摘要：世界强国针对南极科技前沿、地缘政治、开发利用权益的争夺日趋激烈。中国建设和运营南极航空基础设施,有利于提升中国在南极的综合影响力、扩大南极科学考察规模、满足人员和物资快速投送需求,因此,南极机场建设的战略发展价值突出,而压实雪层跑道是中国在南极建设大型机场路面的首选形式。采用压实雪的方法制备人工冰样,结合冰雪跑道所承受的飞机载荷特征,在(-10.0±0.3)℃温度条件下,以1.0 MPa为平均加载应力,以0.03 Hz为加载频率,应力幅值为0.2~1.0 MPa,循环次数100~900为循环条件,开展在1.0×10^(-3)~1.0×10^(-1)s^(-1)应变速率下循环载荷压实雪冰的抗压强度试验,以及5.0×10^(-4)~1.0×10^(-1)s^(-1)应变速率下单调载荷压实雪冰的抗压强度试验。结果表明:单调载荷下的压实雪冰抗压强度在韧性区内随着应变速率的增加而增加,在韧性-脆性过渡区达到最大值,然后在脆性区中显著减少;在高应变速率和一定循环次数范围内,循环载荷对压实雪冰的抗压强度具有强化作用;当超过一定循环次数时,循环载荷对压实雪冰的抗压强度会产生弱化作用。以上试验结果可为压实雪层跑道的设计和维护提供理论依据。

摘要：对提供大扭矩的反扭装置进行优化设计,并根据钻头实验确定反扭装置设计参数;提出反扭装置设计原则,建立反扭装置力学计算模型,并对不同尖角滑刀式反扭装置进行理论计算,得出其径向压力和扭矩关系曲线,确定最佳的反扭滑刀参数;设计具有六连杆机构的滑刀式反扭装置,根据其结构原理,建立弹簧刚度与径向压力理论计算模型,并对4种刚度弹簧进行优选。研究结果表明：采用刚度为19.61 N/mm的弹簧时,滑刀式反扭装置理论上可提供73~94 N·m反扭矩,满足冰下基岩钻进的需要。

摘要：极地冰盖深部“暖冰”层钻进时，由于冰层的温度较高，接近甚至达到冰的压力熔点，回转钻进时产生的切削热量极易使冰屑融化，导致机械钻速慢、取心率低、卡钻事故频发。钻压、转速、切削具结构等参数均对切削热量有一定的影响，有必要设计一套实验装置对切削热量进行测试，从而为设计切削具结构、优化钻进参数组合提供理论依据。以XY-1型岩心钻机钻进系统为平台，利用无线信号传输原理设计了冰层回转钻进切削热量测试实验台。初步测试结果表明，该实验装置能够准确测量钻压、扭矩、切削温度等参数，可用来进行相关的实验研究。

摘要：大扭矩反扭装置是研制铠装电缆冰下基岩电动机械取心钻具的主要部分之一，该装置的失效将导致钻进无法进行，甚至将造成钻具脱落等严重的孔内事故。设计了铠装电缆钻具反扭装置实验台，并就实验装置的设计思想、设计原则、主要结构参数及初步实验结果进行了详细介绍。该实验台可以测试反扭装置在不同温度冰层和不同孔径任意组合下所能提供的反扭矩大小以及产生的下滑阻力。初步实验验证，该实验台工作性能良好，可以为更好的选择反扭装置类型及最优的使用参数提供重要依据。

摘要：冰心包含大量的古气候资料和古生物学信息,这些信息对于从远古到现代的气候变化和生物进化都很重要。如何高效快速地获取无污染的冰心是极地科学家的一个重要课题。冰层空气反循环钻具采用双壁钻杆形成反循环通道,内管提供了从钻头底部到表面的冰屑和冰心的连续通道。钻具通过卡断机构卡断冰心,通过反循环通道不断运移冰心,从而实现连续钻具连续取心。本文采用ABAQUS软件对冰心卡断过程进行分析,运用XFEM断裂准则以及Explicit显式方法求解,选出适宜的卡断器尺寸和中心通道尺寸,从而得到更好的反循环钻进效果。

摘要：极地钻探实践表明，冰盖底部冰岩交界附近地质情况异常复杂，不但可能存在暖冰、基底融水，甚至还存在厚度不等的冰岩夹层，取心钻探异常困难，而优选钻头类型、确定合理的钻进参数是保证其安全、快速钻进的重要因素。本文设计了一套能够模拟冰层回转钻进的实验台，其技术参数为：钻压、转速分别可在0～10 kN、0～300 r／min范围内调节，最大扭矩约100 N· m。该实验台能够测量钻头切削具温度、钻孔深度及钻进速度等参数，为深入研究钻头类型及结构参数、钻进参数对扭矩、钻速和切削温度的影响规律提供了手段。采用PDC复合片钻头进行了冰钻实验，结果表明，实验台能够准确调节钻压和转速，可满足实验要求。

摘要：在极地钻探技术领域中，铠装电缆式电动机械取心钻具应用广泛，优化、设计可靠的反扭装置，提高其反扭力矩，是冰下基岩电动机械取心钻具钻进成功的关键所在。为了分析反扭装置的全部性能，提出了基于数字化虚拟样机RecurDyn的仿真方法。反扭装置的组成机构是平面六杆机构，在RecurDyn中导入由inventor软件建立的反扭装置几何模型进行运动仿真及分析。介绍了利用RecurDyn软件来实现平面六杆机构（反扭装置）运动仿真及分析的方法和步骤。以反扭装置作为研究对象，在RecurDyn/post模块中，用动画来表现反扭装置的运动过程，用图表来反映运动仿真的结果。仿真的结果证明反扭装置设计的科学性、合理性以及实用性，可以实现预定位置变化，满足极地钻探中平衡钻进的要求。

摘要：极地冰层硬度特性对铠装电缆电动机械取心钻具反扭装置设计和使用具有重要意义。针对冰层特殊的物理性质，结合材料硬度测试原理，设计了一套可在模拟极地冰层低温条件下测量冰硬度特性的硬度试验台。该试验台由低温冷柜、硬度测试台和数据采集及控制系统3部分组成，其中，数据采集及控制系统隔离在常温环境中，降低了元器件对环境温度的要求。利用该试验台对硬度压头压入冰层的压力和深度进行数据检测，换算得到相应的硬度值。对设计的试验台进行初步实验表明，该试验台工作状态良好，数据准确，可满足对低温材料硬度特性的检测。

摘要：南极大陆冰下基岩岩心对研究南极大陆地质构造及成因具有重要意义,目前尚没有任何一个国家在南极内陆成功钻取冰下基岩样品,研制可快速钻至冰岩界面并完成基岩采样的钻进设备迫在眉睫。针对极地冰下基岩取样技术难题,提出了一种可结合热水钻系统使用的采用热水驱动的冰下基岩取心钻具概念设计。该钻具系统采用常规热水钻完成南极大陆上覆冰层钻进,然后更换热水取心钻具穿过已有钻孔快速到达冰岩界面,完成冰下沉积物和基岩取心钻进,大大缩短基岩取心时间,提高钻进效率。结合中国自主研发的热水钻系统参数,对螺杆马达压力损失和输出扭矩进行理论计算,提出了螺杆马达选择依据。该技术有望在未来极地冰下基岩取心钻进中发挥重要作用。