小行星探测是当前深空探测的热点领域之一,对太空资源的开发、建设小行星预警防御体系、研究太阳系的形成与演化过程及揭示生命起源等具有深远意义。基于压电驱动的超声波钻具有钻压力小、体积小、功耗低等特点,因此在小行星探测领域具有显著优势。本文利用理论计算、仿真分析和实验研究等方式,开展单晶压电陶瓷驱动超声波钻的设计、温度特性及高低温环境适应性研究。开展超声波钻压电换能器驱动特性研究。基于弹性体动力学微分方程,建立了超声波钻压电换能器的波动方程,确定了换能器的尺寸参数;利用有限元方法对压电换能器进行模态分析和谐响应分析;利用阻抗分析仪和激光位移传感器开展预紧力矩对压电换能器输出特性影响规律研究;对压电换能器进行阻抗匹配,减少其无功损耗。开展超声波钻压电换能器温度特性研究。基于有限元方法建立压电换能器工作过程温升仿真模型,获取其各关键部位温升情况;在温升分析基础上利用预应力模态分析,开展压电换能器频率漂移特性研究;结合理论与仿真分析开展压电换能器频率温度特性研究;基于有限元方法分析压电陶瓷叠堆在不同环境温度下应力分布。研制单晶压电陶瓷驱动超声波钻原理样机。为满足超声波钻高低温环境适应性研究需求,研制超声波钻高低温驱动特性测试实验系统。该实验系统可提供高低温环境,并监测超声波钻钻压力、钻进速率等参数。开展超声波钻驱动特性实验研究。针对同一种钻进介质,研究钻压力对超声波钻钻进效率影响;针对不同钻进介质,研究超声波钻对不同可钻性等级的钻进介质的钻进效率;开展超声波钻高低温驱动特性实验研究;实验验证超声波钻压电换能器温度特性理论模型的准确性。