CN111122225A - 基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行星采样器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行星采样器,包括对称布置在机架两侧的超声波钻一和超声波钻二,超声波钻一和超声波钻二的钻进轨迹相贯设置,超声波钻一设置在外壳一内,超声波钻二设置在外壳二内,外壳一和外壳二交叉设置,超声波钻一和超声波钻二的顶部分别固定设有一个电机,每个电机的输出轴都连接一个丝杠,两个丝杠的另一端分别穿过固定在各自外壳顶部一丝母设置,超声波钻一包括压电换能器一、壳体一、恢复弹簧一和取芯钻杆,超声波钻二包括实心钻杆、恢复弹簧二、压电换能器二和壳体二。本发明采用具有低钻压高效能的超声波钻进,基于交叉式钻进取芯方式实现小行星采样。
Description
技术领域
本发明属于星球采样技术领域,尤其是涉及一种基于交叉式超声波钻进 取芯方式的小行星采样器。
背景技术
小行星探测是当前深空探测的热点领域之一,对研究太阳系的起源和太 空资源的开发具有深远的意义。对于小行星探测最直接的方法就是采集星壤 进行分析,为此各种采样方式层出不穷,如掠飞捕获、弹射撞击收集、螺旋 钻取、气体激励、岩心管刺入。这些采样方式具有通性。然而航天探测设备 成本非常之高再加上小行星具有微引力、地质情况复杂、表面低温、真空环 境等特点,这就对采样器提出低反作用力、轻小型化、低能高效破岩等要求。
发明内容
有鉴于此,本发明旨在提出一种基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行 星采样器,采用具有低钻压高效能的超声波钻进,基于交叉式钻进取芯方式 实现小行星采样。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行星采样器,包括对称布置在 机架两侧的超声波钻一和超声波钻二,所述的超声波钻一和超声波钻二的钻 进轨迹相贯设置,所述的超声波钻一设置在外壳一内,所述的超声波钻二设 置在外壳二内,所述的外壳一和外壳二交叉设置,超声波钻一顶部固定设有 电机一,所述的电机一的输出轴连接丝杠一的一端,所述的丝杠一的另一端 穿过固定在外壳一顶部的丝母一设置,所述的超声波钻二顶部固定设有电机 二,所述的电机二的输出轴连接丝杠二的一端,所述的丝杠二的另一端穿过固定在外壳二顶部的丝母二设置;
所述的超声波钻一包括压电换能器一、壳体一、恢复弹簧一和取芯钻杆, 所述的压电换能器一固定在壳体一的一端,所述的压电换能器一的输出端穿 入壳体一的一端,所述的取芯钻杆包括一体设置的钻杆基轴和空心钻杆,所 述的钻杆基轴穿入壳体一的另一端与压电换能器一的输出端连接,所述的空 心钻杆内部设有抱紧簧片,在壳体一内部的钻杆基轴上套设恢复弹簧一;
所述的超声波钻二包括实心钻杆、恢复弹簧二、压电换能器二和壳体二, 所述的压电换能器二固定在壳体二内,所述的实心钻杆的一端穿入壳体二内 与压电换能器二的输出端连接,在壳体二内部的实心钻杆部分套设恢复弹簧 二。
进一步的,在所述的壳体一底部固定设有滑块一,在所述外壳一的内壁 设有导轨一,所述的滑块一与导轨一配合。
进一步的,在所述的壳体二底部固定设有滑块二,在所述外壳二的内壁 设有导轨二,所述的滑块二与导轨二配合。
进一步的,所述压电换能器一包括后盖板、压电陶瓷叠堆和变幅杆,所 述的压电陶瓷叠堆设置在后盖板和变幅杆之间,所述的变幅杆为上宽下窄的 空心杆体,所述的变幅杆的宽段穿入后盖板的空腔内并将压电陶瓷叠堆压紧 在后盖板上,所述的变幅杆的窄段穿入壳体一内与取芯钻杆连接。
进一步的,所述恢复弹簧一的一侧紧压取芯钻杆使其与压电换能器一的 输出端贴合,另一侧紧贴壳体一内壁。
进一步的,所述恢复弹簧二的一侧紧压实心钻杆使其与压电换能器二的 输出端贴合,另一侧紧贴壳体二内壁。
相对于现有技术,本发明所述的基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行 星采样器具有以下优势:
本发明所述的基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行星采样器,①采用 具有低钻压高效能的超声波钻进,基于交叉式钻进取芯方式实现小行星采 样;②采用双超声波钻对称布置,一个用以取芯,另一个辅助断芯。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的 示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在 附图中:
图1为本发明实施例所述的基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行星采 样器的结构示意图;
图2为超声波钻一的结构示意图;
图3为超声波钻二的结构示意图;
图4为交叉断芯的示意图。
附图标记说明:
1-丝杠一,2-丝母一,3-电机一,4-超声波钻一,4-1-压电换能器一, 4-1-1-后盖板,4-1-2-压电陶瓷叠堆,4-1-3-变幅杆,4-2-壳体一,4-3-恢 复弹簧一,4-4-取芯钻杆,4-5-抱紧簧片,5-滑块一,6-导轨一,7-外壳一, 8-丝杠二,9-丝母二,10-电机二,11-超声波钻二,11-1-实心钻杆,11-2- 恢复弹簧二,11-3-压电换能器二,11-4-壳体二,12-滑块二,13-导轨二, 14-外壳二,15-机架,16-钻孔,17-样品。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特 征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图4所示,基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行星采样器,包 括对称布置在机架15两侧的超声波钻一4和超声波钻二11,所述的超声波 钻一4和超声波钻二11的钻进轨迹相贯设置,所述的超声波钻一4设置在 外壳一7内,所述的超声波钻二11设置在外壳二14内,所述的外壳一7和 外壳二14交叉设置,所述的超声波钻一4顶部固定设有电机一3,所述的电 机一3的输出轴连接丝杠一1的一端,所述的丝杠一1的另一端穿过固定在 外壳一6顶部的丝母一2设置,所述的超声波钻二11顶部固定设有电机二 10,所述的电机二10的输出轴连接丝杠二8的一端,所述的丝杠二8的另 一端穿过固定在外壳二14顶部的丝母二9设置;
所述的超声波钻一4包括压电换能器一4-1、壳体一4-2、恢复弹簧一 4-3和取芯钻杆4-4,所述的压电换能器一4-1固定在壳体一4-2的一端, 所述的压电换能器一4-1的输出端穿入壳体一4-2的一端,所述的取芯钻杆 4-4包括一体设置的钻杆基轴和空心钻杆,所述的钻杆基轴穿入壳体一4-2 的另一端与压电换能器一4-1的输出端连接,所述的空心钻杆内部设有抱紧 簧片4-5,在壳体一4-2内部的钻杆基轴上套设恢复弹簧一4-3;
所述的超声波钻二11包括实心钻杆11-1、恢复弹簧二11-2、压电换能 器二11-3和壳体二11-4,所述的压电换能器二11-3固定在壳体二11-4内, 所述的实心钻杆11-1的一端穿入壳体二11-4内与压电换能器二11-3的输 出端连接,在壳体二11-4内部的实心钻杆11-1部分套设恢复弹簧二11-2。
在壳体一4-2底部固定设有滑块一5,在所述外壳一7的内壁设有导轨 一6,所述的滑块一5与导轨一6配合,超声波钻一4在导轨一6和滑块一 5的约束下沿直线倾斜钻入小行星表面;
在壳体二11-4底部固定设有滑块二12,在所述外壳二14的内壁设有导 轨二13,所述的滑块二12与导轨二13配合,超声波钻二11在导轨二13 和滑块二12的约束下沿直线倾斜钻入小行星表面;此设置有利于采样断芯。
压电换能器一4-1包括后盖板4-1-1、压电陶瓷叠堆4-1-2和变幅杆 4-1-3,所述的压电陶瓷叠堆4-1-2设置在后盖板4-1-1和变幅杆4-1-3之 间,所述的变幅杆4-1-3为上宽下窄的空心杆体,所述的变幅杆4-1-3的宽 段穿入后盖板4-1-1的空腔内并将压电陶瓷叠堆4-1-2压紧在后盖板4-1-1 上,所述的变幅杆4-1-3的窄段穿入壳体一4-2内与取芯钻杆4-4连接,相 比采用电磁回转冲击钻,超声波钻具有低反作用力、轻小型化、低能高效破 岩的特点。
恢复弹簧一4-3的一侧紧压取芯钻杆4-4使其与压电换能器一4-1的输 出端贴合,另一侧紧贴壳体一4-2内壁。
恢复弹簧二11-2的一侧紧压实心钻杆11-1使其与压电换能器二11-3 的输出端贴合,另一侧紧贴壳体二11-2内壁。
本采样器的工作原理为:
当外壳一7和外壳二14的底面贴合在小行星表面上时,电机二10接入 电源驱动丝杠二8回转,利用丝母二9的反作用力,为超声波钻二11提供 钻压力,同时,压电换能器二11-3通入高频正弦交流电压产生高频纵向振 动,驱动实心钻杆11-1高频纵向振动,在滑块二12和导轨二13的导向约 束下,实心钻杆11-1的纵向高频振动破碎岩石快速沿直线钻入小行星表面, 当钻进一定深度后,超声波钻二11停止工作,小行星表面形成钻孔16,在 电机二10的作用下实心钻杆11-1退出小行星,然后电机一3接入电源驱动 丝杠一1回转,利用丝母一2的反作用力,为超声波钻二4提供钻压力,同 时,压电换能器一4-1通入高频正弦交流电压产生高频纵向振动,驱动取芯 钻杆4-4高频纵向振动,在滑块一5和导轨一6的导向约束下,取芯钻杆4-4 的纵向高频振动破碎岩石快速沿直线钻入小行星表面,由于超声波钻二11 和超声波钻一4的钻进轨迹相贯,从而实现断芯,取芯钻杆4-4获取样品17, 超声波钻一4在电机一3的作用下退出小行星完成取芯任务。
当压电换能器一4-1接入高频电压时,压电陶瓷叠堆4-1-2通电后产生 高频纵向振动,变幅杆4-1-3将纵向振动放大后传递给取芯钻杆4-4,驱动 取芯钻杆4-4实现高频冲击运动。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本 发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在 本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行星采样器,其特征在于:包括对称布置在机架(15)两侧的超声波钻一(4)和超声波钻二(11),所述的超声波钻一(4)和超声波钻二(11)的钻进轨迹相贯设置,所述的超声波钻一(4)设置在外壳一(7)内,所述的超声波钻二(11)设置在外壳二(14)内,所述的外壳一(7)和外壳二(14)交叉设置,所述的超声波钻一(4)顶部固定设有电机一(3),所述的电机一(3)的输出轴连接丝杠一(1)的一端,所述的丝杠一(1)的另一端穿过固定在外壳一(6)顶部的丝母一(2)设置,所述的超声波钻二(11)顶部固定设有电机二(10),所述的电机二(10)的输出轴连接丝杠二(8)的一端,所述的丝杠二(8)的另一端穿过固定在外壳二(14)顶部的丝母二(9)设置;
所述的超声波钻一(4)包括压电换能器一(4-1)、壳体一(4-2)、恢复弹簧一(4-3)和取芯钻杆(4-4),所述的压电换能器一(4-1)固定在壳体一(4-2)的一端,所述的压电换能器一(4-1)的输出端穿入壳体一(4-2)的一端,所述的取芯钻杆(4-4)包括一体设置的钻杆基轴和空心钻杆,所述的钻杆基轴穿入壳体一(4-2)的另一端与压电换能器一(4-1)的输出端连接,所述的空心钻杆内部设有抱紧簧片(4-5),在壳体一(4-2)内部的钻杆基轴上套设恢复弹簧一(4-3);
所述的超声波钻二(11)包括实心钻杆(11-1)、恢复弹簧二(11-2)、压电换能器二(11-3)和壳体二(11-4),所述的压电换能器二(11-3)固定在壳体二(11-4)内,所述的实心钻杆(11-1)的一端穿入壳体二(11-4)内与压电换能器二(11-3)的输出端连接,在壳体二(11-4)内部的实心钻杆(11-1)部分套设恢复弹簧二(11-2)。
2.根据权利要求1所述的基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行星采样器,其特征在于:在所述的壳体一(4-2)底部固定设有滑块一(5),在所述外壳一(7)的内壁设有导轨一(6),所述的滑块一(5)与导轨一(6)配合。
3.根据权利要求2所述的基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行星采样器,其特征在于:在所述的壳体二(11-4)底部固定设有滑块二(12),在所述外壳二(14)的内壁设有导轨二(13),所述的滑块二(12)与导轨二(13)配合。
4.根据权利要求1或3所述的基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行星采样器,其特征在于:所述压电换能器一(4-1)包括后盖板(4-1-1)、压电陶瓷叠堆(4-1-2)和变幅杆(4-1-3),所述的压电陶瓷叠堆(4-1-2)设置在后盖板(4-1-1)和变幅杆(4-1-3)之间,所述的变幅杆(4-1-3)为上宽下窄的空心杆体,所述的变幅杆(4-1-3)的宽段穿入后盖板(4-1-1)的空腔内并将压电陶瓷叠堆(4-1-2)压紧在后盖板(4-1-1)上,所述的变幅杆(4-1-3)的窄段穿入壳体一(4-2)内与取芯钻杆(4-4)连接。
5.根据权利要求4所述的基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行星采样器,其特征在于:所述恢复弹簧一(4-3)的一侧紧压取芯钻杆(4-4)使其与压电换能器一(4-1)的输出端贴合,另一侧紧贴壳体一(4-2)内壁。
6.根据权利要求5所述的基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行星采样器,其特征在于:所述恢复弹簧二(11-2)的一侧紧压实心钻杆(11-1)使其与压电换能器二(11-3)的输出端贴合,另一侧紧贴壳体二(11-2)内壁。
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