CN102359891A - 一种月球深层土壤采集器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种月球深层土壤采集器。外壳上端面有钻机与机械臂连接器，外壳内从上到下安装三层隔板，丝杆驱动电机安装在第一隔板上，通过齿轮驱动丝杆，与丝杆配合的滑块固连在滑块上，滑块一端四个通孔穿过导杆，四根导杆中间安装钻管驱动电机，通过齿轮驱动钻管连接头，其内有电磁铁驱动楔子，楔子伸出对应钻管内锥面的销槽，钻管转盘安装于第二隔板中心，与钻管转盘驱动电机通过齿轮配合，夹紧装置下为第三隔板，钻头转盘上周向安装若干钻头，第三隔板上钻头转盘驱动电机与钻头转盘通过齿轮配合，中空钻管内部封装有月壤袋。本发明具有结构紧凑、节省空间，传动方式可靠性高，钻采深度大，采样量大，样品回收简单可靠等特点。

Description

一种月球深层土壤采集器
技术领域
本发明涉及一种土壤采集器，尤其是涉及一种月球深层土壤采集器。
背景技术
20世纪中叶以来，人类就不断地对月球进行探索。自1958年至1976年，美国和苏联共发射108个月球探测器，成功或者部分成功52个。月球探测取得划时代的成就。美国Apollo计划和苏联的Luna计划分别进行了载人和不载人的登月取样，共获得382.0211kg的月球样本。其中美国Apollo计划采集月球样本约381.7kg，苏联Luna计划采集月球样本约0.3211kg。其中Apollo计划采集样品基本通过人工进行，而Luna计划为自动采样。
进入20世纪90年代后，包括中国在内的世界多国及组织开始进行新一轮的月球探测。月壤采样对分析月球资源环境及日后的利用有决定性作用，出于对宇航员登月的复杂性和危险性考虑，自动采样装置得到发展。
深钻是目前唯一可以采集深层月壤并保留其结构特性的方式，它在Luna计划中得到实现，不过因为一些原因采样量较小。深层月壤受外部环境影响小，对研究的意义远大于表层月壤和月岩，故而深钻装置成为外星采样的重要工具。
早期苏联的外星采样深钻均采用单杆钻机，由此产生采样深度不够或钻机装置过大的问题，所以后期的研究者开发了多杆钻机，通过将多根钻管拼接，实现了用较小的装置获得较大钻采深度。其中，由赫尔辛基大学和ESA联合开发的MRoSA2钻采系统，体积为11*11*35cm，含10个20cm长的可以自动组装和拆卸的钻管，钻取深度为2m；NASA与ASI合作开发的一种钻探取样系统，最深可达表层下2.5m，每根钻管取样直径14mm，长25mm；近些年研究的新型的多杆式钻机大多采样量很小，或者没有完备的样品初级密封手段，这对采样后期样品的转移和回收带来了不便。为此，开发出一种符合现代月壤采集要求的月球深层土壤采集器是迫切和必须的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种月球深层土壤采集器，是一种体积小、功耗小、采样量大并且样品密封和转移方便可靠的深钻装置
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明包括外壳，位于外壳内部的动力部分和换管部分，其中：
所述外壳的上端面有钻机与机械臂连接器，其上有凸台内沉孔外壁均布三个凹槽，沉孔底面中心有电气接口，外壳内从上到下依次安装第一、第二和第三隔板；
所述动力部分：包括丝杆驱动电机、由丝杆和滑块组成的滑块机构；丝杆驱动电机安装在第一隔板上，丝杆的一端通过止推轴承安装在第一隔板上，丝杆驱动电机通过两级齿轮传动与丝杆连接，均布的四根导杆与滑块构成滑动配合，四根导杆上端固定在第一隔板上，四根导杆下端固定在第三隔板，滑块上四根导杆中间安装有钻管驱动电机，通过另一两级齿轮传动给安装在滑块上的钻管连接头，钻管连接头内设有多个电磁铁驱动楔子，多个楔子能卡入对应钻管一端内锥面的销槽中；
所述换管部分：包括钻管转盘、钻管转盘电机、多个钻管、推杆、钻头转盘、钻头转盘电机和钻头；钻管转盘安装于第二隔板中心，钻管转盘外缘为外齿轮，钻管转盘中心为通孔，钻管转盘上通孔圆周均匀分布多个钻管孔，钻管转盘中心通孔与钻管孔相交，第二隔板上在钻管转盘外安装有钻管转盘电机，钻管转盘电机与钻管转盘通过一级齿轮传动配合；钻头转盘盖板下端的钻头转盘外缘设有外齿轮，钻头转盘中心通孔，钻头转盘内嵌安装在第三隔板中，钻头转盘周向开有圆孔，钻管能通过圆孔上下施钻；圆孔两侧各有一个钻头安装孔，第三隔板上在钻头转盘上安装有钻头转盘驱动电机，与钻头转盘通过一级齿轮配合。
所述钻管外圆柱面有螺旋凸起，一端为外锥面，外锥面下面环形槽中有C形卡紧环，外锥面均布有周向固定销，钻管另一端内孔为内锥面，内锥面均布有周向固定槽，内锥面下面有环形卡槽，每根钻管内部均封装有金属箔制成的月壤袋。
所述的月球深层土壤采集器钻管部分，钻头为中空，钻头下端为钨钢钻齿，钻头上部为中空圆柱形，外圆柱面有螺旋凸起，上部为内锥面，内锥面周向均布销槽，内锥面下端有环形卡槽。
所述的月球深层土壤采集器钻管部分，钻管内衬金属箔月壤袋为中空圆柱形，上下端均为半球形的月壤单向膜结构。
本发明具有的有益效果是：
与机械臂的接口使钻机可以连接在机械臂上，施钻灵活；动力部分滑块连接钻管上下移动，配合夹紧装置可完成钻管与钻管、钻管与钻头的连接与拆卸，从而可以完成深层月壤钻取和回收；多钻头设计可以在钻头损坏或断杆的情况下，放弃部分钻管继续完成钻取任务，增强容错性；钻管内衬月壤袋结构将月壤初级密封于月壤袋内，既防止了月壤的泄露，又可以在回收时用推杆推出月壤袋，不用回收钻管，大大减轻了回收质量。本发明具有结构紧凑、节省空间，传动方式可靠性高，钻采深度大，采样量大，样品回收简单可靠等特点。
附图说明
图1是本发明整体结构立体图。
图2是本发明隐去外壳的立体图。
图3是本发明所述动力部分的立体图。
图4是本发明所述换管部分立体图。
图5是本发明所述钻管及其转盘部分立体图。
图6是本发明所述钻头及其转盘部分立体图。
图7是本发明所述钻管内衬月壤袋剖面立体图。
图8是本发明所述钻管内衬月壤袋下端连接处剖面立体图。
图9是本发明所述钻管间连接部分立体图。
图中：1、钻机与机械臂连接器，2、外壳，3、第一隔板，4、支撑架，5、钻管转盘盖板，6、第二隔板，7、钻管支撑板，8、钻头转盘盖板，9、第三隔板，10、丝杆传动齿轮，11、丝杆驱动电机，12、丝杆，13、滑块，14、导杆，15、钻管驱动电机，16、钻管传动齿轮，17、钻管连接头，18、钻管，19、钻管转盘，20、推杆，21、钻管转盘传动齿轮，22、钻管转盘驱动电机，23、钻头转盘驱动电机，24、钻头转盘传动齿轮，25、钻头转盘限位板，26、钻头转盘，27、钻头，28、钻头安装孔，29、月壤袋，30、C形卡紧环，31、周向固定销，32、周向固定销槽，33、钻管固定架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，本发明包括外壳、内部的动力部分和换管部分。
所述的外壳2的上端面有钻机与机械臂连接器1，其上有凸台，凸台内沉孔外壁均布三个凹槽，沉孔底面中心有电气接口，与机械臂相连接（图1中未画出）。外壳金属板围成180×180×400mm的立方体，外壳2内从上到下依次安装三层隔板。隔板之间通过支撑架4连接。
所述动力部分：包括丝杆驱动电机11、丝杆滑块机构和滑块13，丝杆驱动电机11安装在第一隔板3上，丝杆12一端通过止推轴承安装在第一隔板3上，丝杆驱动电机11通过两级齿轮传动驱动丝杆12，与丝杆12配合的滑块固连在滑块13上，滑块13一端有四个通孔，穿过四根导杆14。工作时，丝杆驱动电机11驱动丝杆12转动，带动滑块13上下移动，导杆限定直线方向上的偏移。导杆14上端固定在第一隔板3上，下端固定在第三隔板9，滑块13上四根导杆14中间安装有钻管驱动电机15，通过另一两级齿轮传递转动给安装在滑块13另一端的钻管连接头17（图3中未标出两级齿轮），钻管连接头17采用内置电磁铁驱动楔子，楔子伸出对应钻管18内锥面的销槽。楔子的形状与周向固定销31相同（图9所示），楔子受电磁铁控制，在与钻管18相连时楔子伸出，将钻管18取下时楔子收回。
所述换管部分：包括钻管转盘19、钻管转盘传动齿轮21、钻管转盘驱动电机22、钻管18及一根推杆20、钻头转盘26、钻头转盘驱动电机23和钻头27。钻管转盘19外缘为外齿轮，中心为通孔，钻管转盘19上通孔圆周均匀分布若干钻管孔，中心通孔与钻管孔相交，钻管转盘19下固连一个钻管固定架33，为柱形薄壁筒，与钻管孔对应的位置由筒壁围成贯通的槽。钻管转盘19上盖有钻管转盘盖板5，防止灰尘进入钻管转盘19。钻管转盘19安装于第二隔板6中心，第二隔板6上在钻管转盘19外安装有钻管转盘驱动电机22，与钻管转盘19通过一级齿轮传动配合。钻管18下方有一个钻管支撑板7，再下方是专为月球深层土壤采集器设计的夹紧装置。钻头转盘26外缘为外齿轮，中心通孔，内嵌安装在第三隔板9中，钻头转盘26上周向有若干个凸台，凸台中沉孔为钻头槽，内部放置钻头27，钻头27在钻头槽内由弹簧卡子卡紧，第三隔板9上在钻头转盘26外安装有钻头转盘驱动电机23，与钻头转盘26通过一级齿轮传动配合。钻头转盘26上面也盖有防止灰尘的钻头转盘盖板8
所述钻管18为中空，外圆柱面有螺旋凸起，下端为外锥面，外锥面下端环形槽中有C形卡紧环30，外锥面周向均布销子，钻管18上端为内锥面，内锥面周向均布销槽，内锥面下端有环形卡槽，钻管内部封装有金属箔制成的月壤袋29。
所述钻头27为中空，钻头27下端为钨钢钻齿，钻头27上部为中空圆柱形，外圆柱面有螺旋凸起，上部为内锥面，内锥面周向均布销槽，内锥面下端有环形卡槽。
所述钻管内衬金属箔月壤袋29为中空圆柱形，上下均有半球形的月壤单向准入结构，月壤袋通过下端外圆柱面的周向凸起卡在钻管中。
如图3所示为本发明动力部分，包括安装在第一隔板上的丝杆驱动电机11、丝杆传动齿轮10、丝杆12和四根导杆14，还有与丝杆滑块固连的滑块13及其上的钻管传动齿轮16和钻管转动头17。在电机11的驱动下，滑块13可实现上下直线运动，为钻管的直线进给，丝杆滑块装置可提供较大的下钻力且可以自锁。钻管18的旋转运动为钻管驱动电机15通过钻管传动齿轮16带动钻管连接头17及其连接的钻管18实现。
如图4所示为本发明的换管部分，包括钻管转盘19、钻管转盘驱动电机22、钻管18、钻管固定架33。钻管转盘驱动电机22驱动钻管转盘19旋转，配合钻管连接头17，可完成钻管、钻头的装拆，下钻和回收动作以及最终的样品回收。钻管固定架33用于固定保持钻管的位置。
如图5所示为本发明的钻管部分，包括第二隔板6、若干钻管18、钻管转盘19、一根推杆20、钻管转盘传动齿轮21以及钻管转盘驱动电机22。钻管转盘驱动电机22通过钻管转盘传动齿轮21驱动钻管转盘19转动，从而带动钻管18和推杆20转动为方便显示，图中隐去了固连在转盘下端的钻管固定架33，钻管固定架33对应驱动钻管转盘19孔的金属薄筒对钻管18和推杆20起到固定作用。
如图6所示为本发明的钻头部分，包括第三隔板9、钻头转盘驱动电机23、钻头转盘传动齿轮24、钻头转盘限位板25、钻头转盘26、钻头27和钻头安装槽28。所述钻头安装槽28和钻头27数量可根据需要进行增减。钻头转盘26在电机23的驱动下带动钻头转动，实现钻头的装拆。钻头转盘26上留下钻孔，以便于钻管18的上下移动。
如图7、图8所示，为所述的钻管18和内衬的月壤袋29、C形卡紧环30。所述月壤袋29由金属箔制成，其上下两端均有半球形月壤单向准入结构，用以防止月壤的泄露和回流。月壤袋29下端连接钻管18的地方由单向卡口卡紧，并有一定预紧力，保证月壤袋29可以由推杆20向下推出且不会自己掉落或向上滑。C形卡紧环30提供一定的预紧力保证钻管的连接和拆卸。
如图9所示，所述的钻管18间的连接由周向和轴向两部分组成，钻管18下端外锥面均布三个周向固定销31与相连钻管18内锥面的周向固定销槽32配合完成周向连接，传递扭矩，钻管18下端C形卡紧环30和卡入相连钻管内锥面底端的环形槽中完成轴向连接。
本发明可根据采样深度的不同在钻机内安装不同数量的钻管或者改变钻管的长度，配合月壤回收装置，此钻机可实现在采样完成后可靠的月壤回收和密封，并可较好地保持所采集的月壤样品层理特征。

Claims (3)

1.一种月球深层土壤采集器，其特征在于：包括外壳(2)、位于外壳(2)内部的动力部分和换管部分，其中：
所述外壳(2)的上端面有钻机与机械臂连接器(1)，其上有凸台内沉孔外壁均布三个凹槽，沉孔底面中心有电气接口，外壳内从上到下依次安装第一、第二和第三隔板(3、6、9)；
所述动力部分：包括丝杆驱动电机(11)、由丝杆(12)和滑块(13)组成的滑块机构；丝杆驱动电机(11)安装在第一隔板(3)上，丝杆(12)的一端通过止推轴承安装在第一隔板(3)上，丝杆驱动电机(11)通过两级齿轮传动与丝杆(12)连接，均布的四根导杆(14)与滑块(13)构成滑动配合，四根导杆(14)上端固定在第一隔板(3)上，四根导杆(14)下端固定在第三隔板(9)，滑块(13)上四根导杆(14)中间安装有钻管驱动电机(15)，通过另一两级齿轮传动给安装在滑块(13)上的钻管连接头(17)，钻管连接头(17)内设有多个电磁铁驱动楔子，多个楔子能卡入对应钻管(18)一端内锥面的销槽中；
所述换管部分：包括钻管转盘(19)、钻管转盘电机(22)、多个钻管(18)、推杆(20)、钻头转盘(26)、钻头转盘电机(23)和钻头(27)；钻管转盘(19)安装于第二隔板(6)中心，钻管转盘(19)外缘为外齿轮，钻管转盘(19)中心为通孔，钻管转盘(19)上通孔圆周均匀分布多个钻管孔，钻管转盘(19)中心通孔与钻管孔相交，第二隔板(6)上在钻管转盘(19)外安装有钻管转盘电机(22)，钻管转盘电机(22)与钻管转盘(19)通过一级齿轮传动配合；钻头转盘盖板(8)下端的钻头转盘(26)外缘设有外齿轮，钻头转盘(26)中心通孔，钻头转盘(26)内嵌安装在第三隔板(9)中，钻头转盘(26)周向开有圆孔，钻管(18)能通过圆孔上下施钻；圆孔两侧各有一个钻头安装孔(28)，第三隔板上在钻头转盘(26)上安装有钻头转盘驱动电机(23)，与钻头转盘(26)通过一级齿轮配合；
所述钻管(18)外圆柱面有螺旋凸起，一端为外锥面，外锥面下面环形槽中有C形卡紧环(30)，外锥面均布有周向固定销(31)，钻管(18)另一端内孔为内锥面，内锥面均布有周向固定槽(32)，内锥面下面有环形卡槽，每根钻管(18)内部均封装有金属箔制成的月壤袋(29)。
2.根据权利要求1所述的一种月球深层土壤采集器，其特征在于：所述钻头(27)为中空，钻头(27)下端为钨钢钻齿，钻头(27)上部为中空圆柱形，外圆柱面有螺旋凸起，上部为内锥面，内锥面周向均布销槽，内锥面下端有环形卡槽。
3.根据权利要求1所述的一种月球深层土壤采集器，其特征在于：所述钻管(18)内衬金属箔月壤袋(29)为中空圆柱形，上下端均为半球形的月壤单向膜结构。
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