小行星是太阳系的一类重要天体,人类可借助探测小行星的途径加深对太阳系演变过程的认识,进而探索地球起源等难题。目前附着采样已成为小行星探测关键技术发展的重要方向,该技术将保证探测器可长时间稳固在小行星表面开展钻探采样工作,以获得更加丰富的表层物质信息。考虑到超声波钻的功率低、体积小、重量轻和所需钻压力低等特点,因此尤其适用于在小行星微弱引力环境下开展钻进作业。基于小行星表面存在的高低温环境,本文以超声波钻为研究对象,开展其构型尺寸设计、温度特性分析和高低温驱动特性的仿真及试验研究。基于弹性体振动基本理论,建立超声波钻压电换能器的动力学模型,完成换能器构型尺寸参数设计;利用模态分析获取换能器的纵振振型及其对应工作频率;利用谐响应分析对所设计换能器的输出振动幅度进行预测,评估所设计换能器的驱动特性。基于有限元软件建立压电换能器的三维温度场模型,通过瞬态热力学仿真研究换能器在常温条件运行过程中的温升特性;在此基础上,研究高低温环境和真空度因素对换能器温度分布的影响规律;利用热模态耦合仿真分析高低温环境引起的换能器频率漂移现象,并对高温环境下换能器的热应力分布进行分析研究。研制一种可提供高低温工作环境、施加钻压力以及进行温度控制的超声波钻高低温特性试验平台。基于实验台总体设计方案,完成机械部分的具体结构设计,搭建硬件控制系统,完成测试系统的装配与调试工作。根据超声波钻的锚固钻进要求,完成钻具组件的设计并研制出原理样机。利用阻抗分析仪和激光位移测试系统试验研究超声波钻换能器高温驱动特性;通过试验研究超声波钻钻进性能对钻压力变化的敏感度以及在不同钻进介质下超声波钻的适应能力。