小行星探测是地外天体探测中的热点之一,钻探采样是探索小行星的过程中非常重要的任务。小行星上含有的矿物地质资源丰富而且稀有,因此对小行星的探索和样本采集一直是国内外研究的热点,面临着许多未知挑战。在进行过多次采样任务后,对星体表层的物质探索已经有一些成果,随着探测深度的增加,小行星探测的难度也不断增大。将基于压电陶瓷的超声波钻应用在对小行星的采样,可以解决一些难点问题。本文通过研究设计思路、计算理论模型、仿真结果分析和实验测试研究,开展一维纵振冲击式换能器的设计、回转超声钻进仿真实验分析及回转钻进试验台研制。开展压电陶瓷驱动的换能器设计研究。了解换能器的组成及设计原理;基于对弹性体的动力学研究,建立其微分方程,推导出压电换能器的频率方程,确定了换能器每个组件的尺寸,并对每个组件的材料进行选择;根据回转钻进试验台的功能要求,设计换能器的构型;使用ANSYS对换能器进行模态分析和谐响应分析;利用阻抗仪来对换能器进行测试,得出其谐振频率;利用激光位移传感器测量变幅杆端面位移,验证其理论模型的正确性。开展回转超声钻进影响因素仿真分析,基于有限元方法建立仿真模型;对钻进过程进行运动学分析;并且对普通钻进和超声钻进分别进行钻进仿真,对比分析超声波钻的优势;分别改变钻杆转速和进给量,分析其对于钻进效果的影响,对仿真结果进行对比分析,得出钻进效果最好的钻杆转速;改变岩石材料,分别对不同的岩石进行钻进仿真,分析在不同岩石材料中的最优转速;记录仿真数据为之后的试验研究提供参考。根据设计的压电换能器,研制超声波钻原理样机,并通过实验进行自由质量和弹簧的选取,进行超声波钻测试实验。基于对回转钻进试验台的功能要求,综合参考国内外超声波钻取样装置,设计符合回转要求的超声钻进试验台。试验平台具有改变钻杆转速、控制钻压力和改变岩石种类的功能,对钻进深度、轴向力、扭矩等数据进行采集。