CN111122225B - 基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行星采样器 - Google Patents

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

基于交叉式超声波钻进取芯方式的小行星采样器

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(7 )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(11-4 )内壁。

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