CN113374473B - 一种模拟月基环境钻进过程激光辅助破岩装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模拟月基环境钻进过程激光辅助破岩装置，包括月基模拟组件、机械钻进组件和激光发射组件；月基模拟组件包括月岩桶、真空泵和气体输排管；月岩桶内设有样品，真空泵通过气体输排管将月岩桶设置为真空状态。机械钻进组件包括驱动装置、钻杆固定装置、密封装置和钻杆。激光发射组件包括激光器、光纤和激光头。机械钻进组件通过月岩桶钻进样品，激光发射组件辅助机械钻进组件破碎月岩桶内部的样品。与现有技术相比，本发明通过月基模拟组件、机械钻进组件和激光发射组件之间的相互配合，在地球上能够模拟钻进过程的激光辅助破岩在月基环境下的工作状态，便于研究改进月球钻进设备，提高月球钻进设备的效率、精度、寿命等性能。
Description
技术领域
本发明属于月球的地质探索领域，涉及一种辅助破岩装置，尤其涉及一种模拟月基环境钻进过程激光辅助破岩装置。
背景技术
航天航空是人类探索自然界的前沿工程，走向太空已成为科技强国必不可少的标志。近年来，世界各国均积极发展深空探测技术，尤其以月球探测为代表，探月工程是我国航天事业的一个长期科学发展规划，其中的主要任务之一是月球探测及样品收集返回。月球探测对于人类研究月球表面的物质组成、月球起源、地球气候和水域潮汛现象、未来资源等问题具有重大战略意义。1969-1972年，美国曾先后5次登上月球，其中“阿波罗”15号的宇航员用手持电钻进得了月球表面0.7深处的土样。由于在月球上，钻进设备大小、钻进设备的功率和钻杆更换都受到限制，导致月球钻进难、钻进深度浅、钻进效率低和钻进设备磨损严重、寿命短等问题，使得取月球深部的岩心更加困难。而月球深部的岩心受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。
为此，研究一种模拟月基环境钻进过程激光辅助破岩装置，机械钻进组件通过激光发射组件的辅助在月基模拟组件内破碎和钻取样本，发射前在地球上利用模拟月岩进行月球钻进、冲击等采样设备的性能测试，便于科学家在地球上研究月球钻进会遇到的问题，降低钻进设备在月球进行钻进采样任务时出现事故的概率，降低月球钻进困难，提升月球钻进深度，提高钻进设备控制精度，减少钻进设备磨损，降低月岩强度，提高破岩效率，加大钻进深度，缩小破岩装置尺寸，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种模拟月基环境钻进过程激光辅助破岩装置，具体通过以下技术方案实现：
一种模拟月基环境钻进过程激光辅助破岩装置，其特征在于：包括月基模拟组件、机械钻进组件和激光发射组件；
所述月基模拟组件包括月岩桶、真空泵和气体输排管，所述月岩桶内部设有样品，所述真空泵通过所述气体输排管将所述月岩桶设置为真空状态；
所述机械钻进组件通过所述月岩桶钻进所述样品，所述激光发射组件辅助所述机械钻进组件破碎所述月岩桶内部的所述样品。
在一个具体实施例中，所述机械钻进组件包括驱动装置、钻杆固定装置、密封装置和钻杆；
所述钻杆一端与所述驱动装置连接，且另一端与所述密封装置连接，所述钻杆固定装置设于所述钻杆外围，所述钻杆具有中空结构；
所述驱动装置为所述钻杆提供驱动力。
在一个具体实施例中，所述激光发射组件包括激光器、光纤和激光头，所述光纤一端与所述激光器连接，所述光纤另一端穿过所述钻杆内部与所述激光头连接，所述激光头设于所述月岩桶内部；
所述激光器产生的激光通过所述光纤传送到所述激光头作用于所述月岩桶内部。
在一个具体实施例中，所述月基模拟组件包括月岩桶、真空泵和气体输排管，所述月岩桶内部设有刚性支撑结构，所述刚性支撑结构用于实现所述月岩桶在真空状态下不变形；
所述气体输排管一端连接真空泵且另一端连接月岩桶。
在一个具体实施例中，所述钻杆与所述月岩桶通过所述密封装置密封连接。
在一个具体实施例中，所述钻杆内部设有薄壁管和薄壁管固定装置，所述薄壁管设于所述光纤外侧，所述薄壁管固定装置设于所述薄壁管外侧，且固定于所述钻杆，与所述钻杆同步位移；
所述薄壁管固定装置用于固定所述薄壁管，所述薄壁管用于铺设所述光纤。
在一个具体实施例中，所述薄壁管外侧设有多个固定部，所述固定部设于所述薄壁管固定装置内侧，用于固定所述薄壁管，以保证所述钻杆旋转时所述薄壁管不发生转动。
在一个具体实施例中，所述薄壁管固定装置设有固定杆，所述固定部设于所述固定杆外部。
在一个具体实施例中，所述激光器内部设有激光器控制组件，用于控制所述激光器产生激光的工作模式；
所述驱动装置内部设有驱动装置控制组件，用于控制所述钻杆的转动速度和钻进速度。
在一个具体实施例中，所述激光头内部设有凸透镜，用于聚焦激光和改变激光焦点位置。
本发明与现有技术相比，至少具有如下有益效果：
本发明的一种模拟月基环境钻进过程激光辅助破岩装置，通过激光发射组件辅助机械钻进组件破碎月基模拟组件内部的模拟月岩后，机械钻进组件在月基模拟组件内钻进。在地球上能够模拟钻进过程的激光辅助破岩在月基环境下的工作状态，便于研究改进月球钻进设备，提高月球钻进设备的效率、精度、寿命等性能。
进一步的，月岩桶内侧设有刚性支撑结构，利用刚性支撑结构的抗压能力，保证月岩桶在真空状态下能维持正常形态。月岩桶内部设有模拟月岩和样品，保证钻进环境与月球相似。
进一步的，薄壁管固定装置固定薄壁管，且薄壁管固定装置固定于钻杆，减少了钻杆磨损。
进一步的，驱动装置内部设有驱动装置控制组件，通过调节钻杆的转动速度和钻进速度，减少钻杆磨损，加大钻进深度。
进一步的，激光器内部设有激光器控制组件，通过调节激光器工作模式来调整激光强度、激光频率和激光宽度，降低月岩强度，减少钻进难度。
进一步的，激光头内设有凸透镜，能够聚焦激光和改变激光焦点的位置。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中模拟月基环境钻进过程激光辅助破岩装置的示意图；
图2为实施例1中月基模拟组件的示意图；
图3为实施例1中机械钻进组件的示意图；
图4为实施例1中激光发射组件的示意图；
图5为实施例1中月岩桶截面的剖视图；
图6为实施例1中密封装置截面的剖视图；
图7为实施例1中钻杆截面的剖视图；
图8为实施例1中激光器控制组件的控制流程图；
图9为实施例1中驱动装置控制组件的控制流程图；
图10为实施例1中激光头截面的剖视图。
附图标记：
1-月基模拟组件；2-机械钻进组件；3-激光发射组件；11-月岩桶；12-气体输排管；13-真空泵；21-驱动装置；22-钻杆固定装置；23-密封装置；24-钻杆；31-激光器；32-光纤；33-激光头；111-刚性支撑结构；112-模拟月岩；113-样品；211-驱动装置控制组件；2111-转动速度模块；2112-钻进速度模块；231-密封部；241-薄壁管；242-薄壁管固定装置；2421-固定部；2422-固定杆；311-激光器控制组件；3111-普通工作模式；3112-脉冲工作模式；31121-激光宽度模块；31122-激光频率模块；331-凸透镜；332-准直激光；333-聚焦激光。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本实施例提供了一种模拟月基环境钻进过程激光辅助破岩装置，包括月基模拟组件1，机械钻进组件2，激光发射组件3。机械钻进组件2位于月基模拟组件1上方，机械钻进组件2一端与月基模拟组件1连接，机械钻进组件2在月基模拟组件1内钻进。激光发射组件3辅助机械钻进组件2破碎月基模拟组件1内部的样品113，降低钻进难度。月基模拟组件1、机械钻进组件2和激光发射组件3相互配合在地球上进行模拟月球钻进、冲击和采样的测试，便于科学家在地球上研究月球钻进会遇到的问题，降低钻进设备在月球进行钻进采样任务时出现事故的概率。
如图2所示，月基模拟组件1包括月岩桶11、气体输排管12和真空泵13。气体输排管12位于月岩桶侧部，气体输排管12的气体输入端与月岩桶11密封连接，气体输排管12的气体排出端与真空泵13密封连接。月岩桶11为机械钻进组件2提供钻进环境。机械钻进组件2进行钻进工作之前，真空泵13通过气体输排管12将月岩桶11设置为真空状态，确保月岩桶11内部环境与月球环境相同，确保机械钻进组件2在近似月球的环境下进行钻进工作。
具体地，气体输排管12为密闭性优良的材质。
如图1和图3所示，机械钻进组件2包括驱动装置21、钻杆固定装置22、密封装置23和钻杆24。机械钻进组件2用于在月基模拟组件1内进行钻进运动，模拟月球钻进的过程。钻杆24为具有中空结构的圆柱体，钻杆24顶端与驱动装置21抵接，驱动装置21为钻杆24提供驱动力，驱动钻杆24在月岩桶11内做钻进运动。驱动装置内设有驱动装置控制组件211，用于控制钻杆24在月岩桶11内进行钻进运动时的钻进速度和转动速度，根据不同环境的不同钻进情况，改变钻杆24的钻进速度和转动速度，提高钻杆24的钻进效率，减少钻杆24磨损，延长钻杆24寿命。钻杆24一端与密封装置23上部连接，密封装置23下部与月岩桶11连接，密封装置23进一步确保月岩桶11为真空状态，避免因钻杆24在进行钻进运动而导致月岩桶11真空状态的改变。钻杆24外侧设有钻杆固定装置22，钻杆固定装置22为圆环状，钻杆固定装置22内径大于钻杆24外径，钻杆固定装置22用于控制钻杆24运动幅度，避免因钻杆24在钻进过程中产生过大挠度，导致机械钻进组件2钻进效率降低；
具体地，钻杆固定装置22优选为圆环状，也可为利于控制钻杆24运动幅度的任意形状。
如图1、图4和图5所示，激光发射组件3包括激光器31、光纤32和激光头33。激光发射组件3用于在机械钻进组件2进行钻进运动时，辅助破碎模拟月岩112，减少机械钻进组件2的钻进难度。激光器31激光产生端与光纤32输入端连接，光纤32用于将激光器31所产生的激光传送出去。光纤32输出端与激光头33连接，激光头33用于接收光纤32所传送的激光，并将接收的激光作用于月岩桶11内部。光纤32从钻杆24内部穿过到达月岩桶11内部，将激光器31所产生的激光传送到激光头33，激光头33位于月岩桶11内部，激光头33将从光纤32处接收到的激光输出且作用在月岩桶11内部的模拟月岩112上。激光器31内设有激光器控制组件311，用于控制激光器31产生激光的工作模式，便于根据不同环境的不同钻进情况，改变激光器31产生激光的脉冲宽度和脉冲速度，降低钻杆24钻进难度，提高钻杆24钻进效率。
具体地，光纤32优选为传送效率高且传送损耗低的材料。
如图2和图5所示，月岩桶11内侧设有刚性支撑结构111，刚性支撑结构111固定于月岩桶11内侧，主要利用刚性支撑结构111的抗压能力，在真空泵13和气体输排管12对月岩桶11进行抽真空的时候，保证月岩桶11在真空状态下能维持正常形态。月岩桶11内部设有模拟月岩112和样品113，模拟月岩112和样品113位于刚性支撑结构外侧，用于模拟月球环境，保证钻杆24的钻进环境近似于月球。
具体地，刚性支撑结构111优选为抗压力大的材料，模拟月岩112和样品113优选为近似月岩的材料。
如图6所示，密封装置23上端与钻杆24连接，密封装置23下端与月岩桶11连接。钻杆24穿过密封装置24到达月岩桶11内部。密封装置23上端内径大于钻杆24外径，密封装置23下端外径小于月岩桶11外周长。密封装置23内侧设有密封部231，用于密封钻杆24与月岩桶11的接触位置。
具体地，密封部231为气密性好的材质，优选为磁流体密封，磁流体具有稳定性好、不凝聚、不沉淀和不分解的优点，密封部231利用磁流体和圆环形永久磁铁的特性，在磁铁产生的磁场作用下，磁流体将缝隙堵塞，从而将钻杆24和月岩桶11接触部密封。
如图7所示，钻杆24为中空结构。钻杆24内设有薄壁管241和薄壁管固定装置242。薄壁管241为具有中空结构的圆柱体，薄壁管241内径大于光纤32外径，光纤32位于薄壁管241内侧，薄壁管241包围在光纤32外侧，薄壁管241用于光纤32铺设。薄壁管固定装置242固定于钻杆24，与钻杆24同步位移，减少钻杆24磨损。薄壁管固定装置242包括固定部2421和固定杆2422。固定杆2422为圆柱状。薄壁管241外侧设有多个固定部2421，固定部2421设于固定杆2422外部，作用于薄壁管241上，用于固定薄壁管241，保证钻杆24工作时薄壁管241不发生转动，确保光纤32稳定传送激光。设置多个固定部2421避免了因固定部2421失效导致薄壁管固定装置242松动、薄壁管241滑动的现象。
如图4和图8所示，激光器控制组件311的工作模式包括普通工作模式3111和脉冲工作模式3112。激光器控制组件311用于调控激光器31的工作模式，正常情况下激光器控制组件311处于普通工作模式3111，需调节激光频率或激光宽度时，激光器控制组件311调整到脉冲工作模式3112。激光器控制组件311在普通工作模式3111下，激光器31将未调节的激光经过光纤32传送到激光头33。激光器控制组件311在脉冲工作模式3112下，通过调节激光宽度模块31121和激光频率模块31122来调节激光脉冲宽度和脉冲频率，激光器31将调节脉冲频率和脉冲宽度后的激光经过光纤32传送到激光头33。激光器控制组件311用于调整激光的状态，降低钻杆24钻进难度，提高钻杆24钻进效率。
如图3和图9所示，驱动装置控制组件211可以通过调整转动速度模块2111和钻进速度模块2112来调整钻杆24的转动速度和钻进速度，从而提高破岩效率，加大钻杆24钻进深度，减少钻杆24磨损。当钻取的模拟月岩112硬度大时，驱动装置控制组件211调节转动速度模块2111和钻进速度模块2112，增加钻杆24的转动速度和钻进速度，便于提高钻进速度。当钻取的模拟月岩112硬度低时，驱动装置控制组件211调节转动速度模块2111和钻进速度模块2112，降低钻杆24的转动速度和钻进速度，有利于减少钻杆磨损，延长钻杆寿命。
如图10所示，激光头33外径大于光纤32外径，激光头33内部设有凸透镜331，激光头33接收光纤32所传送的准直激光332后，将准直激光332经凸透镜331聚焦后，激光头33输出聚焦激光333。聚焦激光333能量密度高，聚焦激光333到达模拟月岩112后，模拟月岩112温度升高，产生热应力，当热应力超过模拟月岩112的抗拉强度后，模拟月岩112会产生裂纹，导致模拟月岩112强度降低，钻进难度减小。凸透镜331与激光头33内部间距可调节，使激光焦点的距离改变。凸透镜331用于将激光聚焦，提高月岩温度，降低月岩强度，减少钻进难度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (3)
1.一种模拟月基环境钻进过程激光辅助破岩装置，其特征在于：包括月基模拟组件、机械钻进组件和激光发射组件；
所述月基模拟组件包括月岩桶、真空泵和气体输排管，所述月岩桶内部设有样品，且所述月岩桶内部设有刚性支撑结构，所述刚性支撑结构用于实现所述月岩桶在真空状态下不变形，所述气体输排管一端连接所述真空泵且另一端连接所述月岩桶，所述真空泵通过所述气体输排管将所述月岩桶设置为真空状态；
所述机械钻进组件包括驱动装置、钻杆固定装置、密封装置和钻杆；所述钻杆一端与所述驱动装置连接，且另一端与所述密封装置连接，所述钻杆固定装置设于所述钻杆外围，所述钻杆具有中空结构；所述驱动装置为所述钻杆提供驱动力，所述驱动装置内部设有驱动装置控制组件，用于控制所述钻杆的转动速度和钻进速度；所述钻杆内部设有薄壁管和薄壁管固定装置，所述薄壁管设于光纤外侧，所述薄壁管固定装置设于所述薄壁管外侧，且固定于所述钻杆，与所述钻杆同步位移；所述薄壁管固定装置用于固定所述薄壁管，所述薄壁管用于铺设光纤；所述薄壁管外侧设有多个固定部，所述固定部设于所述薄壁管固定装置内侧，用于固定所述薄壁管，以保证所述钻杆旋转时所述薄壁管不发生转动；所述薄壁管固定装置设有固定杆，所述固定部设于所述固定杆外部；
所述激光发射组件包括激光器、光纤和激光头，所述光纤一端与所述激光器连接，所述光纤另一端穿过所述钻杆内部与所述激光头连接，所述激光头设于所述月岩桶内部；所述激光器产生的激光通过所述光纤传送到所述激光头作用于所述月岩桶内部；所述激光器内部设有激光器控制组件，用于控制所述激光器产生激光的工作模式，所述激光器控制组件的工作模式包括普通工作模式和脉冲工作模式；
所述机械钻进组件通过所述月岩桶钻进所述样品，所述激光发射组件辅助所述机械钻进组件破碎所述月岩桶内部的所述样品。
2.根据权利要求1所述的模拟月基环境钻进过程激光辅助破岩装置，其特征在于，所述钻杆与所述月岩桶通过所述密封装置密封连接。
3.根据权利要求1所述的模拟月基环境钻进过程激光辅助破岩装置，其特征在于，所述激光头内部设有凸透镜，所述凸透镜用于聚焦激光和改变激光焦点位置。
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