling rigid  regolith process is  a great   con c e r n of space  e ngin e e ring, espe ci ally  in  va cuu m . A prelimin ary expe rime ntal re se arch  on  this issu e is  carrie d out i n  this p ape r. It c an be  seen fro m  the  experim enta l  results that,  in   vacuum, the t e mpe r ature o f  the drill will signifi cant ly ri se. And the h i gher the tem peratu r e i s , the   deep er the  effect sh ows. T he expe rime n t al result s  sh ow that the v a cu um mu st  be con s ide r e d  as  one of the important fa ctors  duri ng the study on the drill bit thermal cha r a c teri stic.  The  re sult in  this  pap er i s  the  first  st ep of th e  study on  luna r reg o lith d r ill  therm a l  cha r a c teri stics. The a c tu al drilling p r oce s s on L una would  be take n in  a high vacuum   environment, whi c h is al most impo ssi ble  to reach, and more accu rate simulations will be carri ed   out in further  resea r ch.      Ackn o w l e dg ements   This  wo rk was fina nci a lly sup p o r ted b y  t he Natio n al Natu re S c ience Fo und ation of   Chin a  (Grant  No.  51 1050 92) an d  Coll ege  Di sci p lin e Innovatio n  Wisdom  Plan  of  Chin a  (1 11  Proje c t, Gran t No. B07018 ).      Referen ces   [1]  Z hang  H. F r o m  the S a tell ite to  Lun ar Pr obe.  S h a ngh ai : Shan gh ai S c ientific  an d T e chn o lo gic a l   Educati on Pu bl ishin g . 20 07.   [2]  Cui J, Hou  X, Z hao D. Experi m ent al R e sear ch on T e mpera t ure Rise of Bit  in Drill ing N o r m al an d Lo w   T e mperature L unar So il Simu l ant . Appli ed M e cha n ics a nd  Materials . 2 0 1 3 ; 373: 20 08-2 014.   [3]  Cremers  C, Bir k ebak  R, D a w s on J.  T h er mal  con ductivity  of  fines  fro m  A p ollo  1 1 . Proc e edi ngs  of th e   Apol lp 11  Lun a r  Science C onf erenc e. 197 0; 3: 2045- 20 50.   [4]  Cremers C, Bi rkebak R.  T h e r ma l con ductiv i ty of fines fro m  Ap oll o  1 2 . Procee din g s o f  the Secon d   Lun ar Scie nce  Confer ence.  1 971; 3: 23 11-2 315.   [5] Keihm  S,  La ng se th  M.  Surf ace  brig htness  te mper atures  at th e  Ap ol lo  17  h eat fl ow  site: T her ma l   cond uctivity of  the up per 1 5 c m  re gol ith . Pro c eed ings  of the F ourth L unar  Scienc e Co nferenc e. 198 0 ;   3: 2503- 25 13.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.