CN111911149B - 一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置，包括钻头、钻进外杆、排屑内杆、固定杆、外杆电机和内杆电机，钻头螺纹连接在钻进外杆一端，固定杆同轴可转动的套设在钻进外杆的中空结构内，钻进外杆另一端内安装有外杆电机，外杆电机的转子环设固定在钻进外杆的内侧壁上，外杆电机的定子环设固定在固定杆的外侧壁上；固定杆包括从钻进外杆另一端延伸出的延伸段一，排屑内杆同轴可转动的套设在固定杆的中空结构内并通过钻头与外部环境连通，内杆电机的定子环设固定在延伸段一的内侧壁上，内杆电机的转子环设固定在排屑内杆的外侧壁上。本发明采用仿生技术，使钻杆内外同时排出月壤，降低了钻进阻力的同时，也提升了钻进效率。

Description

一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置
技术领域
本发明涉及月壤采样相关技术领域，具体涉及一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置。
背景技术
深度方向上分布的月壤记录着月球时间维度上的地质信息，为揭示局部地质成因和整个月球演化历史提供重要的证据；相对表面而言，深部的月壤受到宇宙射线等的影响更小，能够最大程度地保存样品的原始状态；因此进行深层采样对月球科学研究的意义十分重要。
但对于月球的深层钻采有较高的难度和技术要求，一方面，月球表面以下月壤/岩层的情况复杂，随着钻进深度的增加，钻具所接触的月壤/岩的粒径、分布，摩擦效应、月壤间的胶合强度，土体的围压等都在发生变化，深层的土体被进一步压实、致密化，需要更高的钻压和扭矩来应对；另一方面，受到低能耗、轻质量、短时长、快操作的条件约束，深层采样钻进难度上升；钻采过程中钻具和土体的摩擦、压实、滑移和输运等的相互作用，不断改变着钻进条件，临界尺寸的颗粒容易引起卡钻或钻压、扭矩异常陡增，钻进过程具有不可预测性；目前，国内缺乏月球深部采样装置的研究，需要开发高适应性和高效率的主动式采样钻进技术。
研磨式钻探设备主要由研磨轮、旋转刷、转动刷、转动支架、蝶形翼和驱动电机组成；研磨轮两端带有金刚石尖齿，通过高速旋转的方式研磨坚硬的岩石，旋转刷和转动刷可及时将研磨产生的岩石屑从工作区域清除；蝶形翼由两个半圆形支架铰接组成，研磨可以使岩石内部未受空间环境辐射的岩心裸露出来；月壤剖面探测器上机械臂末端携带的科学探测仪器就位于裸露出来的岩心处，开始进行在线分析。
研磨式自动采样机构的样品的层理性被破坏，可达到的采样深度有限，不具有样品收集和保存能力，只能实现样品的在线分析，而不是取样返回地球后的实验室分析。
线缆式自主钻探装置由振击器、取芯钻头、锚定装置、电机驱动器(3个)和控制系统组成，电机驱动钻头和锚定装置，压电驱动的振击器提供辅助旋转钻进，锚定装置挤压钻井壁获得向下的摩擦力提供钻进所需的钻压，锚定装置和钻进、振击进行分步式循环配合实现向深部运动。
2010年，美国国家航空航天局(NASA)，在MMUM样机的研究基础上，为InSight任务研制了型号为hp3的Y壤剖面探测器，其样机由DLR负责设计，工作原理采用类似IMS的储能方式，样机整体尺寸以及贯入能力，得到了明显提升。冲击作动式贯入探测，需要依靠搭载在Y壤剖面探测器或辅助装置上，完成原位探测任务，使钻探系统更加复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置，包括钻头、钻进外杆、排屑内杆、固定杆、外杆电机和内杆电机，所述钻头螺纹连接在所述钻进外杆一端，所述固定杆同轴可转动的套设在所述钻进外杆的中空结构内，所述钻进外杆另一端内安装有外杆电机，所述外杆电机的转子环设固定在所述钻进外杆的内侧壁上，所述外杆电机的定子环设固定在所述固定杆的外侧壁上；所述固定杆包括从所述钻进外杆另一端延伸出的延伸段一，所述排屑内杆同轴可转动的套设在所述固定杆的中空结构内并通过钻头与外部环境连通，所述内杆电机的定子环设固定在所述延伸段一的内侧壁上，所述内杆电机的转子环设固定在所述排屑内杆的外侧壁上。
本发明的有益效果是：本发明采用仿生技术，模仿蚯蚓在土壤中的内外同时排土的运动模式，使钻杆内外同时排出月壤，降低了钻进阻力的同时，也提升了钻进效率，使月壤的钻进摆脱了钻杆长度的限制，提升了月球钻进的深度；本发明的钻进装置整体进入月壤后，无需施加外力，仅凭借顶部月壤压力即可维持钻进，克服了月球微重力的影响；本发明只需在钻头完全进入月壤前提供钻压补偿，钻头完全进入月壤后可凭借月壤压力自主潜进，无需施加外力人为干预钻进运动，这种半自动潜进方式最大程度上的节省了航天员的月面工作时间，提高了其月面工作效率。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述固定杆外侧壁分别通过轴承与钻头和钻进外杆转动连接，所述固定杆内侧壁通过轴承与排屑内杆连接。
进一步，所述延伸段一外周侧与钻进外杆外周侧相适配，所述延伸段一通过阶梯状结构连接在固定杆上，所述阶梯状结构的拐角处分别设有将固定杆与钻进外杆连接的轴承一以及将固定杆与排屑内杆连接的轴承二。
采用上述进一步方案的有益效果是：延伸段一与固定杆的结构形式，方便固定杆分别与钻进内杆和钻进外杆的转动连接，也使延伸段一与钻进外杆整体协调性更好，方便钻进。
进一步，所述固定杆还包括从钻进外杆一端延伸出的延伸段二，所述延伸段二位于所述钻头内。
采用上述进一步方案的有益效果是：使延伸段二位于钻头内，方便钻头钻进过程中，月壤排放到排屑内杆内。
进一步，还包括密封端盖，所述密封端盖一端与固定杆螺纹连接，所述密封端盖另一端通过轴承连接在所述排屑内杆上。
采用上述进一步方案的有益效果是：密封端盖的设置使装置整体密封性更好。
进一步，还包括尾部接头，所述尾部接头通过螺纹与密封端盖连接，所述密封端盖上开设有将尾部接头与排屑内杆连通的通孔一。
进一步，所述尾部接头为柔性管接头。
采用上述进一步方案的有益效果是：柔性管接头节省了运载空间和重量，减少了电机与钻杆之间的安装和拆卸操作，提升了系统使用过程中的稳定性。
进一步，所述尾部接头上设有标准螺纹接口。
采用上述进一步方案的有益效果是：钻头尾部为导向模块、振击模块及侧向采样模块的后续连接提供了标准螺纹接口，提升了钻进系统整体的互换性。
进一步，所述钻头上设有将排屑内杆与外部环境连通的通孔。
进一步，所述内杆电机包括力矩电机或直流步进电机。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用电机传动克服了月球真空环境和极大温差的影响；排屑内杆的驱动电机可选用力矩电机或直流步进电机，直流步进电机采用齿轮传动方式进行驱动，直流电机占据空间较小，使电机的布线更方便。
附图说明
图1为本发明深层月壤钻进装置的内部结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、钻头；2、钻进外杆；3、排屑内杆；4、固定杆；41、阶梯状结构；5、外杆电机；6、内杆电机；7、延伸段一；8、延伸段二；9、轴承一；10、轴承二；11、轴承三；12、轴承四；13、密封端盖；14、尾部接头。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本实施例的一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置，包括钻头1、钻进外杆2、排屑内杆3、固定杆4、外杆电机5和内杆电机6，所述钻头1螺纹连接在所述钻进外杆2一端，所述固定杆4同轴可转动的套设在所述钻进外杆2的中空结构内，所述钻进外杆2另一端内安装有外杆电机5，所述外杆电机5的转子环设固定在所述钻进外杆2的内侧壁上，所述外杆电机5的定子环设固定在所述固定杆4的外侧壁上；所述固定杆4包括从所述钻进外杆2另一端延伸出的延伸段一7，所述排屑内杆3同轴可转动的套设在所述固定杆4的中空结构内并通过钻头1与外部环境连通，所述内杆电机6的定子环设固定在所述延伸段一7的内侧壁上，所述内杆电机6的转子环设固定在所述排屑内杆3的外侧壁上。
本实施例采用仿生技术，模仿蚯蚓在土壤中的内外同时排土的运动模式，使钻杆内外同时排出月壤，降低了钻进阻力的同时，也提升了钻进效率，使月壤的钻进摆脱了钻杆长度的限制，提升了月球钻进的深度；本发明的钻进装置整体进入月壤后，无需施加外力，仅凭借顶部月壤压力即可维持钻进，克服了月球微重力的影响；本发明只需在钻头完全进入月壤前提供钻压补偿，钻头完全进入月壤后可凭借月壤压力自主潜进，无需施加外力人为干预钻进运动，这种半自动潜进方式最大程度上的节省了航天员的月面工作时间，提高了其月面工作效率。
如图1所示，本实施例的所述固定杆4外侧壁分别通过轴承与钻头1和钻进外杆2转动连接，所述固定杆4内侧壁通过轴承与排屑内杆3连接。
如图1所示，本实施例的所述延伸段一7外周侧与钻进外杆2外周侧相适配，所述延伸段一7通过阶梯状结构41连接在固定杆4上，所述阶梯状结构41的拐角处分别设有将固定杆4与钻进外杆2连接的轴承一9以及将固定杆4与排屑内杆3连接的轴承二10。所述钻头1具体通过轴承四12与固定杆4外侧壁转动连接。延伸段一与固定杆的结构形式，方便固定杆分别与钻进内杆和钻进外杆的转动连接，也使延伸段一与钻进外杆整体协调性更好，方便钻进。
如图1所示，本实施例的所述固定杆4还包括从钻进外杆2一端延伸出的延伸段二8，所述延伸段二8位于所述钻头1内。使延伸段二位于钻头内，方便钻头钻进过程中，月壤排放到排屑内杆内。
如图1所示，本实施例的深层月壤钻进装置还包括密封端盖13，所述密封端盖13一端与固定杆4螺纹连接，所述密封端盖13另一端通过轴承三11连接在所述排屑内杆3上。密封端盖的设置使装置整体密封性更好。
具体的，如图1所示，本实施例的密封端盖将内杆电机6密封在延伸段一7与固定杆4之间的间隙内，使内杆电机6抵靠在阶梯状结构一侧的某一个台阶上，内杆电机与相邻台阶间隔布置并留有用于容纳安装轴承二10的空间。外杆电机5位于钻进外杆2和固定杆4之间的间隙内，使外杆电机5也抵靠在阶梯状结构的另一侧上。
其中，如图1所示，本实施例的钻进外杆2与固定杆4间隔布置，所述外杆电机5安装在该间隔内，并抵靠在阶梯状结构另一侧的某一台阶(该台阶的相对侧安装轴承二10)上，外杆电机5与相邻台阶间隔布置并留有用于容纳轴承一9的空间(该空间的相对侧抵靠有内杆电机6)。
如图1所示，本实施例的深层月壤钻进装置还包括尾部接头14，所述尾部接头14通过螺纹与密封端盖13连接，所述密封端盖上开设有将尾部接头与排屑内杆连通的通孔一。
本实施例的一个具体方案为，所述尾部接头14为柔性管接头。柔性管接头节省了运载空间和重量，减少了电机与钻杆之间的安装和拆卸操作，提升了系统使用过程中的稳定性。
其中，本实施例的所述尾部接头14上设有标准螺纹接口。钻头尾部为导向模块、振击模块及侧向采样模块的后续连接提供了标准螺纹接口，提升了钻进系统整体的互换性。
如图1所示，本实施例的所述钻头1上设有将排屑内杆3与外部环境连通的通孔。所述钻头1为圆台型结构，其大头端用于螺纹连接所述钻进外杆，其小头端形成收口，使固定杆的延伸段二抵靠在所述收口的内侧面上。
本实施例的一个可选方案为，所述内杆电机6包括力矩电机或直流步进电机。利用电机传动克服了月球真空环境和极大温差的影响；排屑内杆的驱动电机可选用力矩电机或直流步进电机，直流步进电机采用齿轮传动方式进行驱动，直流电机占据空间较小，使电机的布线更方便。
本发明的一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置的工作过程为，钻头与钻进外杆螺纹连接，钻进外杆与外杆电机的转子固定连接，外杆电机运行，外杆电机的外圈转子带动钻进外杆转动，钻进外杆带动与之螺纹连接的钻头开始转动，固定杆分别与外杆电机内圈定子和内杆电机的外圈定子固定连接，内杆电机运行，内杆电机的内圈转子带动与之固定连接的排屑内杆转动，其中，钻进外杆和排屑内杆的转动方向相反，钻进外杆和钻头在外杆电机的外圈转子带动下旋转钻进，钻头前端有将排屑内杆与外部环境连通的通孔，钻头和钻进外杆在旋转钻进过程中，月壤碎屑通过钻头前端的通孔进入排屑内杆的中空结构内，排屑内杆在内杆电机的内圈转子的带动下反向转动排出月壤碎屑。整个钻进系统采用仿生技术，模仿蚯蚓在土壤中的内外同时排土的运动模式，使钻杆内外同时排出月壤，降低了钻进阻力的同时，提升了钻进效率。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置，其特征在于，包括钻头、钻进外杆、排屑内杆、固定杆、外杆电机和内杆电机，所述钻头螺纹连接在所述钻进外杆一端，所述固定杆同轴可转动的套设在所述钻进外杆的中空结构内，所述钻进外杆另一端内安装有外杆电机，所述外杆电机的转子环设固定在所述钻进外杆的内侧壁上，所述外杆电机的定子环设固定在所述固定杆的外侧壁上；所述固定杆包括从所述钻进外杆另一端延伸出的延伸段一，所述排屑内杆同轴可转动的套设在所述固定杆的中空结构内并通过钻头与外部环境连通，所述内杆电机的定子环设固定在所述延伸段一的内侧壁上，所述内杆电机的转子环设固定在所述排屑内杆的外侧壁上。
2.根据权利要求1所述一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置，其特征在于，所述固定杆外侧壁分别通过轴承与钻头和钻进外杆转动连接，所述固定杆内侧壁通过轴承与排屑内杆连接。
3.根据权利要求1所述一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置，其特征在于，所述延伸段一外周侧与钻进外杆外周侧相适配，所述延伸段一通过阶梯状结构连接在固定杆上，所述阶梯状结构的拐角处分别设有将固定杆与钻进外杆连接的轴承一以及将固定杆与排屑内杆连接的轴承二。
4.根据权利要求1所述一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置，其特征在于，所述固定杆还包括从钻进外杆一端延伸出的延伸段二，所述延伸段二位于所述钻头内。
5.根据权利要求1所述一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置，其特征在于，还包括密封端盖，所述密封端盖一端与固定杆螺纹连接，所述密封端盖另一端通过轴承连接在所述排屑内杆上。
6.根据权利要求5所述一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置，其特征在于，还包括尾部接头，所述尾部接头通过螺纹与密封端盖连接，所述密封端盖上开设有将尾部接头与排屑内杆连通的通孔一。
7.根据权利要求6所述一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置，其特征在于，所述尾部接头为柔性管接头。
8.根据权利要求6所述一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置，其特征在于，所述尾部接头上设有标准螺纹接口。
9.根据权利要求1所述一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置，其特征在于，所述钻头上设有将排屑内杆与外部环境连通的通孔。
10.根据权利要求1所述一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置，其特征在于，所述内杆电机包括力矩电机或直流步进电机。
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