CN107030652B - 一种撞击式穿入器 - Google Patents

Abstract

本发明属于星球探测器领域，具体地说是一种撞击式穿入器，包括外壳、质量块和冲击锤，通过直流电机驱动擒纵套管，从而压缩驱动弹簧；当驱动弹簧压缩至与释放套管接触后，冲击锤在弹力作用下与外壳发生冲击作用，此瞬间冲击力远大于外部作用力；同时，质量块受尾部制动弹簧的作用，运动量小，恢复初始状态时，产生二次冲击，高效地实现穿入器在竖直方向运动；如此循环，即可到达预定深度。本发明采用自驱动方式，无需其他设备的介入便可穿入地层下；采用直线驱动方式，无需夹持装置，且工作中不会产生大量的热；本发明整体质量轻，工作可靠，在星球表面勘测方面具有重要意义。

Description

一种撞击式穿入器

技术领域

本发明属于星球探测器领域，具体地说是一种撞击式穿入器。

背景技术

随着航天技术的发展，人们对星球的演变充满好奇，对资源的探测日益迫切。近几十年来，大量的航天器发射，用于探测外太空，这些先导的任务极大地增加了人类对星球的认知。但大都是通过在轨卫星进行观测，下一步重要的探测任务是直接探测星球的地质特性。

对星球的结构、化学、电磁场、热能以及矿物特性的分析，需要对其进行采样。传统技术通过旋转钻来进行采样，需要专门的设备来提供正压力实现钻取。在钻取过程中，探测车需要保持静止，降低了工作效率；且设备较庞大，无疑增加了航天器的成本和发射难度。

随着人类对星球的频繁探测，低质量，小体积，低成本，高效率和高可靠性是优先考虑的。因此，需要一种撞击式穿入器。

发明内容

为了满足对星球进行地质探测的要求，本发明的目的在于提供一种撞击式穿入器。该撞击式穿入器体积小、质量轻、机构巧妙，工作稳定可靠，采用自驱动方式，放置目的区域，即可在自身驱动力下穿入星球表面，并将检测数据无线传回至探测车。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括外壳及位于该外壳内的冲击锤和质量块，其中冲击锤包括驱动弹簧、拉锤螺钉、锁扣及冲击块，该拉锤螺钉与锁扣均容置于冲击块内，所述拉锤螺钉的下端穿过锁扣并与冲击块相连，所述锁扣通过该拉锤螺钉与冲击块连动，所述驱动弹簧的下端插入冲击块内、并与冲击块的内部相抵接；所述质量块包括电机固定壳、动力源、传动器、释放套管、螺纹杆及擒纵套管，该释放套管的上端与电机固定壳的下端连接，所述驱动弹簧的上端套在释放套管外、并抵接于释放套管的上端，所述螺纹杆可沿轴向相对移动地容置于释放套管中，该螺纹杆的上端通过传动器与安装在电机固定壳内的所述动力源相连、由动力源的驱动实现上下升降，所述螺纹杆的下端与所述擒纵套管的上端连接，该擒纵套管的下端为供所述拉锤螺钉上端插入的空间，所述空间的两侧为对称设置的具有弹性的擒纵杆，所述擒纵套管由螺纹杆带动升降，具有弹性的所述擒纵杆在下降过程中插入锁扣内，并在上升过程中带动所述冲击锤同步上升并压缩驱动弹簧，所述擒纵杆在升至与释放套管接触并受挤压后与锁扣脱离，所述冲击锤在驱动弹簧的弹力作用下向下运动撞击外壳；

其中：所述电机固定壳的上端安装有挡片及防松螺母，该挡片及防松螺母位于外壳内设的一阻挡部上方，在电机固定壳的上端套设有制动弹簧，该制动弹簧的一端抵接于所述阻挡部，另一端抵接于所述电机固定壳上，所述电机固定壳与外壳可沿轴向相对移动，通过所述挡片与外壳内的阻挡部实现二次撞击；所述外壳包括依次相连的尾部端盖、末端载荷舱、碳纤维管及首端钻头，该末端载荷舱的下端即为所述阻挡部，所述电机固定壳的上端由末端载荷舱的下端穿出，安装所述挡片及防松螺母；所述末端载荷舱内安装有实验设备，该实验设备的电线通过所述电机固定壳上端开设的通孔穿过，并与所述动力源电连接；所述首端钻头的内孔轮廓与冲击块的外轮廓一致，均为上部圆柱、下部锥台，所述首端钻头与冲击块之间为间隙配合；

所述冲击块内设阶梯孔，该阶梯孔底部为螺纹孔A，所述拉锤螺钉的下端制有与该螺纹孔A螺纹连接的螺纹，在螺纹收尾处设有将所述锁扣与冲击块固定在一起的轴肩；所述锁扣为带有内腔的回转体、两端均开口，所述内腔为沿径向向外开设，所述轴肩抵接于锁扣下端开口的止口处；

每侧具有弹性的所述擒纵杆的下端均呈“凹”型，该“凹”型的两侧分别为凸块A及凸块B，所述凸块B为倒圆角的方形结构，在所述擒纵杆带动冲击锤同步上升时凸块B与锁扣抵接；所述释放套管上端外表面沿圆周方向均布有多个凸起，该凸起安装在电机固定壳下端开设的凹槽处，所述释放套管的上端设有支撑传动器的阶梯内孔，所述擒纵杆的下端运动至与释放套管的下端接触后通过该释放套管的挤压与锁扣脱离；

所述传动器包括传动轴、配重块、端部轴承及传动轴轴承，该配重块套设在传动轴外部，所述传动轴的上下两端分别由配重块穿出，并分别通过传动轴轴承与电机固定壳转动连接，所述传动轴的下端部通过端部轴承与释放套管转动连接；所述传动轴开有内螺纹孔，所述螺纹杆通过与该内螺纹孔螺纹连接实现在传动轴内升降；所述传动轴的上端部开有供动力源输出轴插入的电机轴孔，侧面开有螺纹孔B；所述动力源为装有减速箱的直流电机，在减速箱与传动轴之间设有电机固定台，该电机固定台设有光孔A，所述减速箱通过插入光孔A中的螺钉与电机固定台连接，所述电机固定台的侧面分别设有螺纹孔C及光孔B，传动轴上端插入电机固定台内，通过依次插入光孔B、螺纹孔B的紧定螺钉与直流电机的电机轴相连，所述螺纹孔C通过电机固定螺钉与电机固定壳连接。

本发明的优点与积极效果为：

1．本发明采用自驱动方式，在冲击力作用下穿入星球表面，不需要在探测车上安装专门的设备提供正压力，不会产生影响探测车性能的机械振动。

2．本发明以轴向运动为运动形式，对能量的利用率高于传统的旋转式钻头；在工作过程中，不会有切削热量的产生。

3. 本发明设计的结构，冲击锤与外壳发生碰撞产生向下运动，且质量块与外壳也会发生碰撞，一个周期内，产生两次碰撞，实验效果更佳，运动效率更高。

4．本发明设计的擒纵套管，实现了最大程度的驱动力，其疲劳强度寿命长。整体结构紧凑、可靠性高。

5．本发明设计的释放套管，实现了擒纵套管与锁扣的自动脱扣。

6．本发明内部的传动器上设计有配重块，根据设计要求，通过调整配重块可实现预期的工作性能。

7. 本发明的末端载荷舱可以对星球的地质特性进行检测，并通过无线将采集数据传回探测车进行处理。

8. 本发明体积小，质量轻，成本低，提高了探测效率，一定程度上降低了航天器的发射难度。

附图说明

图1为本发明的整体装配示意图；

图2为本发明冲击锤的剖面示意图；

图3为本发明擒纵套管的剖面示意图；

图4为本发明释放套管的结构示意图；

图5为本发明释放套管的剖面示意图；

图6为本发明电机的装配示意图；

图7为本发明传动器的装配示意图；

其中：1为紧定螺钉，2为末端载荷舱，3为挡片，4为电机固定壳，5为电机固定台，6为配重块，7为端部轴承，8为驱动弹簧，9为拉锤螺钉，10为冲击块，11为尾部端盖，12为实验设备，13为防松螺母，14为制动弹簧，15为碳纤维管，16为直流电机，17为减速箱，18为螺钉，19为传动器，20为传动轴，21为传动轴轴承，22为释放套管，23为螺纹杆，24为擒纵套管，25为锁扣，26为首端钻头，27为电机固定螺钉，28为螺纹杆固定螺钉，29为螺纹孔A，30为轴肩，31为内腔，32为擒纵杆，33为凸起，34为凸块A，35为凸块B，36为电机轴孔，37为螺纹孔B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括外壳及位于该外壳内的冲击锤和质量块，其中外壳包括尾部端盖11、末端载荷舱2、碳纤维管15及首端钻头26，尾部端盖11有径向均布的三个螺纹孔D，末端载荷舱2的上端沿圆向均布了与螺纹孔D数量相同的通孔，尾部端盖11上的螺纹孔D与末端载荷舱2上的通孔一一对应，并通过紧定螺钉1进行连接；末端载荷舱2为阶梯状，下端与碳纤维管15的上端内孔配合，使用环氧树脂胶进行粘结，首端钻头26与碳纤维管15下端的内孔配合，使用环氧树脂胶进行粘结。在末端载荷舱2中容置有实验设备12，该实验设备12与尾部端盖11通过螺钉连接；本实施例的实验设备12包括热流计、磁力计、湿度传感器、密度计及辐射传感器等，尾部端盖11与实验设备12连接，远离承受力大的区域，大的撞击力对设备影响较小。

如图2～5所示，冲击锤包括驱动弹簧8、拉锤螺钉9、锁扣25及冲击块10，冲击块10是内部为阶梯孔的薄壁件，阶梯孔的底部为螺纹孔A29；拉锤螺钉9及锁扣25均容置于冲击块10内，锁扣25为一含有内腔31的回转体零件，两端均开口，内腔31为沿径向向外开设。拉锤螺钉9的下端制有与螺纹孔A29螺纹连接的螺纹，在螺纹收尾处设有轴肩30；本实施例的轴肩30为对称的两个，两轴肩30之间的连线与拉锤螺钉9的轴向中心线垂直相交。拉锤螺钉9的下端由锁扣25穿出后与螺纹孔A29螺纹连接，轴肩30抵接于锁扣25下端开口的止口处，将锁扣25与冲击块10固定在一起，使锁扣25与冲击块10连动。驱动弹簧8的下端插入冲击块10的螺纹孔A29内、并与冲击块10的内部相抵接，从而与碳纤维管15隔离。首端钻头26的内孔轮廓与冲击块10的外轮廓一致，均为上部圆柱、下部锥台，首端钻头26与冲击块10之间为间隙配合，保证撞击的可靠性。

质量块包括防松螺母13、挡片3、制动弹簧14、电机固定壳4、动力源、电机固定台5、传动器19、释放套管22、螺纹杆23及擒纵套管24，本实施例的动力源为装有减速箱17的直流电机16。电机固定壳4为薄壁件，上端由外壳内设的一阻挡部穿过、并安装挡片3及防松螺母13；本实施例的末端载荷舱2的下端即为阻挡部，电机固定壳4的上端由末端载荷舱2的下端穿出，挡片3及防松螺母13位于末端载荷舱2下端的上方，起导向作用。电机固定壳4的上端开设有通孔，实验设备12与直流电机16之间的电线由该通孔穿过。在电机固定壳4的上端套设有制动弹簧14，该制动弹簧14的一端抵接于末端载荷舱2，另一端抵接于电机固定壳4上。

释放套管22上端外表面沿圆周方向均布有多个凸起33（本实施例的凸起33为两个），该凸起33安装在电机固定壳4下端开设的凹槽处，约束电机固定壳4在工作过程中的旋转自由度。由于驱动弹簧8的劲度系数较大，在初始状态下，可约束释放套管22在运动方向自由度。释放套管22的上端部加工有阶梯内孔，支撑传动器19。驱动弹簧8的上端套在释放套管22外，抵接于释放套管22的上端。

螺纹杆23可沿轴向相对移动地容置于释放套管22中，该螺纹杆23的上端通过传动器19与带有减速箱17的直流电机16相连、由直流电机16的驱动实现上下升降，螺纹杆23的下端与擒纵套管24的上端连接，该擒纵套管24的下端为供拉锤螺钉9上端插入的空间，空间的两侧为对称设置的具有弹性的擒纵杆32。每侧具有弹性的擒纵杆32的下端均呈“凹”型，该“凹”型的两侧分别为凸块A34及凸块B35，凸块B35为倒圆角的方形结构，在擒纵杆32带动冲击锤同步上升时凸块B35与锁扣25内腔31上方形成的止口抵接。在擒纵套管24嵌入到锁扣25的内腔31的过程中，擒纵套管24的下端行程为与拉锤螺钉9上的轴肩30抵接，故轴肩30对擒纵套管24起导向作用，同时保证在进程或回程中不会出现自动脱扣。擒纵套管24向下的过程中，在轴向力作用下，两侧擒纵杆32末端为倒圆角方形结构的凸块B35与锁扣25发生挤压，将两侧的擒纵杆32沿径向向内压缩，从而使凸块B35嵌入到锁扣25的内腔31中，然后擒纵杆32在自身弹性的作用下复位，凸块A34及凸块B35分别位于锁扣25上端开口的上下两侧，凸块A34的径向最外端位于释放套管22下端内孔孔径之外，擒纵套管24与加工有对应孔的释放套管22配合，将直流电机16的旋转运动转变为擒纵套管24的轴向运动。在擒纵套管24的上端攻有内螺纹孔，与螺纹杆23的下端配合；擒纵套管24的两侧面加工有两个螺纹孔E，在螺纹杆23安装后，通过螺纹杆固定螺钉28进行固定。擒纵杆32的下端运动至与释放套管22的下端接触后，释放套管22的下端与擒纵杆32的下端发生挤压，将两侧的擒纵杆32沿径向向内压缩，使擒纵套管24与锁扣25脱离。同时，驱动弹簧8达到最大压缩量，在弹力作用下，释放冲击锤。

如图1、图6及图7所示，传动器19包括传动轴20、配重块6、一个端部轴承7及两个传动轴轴承21，该配重块6套设在传动轴20外部，传动轴20的上下两端分别由配重块6穿出，并分别通过传动轴轴承21与电机固定壳4转动连接；传动轴轴承21支撑传动轴，减小转动时的摩擦力，降低能量损失。配重块6装在两个传动轴轴承21之间，通过调整配重块6的质量来实现目标运动效果。传动轴20的下端部通过端部轴承7与释放套管22上端转动连接，端部轴承7安装在释放套管22上端开设的阶梯内孔中，避免运动干涉。传动轴20攻有内螺纹孔，螺纹杆23与该内螺纹孔配合（螺纹连接）实现在传动轴20内轴向运动，进而实现擒纵套管24及冲击锤沿轴向的直线运动。传动轴20的上端部加工有与直流电机轴配合的电机轴孔36，供直流电机16的电机轴插入，侧面开有螺纹孔B37，安装电机固定螺钉27实现直流电机16与传动轴20的连接。流电机16与减速箱17固连在一起，在减速箱17与传动轴20之间设有电机固定台5。该电机固定台5设有两个光孔A，减速箱17通过插入光孔A中的螺钉18与电机固定台5固接；电机固定台5的侧面分别沿径向设有两个螺纹孔C及一个光孔B，传动轴20上端插入电机固定台5内，通过依次插入光孔B、螺纹孔B37的紧定螺钉与直流电机16的电机轴相连，电机固定螺钉27由螺纹孔C插入，将电机固定壳4与电机固定台5连接在一起，约束电机固定壳4旋转。

本发明的质量块可相对于外壳沿轴向运动。

本发明的工作原理为：

直流电机16正转，驱动传动轴20旋转，带动螺纹杆23及擒纵套管24向下运动，具有弹性的擒纵杆32与锁扣25发生接触挤压，并嵌入锁扣25的内腔31中，擒住冲击锤。此时，直流电机16反转，擒纵套管24拉着冲击锤向上运动，并压缩驱动弹簧8。当擒纵套管24与释放套管22发生挤压时，驱动弹簧8达到最大压缩量，在释放套管22的作用下，擒纵套管24与锁扣25发生脱扣。在驱动弹簧8的弹力作用下，冲击锤向下运动，质量块向上运动，由于质量块质量是其他部分的数倍，具有大的惯性，且尾部装有制动弹簧14，故向上运动量较小，此方向运动量可以忽略。冲击锤在驱动弹簧8的弹力作用下，与外壳发生碰撞，在大峰值瞬态冲击力作用下，整体向下运动。同时，由于质量块向上有一定运动量，在自身重力作用下，向下运动，通过挡片3与外壳发生二次碰撞，增大在数值方向运动量，效果更佳。

Claims (10)

1.一种撞击式穿入器，其特征在于：包括外壳及位于该外壳内的冲击锤和质量块，其中冲击锤包括驱动弹簧（8）、拉锤螺钉（9）、锁扣（25）及冲击块（10），该拉锤螺钉（9）与锁扣（25）均容置于冲击块（10）内，所述拉锤螺钉（9）的下端穿过锁扣（25）并与冲击块（10）相连，所述锁扣（25）通过该拉锤螺钉（9）与冲击块（10）连动，所述驱动弹簧（8）的下端插入冲击块（10）内、并与冲击块（10）的内部相抵接；所述质量块包括电机固定壳（4）、动力源、传动器（19）、释放套管（22）、螺纹杆（23）及擒纵套管（24），该释放套管（22）的上端与电机固定壳（4）的下端连接，所述驱动弹簧（8）的上端套在释放套管（22）外、并抵接于释放套管（22）的上端，所述螺纹杆（23）可沿轴向相对移动地容置于释放套管（22）中，该螺纹杆（23）的上端通过传动器（19）与安装在电机固定壳（4）内的所述动力源相连、由动力源的驱动实现上下升降，所述螺纹杆（23）的下端与所述擒纵套管（24）的上端连接，该擒纵套管（24）的下端为供所述拉锤螺钉（9）上端插入的空间，所述空间的两侧为对称设置的具有弹性的擒纵杆（32），所述擒纵套管（24）由螺纹杆（23）带动升降，具有弹性的所述擒纵杆（32）在下降过程中插入锁扣（25）内，并在上升过程中带动所述冲击锤同步上升并压缩驱动弹簧（8），所述擒纵杆（32）在升至与释放套管（22）接触并受挤压后与锁扣（25）脱离，所述冲击锤在驱动弹簧（8）的弹力作用下向下运动撞击外壳。

2.按权利要求1所述的撞击式穿入器，其特征在于：所述电机固定壳（4）的上端安装有挡片（3）及防松螺母（13），该挡片（3）及防松螺母（13）位于外壳内设的一阻挡部上方，在电机固定壳（4）的上端套设有制动弹簧（14），该制动弹簧（14）的一端抵接于所述阻挡部，另一端抵接于所述电机固定壳（4）上，所述电机固定壳（4）与外壳可沿轴向相对移动，通过所述挡片（3）与外壳内的阻挡部实现二次撞击。

3.按权利要求2所述的撞击式穿入器，其特征在于：所述外壳包括依次相连的尾部端盖（11）、末端载荷舱（2）、碳纤维管（15）及首端钻头（26），该末端载荷舱（2）的下端即为所述阻挡部，所述电机固定壳（4）的上端由末端载荷舱（2）的下端穿出，安装所述挡片（3）及防松螺母（13）；所述末端载荷舱（2）内安装有实验设备（12），该实验设备（12）的电线通过所述电机固定壳（4）上端开设的通孔穿过，并与所述动力源电连接。

4.按权利要求3所述的撞击式穿入器，其特征在于：所述首端钻头（26）的内孔轮廓与冲击块（10）的外轮廓一致，均为上部圆柱、下部锥台，所述首端钻头（26）与冲击块（10）之间为间隙配合。

5.按权利要求1所述的撞击式穿入器，其特征在于：所述冲击块（10）内设阶梯孔，该阶梯孔底部为螺纹孔A（29），所述拉锤螺钉（9）的下端制有与该螺纹孔A（29）螺纹连接的螺纹，在螺纹收尾处设有将所述锁扣（25）与冲击块（10）固定在一起的轴肩（30）。

6.按权利要求5所述的撞击式穿入器，其特征在于：所述锁扣（25）为带有内腔（31）的回转体、两端均开口，所述内腔（31）为沿径向向外开设，所述轴肩（30）抵接于锁扣（25）下端开口的止口处。

7.按权利要求1所述的撞击式穿入器，其特征在于：每侧具有弹性的所述擒纵杆（32）的下端均呈“凹”型，该“凹”型的两侧分别为凸块A（34）及凸块B（35），所述凸块B（35）为倒圆角的方形结构，在所述擒纵杆（32）带动冲击锤同步上升时凸块B（35）与锁扣（25）抵接。

8.按权利要求1所述的撞击式穿入器，其特征在于：所述释放套管（22）上端外表面沿圆周方向均布有多个凸起（33），该凸起（33）安装在电机固定壳（4）下端开设的凹槽处，所述释放套管（22）的上端设有支撑传动器（19）的阶梯内孔，所述擒纵杆（32）的下端运动至与释放套管（22）的下端接触后通过该释放套管（22）的挤压与锁扣（25）脱离。

9.按权利要求1所述的撞击式穿入器，其特征在于：所述传动器（19）包括传动轴（20）、配重块（6）、端部轴承（7）及传动轴轴承（21），该配重块（6）套设在传动轴（20）外部，所述传动轴（20）的上下两端分别由配重块（6）穿出，并分别通过传动轴轴承（21）与电机固定壳（4）转动连接，所述传动轴（20）的下端部通过端部轴承（7）与释放套管（22）转动连接；所述传动轴（20）开有内螺纹孔，所述螺纹杆（23）通过与该内螺纹孔螺纹连接实现在传动轴（20）内升降。

10.按权利要求9所述的撞击式穿入器，其特征在于：所述传动轴（20）的上端部开有供动力源输出轴插入的电机轴孔（36），侧面开有螺纹孔B（37）；所述动力源为装有减速箱（17）的直流电机（16），在减速箱（17）与传动轴（20）之间设有电机固定台（5），该电机固定台（5）设有光孔A，所述减速箱（17）通过插入光孔A中的螺钉（18）与电机固定台（5）连接，所述电机固定台（5）的侧面分别设有螺纹孔C及光孔B，传动轴（20）上端插入电机固定台（5）内，通过依次插入光孔B、螺纹孔B（37）的紧定螺钉与直流电机（16）的电机轴相连，所述螺纹孔C通过电机固定螺钉（27）与电机固定壳（4）连接。