CN110907216B - 一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构 - Google Patents

Abstract

一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，涉及深空采样探测领域。根据地外星体环境特点及冻土类地外星壤分布特点，结合地外星壤采样探测需求，提出一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构。该方案需搭载在探测器主体上，主要包括定芯机构、断芯机构、双向丝杠、钻杆、钻头、断芯机构导向套等，在两个外部电机的驱动下，通过钻头和钻杆实现地外星壤的钻进动作；通过定芯机构及断芯机构间的设计及运动参数的匹配实现对冻土类地外星壤的定点取芯、剪切断芯、原位转移、样品吐芯动作；通过探测器的转移，实现不同采样点的多点多次采样等功能。目前，该方案已通过冻土类地外星壤模拟试验验证，采样效果良好。

Description

一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构

技术领域

本发明涉及一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，属于冻土类地外星壤多点多次采样技术领域。

背景技术

在深空探索的进程中，对地外天体的探测目标已转向为“追溯生命起源、完善天体认识、打造未来家园”，水资源对于研究生命起源以及人类未来开发深空资源具有越来越重要的意义，因此对地外天体水资源的探测受到各国广泛关注，而地外天体中水资源主要以冻土的形式存在。针对地外天体冻土类地外星壤的采样技术研究，对我国月球和火星探测、空间资源就位利用、载人登月登火计划、建立驻月驻火基地具有极其重要的科学意义和工程价值。

冻土类地外星壤多点多次采样执行机构应用于含水类地外星壤，且可实现定点取芯、多点多次作业，可应用于地质勘查、取样及资源的原位利用的任务中。我国现有的地外星壤采样执行机构只适用于无水星壤，不可进行定点取芯，且只能执行单点单次采样作业。

综上可知，传统地外星壤采样执行机构无法适应冻土类地外星壤多点多次采样任务的需求，需设计一种新型的采样执行机构以适应后续深空探测领域的任务需求。

发明内容

本发明解决的技术问题为：现有技术不足，提供一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，采用特殊构型的钻头设计，降低钻进过程中的温升，配合一定的钻进参数，以保证冻土类样品的原位信息；采用双向丝杠、插针、断芯机构导向套等多功能集成设计，实现定点取芯、断芯、吐芯及多点多次作业功能，以实现轻量化。

本发明解决的技术方案为：一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，包括：钻杆(12)、断芯机构(2)、双向丝杠(4)、定芯机构(6)、断芯机构导向套(8)、定芯杆(10)、钻头(11)、插针(9)；

钻杆(12)、断芯机构(2)与定芯机构(6)均通过双向丝杠(4)连接，断芯机构(2)安装在钻杆(12)内，断芯机构(2)能够在钻杆(12)内线性运动；定芯机构(6)安装在断芯机构(2)内，定芯机构(6)能够在断芯机构(2)内线性运动；

断芯机构(2)的一端设置插针(9)，另一端连接在双向丝杠(4)上；

断芯机构导向套(8)设有能够穿过插针(9)的导向孔；断芯机构导向套(8)安装在钻杆(12)一端内；钻头(11)通过螺纹与钻杆(12)一端固连。

优选的，初始状态时，定芯机构(6)位于钻头(11)处。

优选的，钻进过程中，外部电机1带动钻杆(12)和钻头(11)共同旋转钻进，穿过有效样品覆盖层钻进至有效样品后，开始取芯动作；外部电机2带动双向丝杠(4)正向旋转，驱动定芯机构(6)向钻杆(12)另一端运动，同时驱动断芯机构(2)向钻杆(12)的一端运动；随着钻头(11)向下钻进，有效样品进入断芯机构导向套(8)内；进入断芯机构导向套(8)的有效样品为柱状。

优选的，定芯机构(6)运动到设定的上止位的同时，断芯机构(2)运动到设定的下止位；插针(9)通过断芯机构导向套(8)的导向孔后，与柱状的有效样品发生接触，随着钻杆(12)的回转，插针(9)对柱状有效样品进行剪切，实现断芯，断芯后外部电机1与外部电机2停止转动。

优选的，钻杆(12)拔出有效样品覆盖层后，外部电机2带动双向丝杠(4)反向旋转，驱动定芯机构(6)向钻杆(12)一端运动，同时驱动断芯机构(2)向钻杆(12)的另一端运动；将有效样品转移出钻杆(12)外，实现定点取芯。

优选的，定芯机构(6)，包括：轴承、定芯杆(10)；定芯杆(10)的一端通过轴承与双向丝杠(4)连接。

优选的，初始状态时，定芯杆(10)的另一端与钻头平齐；定芯杆(10)的另一端与钻头(11)配合，实现钻杆(12)封闭。

优选的，钻进过程中，外部电机1带动钻杆(12)和钻头(11)共同旋转钻进，穿过有效样品覆盖层时，定芯杆(10)阻止覆盖层的样品进入钻杆(12)内的断芯机构导向套(8)；钻进至有效样品后，开始取芯动作，外部电机2带动双向丝杠(4)正向旋转，驱动定芯机构(6)向钻杆(12)另一端运动，同时驱动断芯机构(2)向钻杆(12)的一端运动；随着钻头(11)向下钻进，有效样品进入断芯机构导向套(8)内；进入断芯机构导向套(8)的有效样品为柱状；

优选的，定芯机构(6)运动到设定的上止位的同时，断芯机构(2)运动到设定的下止位；插针(9)通过断芯机构导向套(8)的导向孔后，与柱状的有效样品发生接触，随着钻杆(12)的回转，插针(9)对柱状有效样品进行剪切，实现断芯，断芯后外部电机1与外部电机2停止转动。

优选的，钻杆(12)拔出有效样品覆盖层后，外部电机2带动双向丝杠(4)反向旋转，驱动定芯机构(6)的定芯杆(10)向钻杆(12)一端运动，同时驱动断芯机构(2)向钻杆(12)的另一端运动；将有效样品转移出钻杆(12)外，实现定点取芯。

优选的，断芯机构(2)，包括：轴承、插针座、插针；插针座为中空圆柱状，一端通过轴承与双向丝杠(4)连接，另一端与插针连接；

优选的，钻杆(12)为中空圆柱状，一端与钻头连接，另一端固定在外部电机1上，外壁上设有螺旋翼；

优选的，双向丝杠(4)，包括：连接块、正向丝杠和反向丝杠，正向丝杠一端装在连接块上，另一端安装在外部电机2上；反向丝杠一端装在连接块上，另一端为自由端；正向丝杠与断芯机构(2)连接；反向丝杠与定芯机构(6)连接。

优选的，断芯机构导向套(8)为中空圆柱形，在断芯机构导向套(8)上设置多个导向孔；导向孔分为直线段和弧线段；直线段的中轴线与钻杆(12)的中轴线平行；弧线段的一端与直线段相连，弧线段的另一端与断芯机构导向套(8)的内壁连通，插针从导向孔的直线段进入，从弧线段伸出，与柱状的有效样品发生接触，随着钻头(11)继续钻进，插针(9)对柱状有效样品进行剪切，实现断芯。断芯机构导向套(8)的内壁能够穿过定芯机构(6)的定芯杆(10)；

优选的，插针(9)为弹性体，能够通过断芯机构导向套(8)的导向孔的直线段和弧线段。

优选的，钻头(11)一端与钻杆(12)一端连接，钻头(11)另一端设置三个薄壁切屑刃；钻头(11)为中空结构，中空部分能够穿过定芯机构(6)的定芯杆(10)；

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明为一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，利用钻头和钻具进行螺旋钻进，利用双向丝杠、插针、断芯机构导向套等实现定点取芯、剪切断芯、原位转移、样品吐芯作业。本机构适用于深空探测技术领域，可应用于月球极区、火星等冻土类星壤的采样作业。

(2)本发明的执行机构通过探测器的位置转移，可实现多次作业。

(3)本发明的执行机构均选用金属材料设计，以适应真空、低温及空间环境辐照要求。

(4)本发明通过多功能集成设计，实现航天产品轻量化设计要求。

附图说明

图1为本发明冻土类地外星壤多点多次采样执行机构原理图。

图2为本发明执行机构作业过程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，涉及深空采样探测领域。根据地外星体环境特点及冻土类地外星壤分布特点，结合地外星壤采样探测需求，提出一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构。该方案需搭载在探测器主体上，主要包括定芯机构、断芯机构、双向丝杠、钻杆、钻头、断芯机构导向套等，在两个外部电机的驱动下，通过钻头和钻杆实现地外星壤的钻进动作；通过定芯机构及断芯机构间的设计及运动参数的匹配实现对冻土类地外星壤的定点取芯、剪切断芯、原位转移、样品吐芯动作；通过探测器的转移，实现不同采样点的多点多次采样等功能。目前，该方案已通过冻土类地外星壤模拟试验验证，采样效果良好。

水元素的探测与利用是未来深空探测的重要任务内容，对研究太阳系演化、生命起源和地外天体资源利用具有重要作用。地外天体水的赋存形式可能为冰与星壤结合的冻土混合态，也可能是以水冰或结合水的形式存在。星体表层为无水星壤或星岩，一定深度下埋藏有冻土、纯冰或水合物，采样机具在同一采样剖面要先通过无水星壤/星岩即有效样品覆盖层，之后面临冻土类星壤壤、水冰、水合物等对象。冻土类地外星壤多点多次采样执行机构应用于空间环境，因此机构需适应真空、低温、空间辐照等苛刻的工作环境；同时需进行多功能集成，以实现轻量化设计，适应空间机构的要求。

如图1所示，本发明的一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，包括：钻杆(12)、断芯机构(2)、双向丝杠(4)、定芯机构(6)、断芯机构导向套(8)、定芯杆(10)、钻头(11)、插针(9)；钻杆(12)、断芯机构(2)与定芯机构(6)均通过双向丝杠(4)连接，断芯机构(2)安装在钻杆(12)内，断芯机构(2)能够在钻杆(12)内线性运动；定芯机构(6)安装在断芯机构(2)内，定芯机构(6)能够在断芯机构(2)内线性运动；断芯机构(2)的一端设置插针(9)，另一端连接在双向丝杠(4)上；断芯机构导向套(8)设有能够穿过插针(9)的导向孔；断芯机构导向套(8)安装在钻杆(12)一端内；钻头(11)通过螺纹与钻杆(12)一端固连。如图1所示，(1)表示断芯机构上止位，(2)表示断芯机构，(3)表示断芯机构下止位，(4)表示双向丝杠，(5)表示定芯机构上止位，(6)表示定芯机构，(7)表示断芯杆，(8)表示断芯机构导向套，(9)表示插针，(10)表示定芯杆，(11)表示钻头，(12)表示钻杆。

如图2所示为本发明执行机构作业过程图，初始状态时，定芯机构(6)位于钻头(11)处，定芯杆(10)的另一端与钻头平齐，钻头(11)另一端设置三个薄壁切屑刃；钻头(11)为中空结构，中空部分能够穿过定芯机构(6)的定芯杆(10)；定芯杆(10)的另一端与钻头(11)配合，实现钻杆(12)封闭。，如图2中的(1)所示。钻进过程中，外部电机1带动钻杆(12)和钻头(11)共同旋转钻进，穿过有效样品覆盖层时，定芯杆(10)阻止覆盖层的样品进入钻杆(12)内的断芯机构导向套(8)，穿过有效样品覆盖层后，开始取芯动作；外部电机2带动双向丝杠(4)正向旋转，驱动定芯机构(6)向钻杆(12)另一端运动，同时驱动断芯机构(2)向钻杆(12)的一端运动；随着钻头(11)向下钻进，有效样品进入断芯机构导向套(8)内；进入断芯机构导向套(8)的有效样品为柱状。定芯机构(6)运动到设定的上止位，如图1(5)，断芯机构(2)运动到设定的下止位，如图1(3)；插针(9)通过断芯机构导向套(8)的导向孔后，与柱状的有效样品发生接触，随着钻杆(12)的回转，插针(9)对柱状有效样品进行剪切，实现断芯，断芯后外部电机1与外部电机2停止转动，如图2中的(2)所示。钻杆(12)拔出有效样品覆盖层后，外部电机2带动双向丝杠(4)反向旋转，驱动定芯机构(6)向钻杆(12)一端运动，同时驱动断芯机构(2)向钻杆(12)的另一端运动；将有效样品转移出钻杆(12)外，实现定点取芯，如图2中的(3)所示。钻杆(12)拔出有效样品覆盖层后，外部电机2带动双向丝杠(4)反向旋转，驱动定芯机构(6)的定芯杆(10)向钻杆(12)一端运动，同时驱动断芯机构(2)运动至上止位，如图1(1)；将有效样品转移出钻杆(12)外，实现定点取芯。

本发明采用钻头与钻杆螺旋钻进的的方案，在外部电机1的作用下，对冻土类星壤进行切削和破碎；为了降低钻进过程中的温升，设计一种三刃、小切削面的薄壁螺旋钻头，以减小切削过程中的生热，同时配合低速慢进的钻进规程，实现钻进过程中冻土类地外星壤原位信息的保持。

本发明采用双向丝杠、定芯机构、断芯机构集成设计的方法实现对冻土类星壤的定点取芯、剪切断芯、原位转移、样品吐芯。当钻头突破有效样品覆盖层钻进到冻土类星壤后，开始执行定点取芯动作。在双向丝杠的带动下，定芯机构向上止位运动，断芯机构向下止位运动。运动过程中，断芯机构的插针沿着断芯机构导向套的导向孔运动。接触到柱状有效样品后，随着钻杆的旋转，插针对有效样品进行剪切断芯，使得局部强度减弱，实现断芯。双向丝杠反转，实现对有效样品的吐芯，单次采样动作完成。

本发明的钻头优选方案，如下：

由于冻土类地外星壤钻进过程中需以控制相变为首要因素，因此件11(钻头)的设计需考虑生热、传热等多方面的因素。根据件11(钻头)与星壤的作用机理，切削面小，则钻头生热慢；薄壁结构，则散热快。因此设计一种三刃、小切削面的薄壁螺旋钻头。

本发明的定点取芯功能优选方案，如下：

定点取芯功能由件11(钻头)、件4(双向丝杠)、件6(定芯机构)等零部件共同实现。钻进开始时，件11(钻头)对星壤进行切削。钻进到有效样品后，件4(双向丝杠)带动件6(定芯机构)向上运动，实现定点取芯。

1)创新的断芯及吐芯功能设计方案

断芯及吐芯功能由件4(双向丝杠)、件9(插针)、件2(断芯机构)、件8(断芯机构导向套)共同实现。件4(双向丝杠)转动过程中，件10(定芯杆)向上止位运动，件7(断芯杆)向下止位运动。由于件4(双向丝杠)正、反向段具有导程差，因此实现了件10(定芯杆)和件7(断芯杆)间的位移差，而该位移差为取芯提供了空间。运动到位后，件9(插针)插入柱状有效样品，在钻杆转动下对星壤进行剪切。剪切完成后，件4(双向丝杠)反转，实现吐芯。

本发明具有多点多次功能，优选方案如下：

本发明中的采样执行机构在作业过程中，各零件均可回复至原位，且几乎无损伤。因此，通过探测器的移动，该执行机构可实现多点多次采样功能。

本发明的空间适应性强，优选方案如下：

该方案耐真空、低温及空间辐照性能较好，无需施加热控措施；同时，能够适应大量级振动条件，具有较好地空间适应性和可靠性。

本发明中各零件设计参数优选如下：

钻头，基体材质为钢，三个薄臂切削刃材质为硬质合金；

钻杆，材质为铝及碳化硅，螺旋升角为14.5°，旋翼高2mm，外径为35mm；

双向丝杠，材质为钢，牌号为9Cr18，正反向导程比为1:4；

插针，材质为钢，牌号为9Cr18，直径为1.5mm；

定芯杆，材质为钢，外径为9mm，壁厚为1.5mm；

断芯杆，材质为铝合金，内径为15mm，壁厚为1mm；

本发明为实现功能，本发明中各机构配合参数优选方案如下：

定芯机构与断芯机构运动位移比为4:1，双向丝杠旋转过程中可为有效样品提供存储空间，实现取芯功能；

插针与定芯机构导向套内的导向孔间隙为1mm，使得插针通过导向孔弧线段时不会产生卡死；

定芯杆钻头端平面与钻头切削刃安装面平行，以提高钻进有效样品覆盖层时的钻进效率。

本发明研制成功后，对含水量10％的冻土类模拟月壤进行了钻进试验。试验时外部电机转速为100r/m，钻进深度为10cm，获得柱状冻土类月壤样品5cm。

Claims (9)

1.一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，其特征在于包括：钻杆(12)、断芯机构(2)、双向丝杠(4)、定芯机构(6)、断芯机构导向套(8)、定芯杆(10)、钻头(11)、插针(9)；

钻杆(12)、断芯机构(2)与定芯机构(6)均通过双向丝杠(4)连接，断芯机构(2)安装在钻杆(12)内，断芯机构(2)能够在钻杆(12)内线性运动；定芯机构(6)安装在断芯机构(2)内，定芯机构(6)能够在断芯机构(2)内线性运动；

断芯机构(2)的一端设置插针(9)，另一端连接在双向丝杠(4)上；

断芯机构导向套(8)设有能够穿过插针(9)的导向孔；断芯机构导向套(8)安装在钻杆(12)一端内；钻头(11)通过螺纹与钻杆(12)一端固连；

钻进过程中，第一外部电机带动钻杆(12)和钻头(11)共同旋转钻进，穿过有效样品覆盖层钻进至有效样品后，开始取芯动作；第二外部电机带动双向丝杠(4)正向旋转，驱动定芯机构(6)向钻杆(12)另一端运动，同时驱动断芯机构(2)向钻杆(12)的一端运动；随着钻头(11)向下钻进，有效样品进入断芯机构导向套(8)内；进入断芯机构导向套(8)的有效样品为柱状。

2.根据权利要求1所述的一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，其特征在于：初始状态时，定芯机构(6)位于钻头(11)处。

3.根据权利要求1所述的一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，其特征在于：定芯机构(6)运动到设定的上止位的同时，断芯机构(2)运动到设定的下止位；插针(9)通过断芯机构导向套(8)的导向孔后，与柱状的有效样品发生接触，随着钻杆(12)的回转，插针(9)对柱状有效样品进行剪切，实现断芯，断芯后第一外部电机与第二外部电机停止转动。

4.根据权利要求1所述的一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，其特征在于：钻杆(12)拔出有效样品覆盖层后，第二外部电机带动双向丝杠(4)反向旋转，驱动定芯机构(6)向钻杆(12)一端运动，同时驱动断芯机构(2)向钻杆(12)的另一端运动；将有效样品转移出钻杆(12)外，实现定点取芯。

5.根据权利要求1所述的一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，其特征在于：定芯机构(6)，包括：轴承、定芯杆(10)；定芯杆(10)的一端通过轴承与双向丝杠(4)连接。

6.根据权利要求5所述的一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，其特征在于：初始状态时，定芯杆(10)的另一端与钻头平齐；定芯杆(10)的另一端与钻头(11)配合，实现钻杆(12)封闭。

7.根据权利要求5所述的一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，其特征在于：钻进过程中，第一外部电机带动钻杆(12)和钻头(11)共同旋转钻进，穿过有效样品覆盖层时，定芯杆(10)阻止覆盖层的样品进入钻杆(12)内的断芯机构导向套(8)；钻进至有效样品后，开始取芯动作，第二外部电机带动双向丝杠(4)正向旋转，驱动定芯机构(6)向钻杆(12)另一端运动，同时驱动断芯机构(2)向钻杆(12)的一端运动；随着钻头(11)向下钻进，有效样品进入断芯机构导向套(8)内；进入断芯机构导向套(8)的有效样品为柱状。

8.根据权利要求5所述的一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，其特征在于：定芯机构(6)运动到设定的上止位的同时，断芯机构(2)运动到设定的下止位；插针(9)通过断芯机构导向套(8)的导向孔后，与柱状的有效样品发生接触，随着钻杆(12)的回转，插针(9)对柱状有效样品进行剪切，实现断芯，断芯后第一外部电机与第二外部电机停止转动。

9.根据权利要求5所述的一种适用于冻土类地外星壤的多点多次采样执行机构，其特征在于：钻杆(12)拔出有效样品覆盖层后，第二外部电机带动双向丝杠(4)反向旋转，驱动定芯机构(6)的定芯杆(10)向钻杆(12)一端运动，同时驱动断芯机构(2)向钻杆(12)的另一端运动；将有效样品转移出钻杆(12)外，实现定点取芯。

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