CN115467629A - 一种用于月壤原位力学特性测量的钻具、方法和设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及深空探测领域，具体公开了一种用于月壤测量的钻具，包括管状外钻杆、钻头、力学传感器、驱动轴、驱动轴安装件；外钻杆内置有力学传感器、驱动轴，两端分别设置钻头和驱动轴安装件，驱动轴设置在驱动轴安装件的滑槽内，滑槽用于为驱动轴提供沿外钻杆的轴线的移动导向，滑槽还用于限制驱动轴相对于滑槽绕轴线旋转，力学传感器连接在钻头与驱动轴之间；在外钻杆、驱动轴安装件的带动下，外钻杆、驱动轴安装件、力学传感器和钻头能够同步绕轴线旋转；在驱动轴的带动下，力学传感器和钻头能够沿轴线移动。由此在月球低重力环境下实现多种月壤原位力学特性测量。

Description

一种用于月壤原位力学特性测量的钻具、方法和设备

技术领域

本申请涉及深空探测的技术领域，特别是一种用于月壤原位力学特性测量的钻具、方法和设备。

背景技术

月球基地可以为人类提供科考、生活及资源开采等基础条件，是未来人类走向更远深空的前哨站。月球基地的建设已成为当前热点目标，近年来中国、美国等国家都正在开展各自的月球基地建设目标选址，其中月壤原位力学特性测量是其中重要环节。

月壤原位力学特性测量主要有如下难点：(1)月面1/6g重力环境，探测载荷均采用轻量化设计，可提供测量过程的支反力有限；(2)月壤为离散结构，取样测量会改变原位力学状态，导致测量不准确；(3)月壤级配苛刻，中间存在较多厘米级岩石颗粒，深层原位探测到达困难。以上要求目前原位测量设备无法满足要求。

发明内容

本申请提供一种用于月壤测量的钻具、方法和设备，目的是在月球低重力环境下实现多种月壤原位力学特性测量。

第一方面，提供了一种用于月壤测量的钻具，包括外钻杆、钻头、力学传感器、驱动轴、驱动轴安装件；

所述外钻杆呈管状，所述外钻杆的外周具有切削刃，所述外钻杆内置有所述力学传感器、所述驱动轴，所述外钻杆的第一端开口设置有所述钻头，所述驱动轴安装件相对于所述外钻杆的第二端开口固定，所述驱动轴设置在所述驱动轴安装件的滑槽内，所述滑槽用于为所述驱动轴提供沿所述外钻杆的轴线的移动导向，所述滑槽还用于限制所述驱动轴相对于所述滑槽绕所述轴线旋转，所述力学传感器连接在所述钻头与所述驱动轴之间；

在所述外钻杆、所述驱动轴安装件的带动下，所述外钻杆、所述驱动轴安装件、所述力学传感器和所述钻头能够同步绕所述轴线旋转；

在所述驱动轴的带动下，所述力学传感器和所述钻头能够沿所述轴线移动。

与现有技术相比，本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果：

采用钻头与螺旋钻具可组合可拆分设计，通过组合钻进方法实现测量位置到达，通过钻头单独钻进方法实现原位测量，通过螺旋钻具单独钻进清除多余月壤，为后续钻进做准备。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，当所述钻头旋转时，所述力学传感器用于检测与月壤摩擦角对应的信号；当所述钻头进给时，所述力学传感器用于检测与月壤承载力对应的信号。

由此实现月壤承载力和月壤摩擦角的一次性快速测量。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述钻头包括锥形基体和设置于所述锥形基体的多个剪切板，所述多个剪切板等角度间隔设置，所述剪切板与所述锥形基体的母线对齐，所述剪切板的外侧面平行于所述轴线，所述剪切板的远离所述锥形基体的外端面与所述轴线的夹角为锐角。

由于钻头兼具锥形基体和剪切板，因此钻头可以具备多种月壤力学性能测试的功能。在下压动作驱动下，钻头可以测量地基承载力功能(例如等效圆锥仪)；在回转剪切作用下可以测量月壤摩擦性能(例如等效十字板剪切功能)。另外，在回转进给运动下，钻头还可以实现月壤切削排屑功能。

将十字剪切板设计为锥形，保留系统具有十字剪切与触探功能；同时兼顾钻进性能，利用十字版沟槽形成排粉通道，便于月壤钻进。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述外侧面的扫掠面积为S1，所述外端面的扫掠面积为S2，月壤摩擦角Φ＝S1·N/(P·S2)，其中N为所述钻头旋转时所述力学传感器检测到的扭矩，P为所述钻头旋转时所述力学传感器检测到的压力。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述驱动轴为丝杠，所述钻具还包括丝母和内置电机，所述丝母和所述内置电机内置于所述外钻杆内，所述丝母与所述丝杠配合，所述内置电机用于驱动所述丝母绕所述轴线旋转，以驱动所述丝杠沿所述轴线移动。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述内置电机包括定子和动子，所述定子固定在所述驱动轴安装件的靠近所述钻头的一侧，所述动子与所述丝母连接。

从而内置电机可以与驱动轴安装件固定连接。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述内置电机的导通线路穿过所述驱动轴安装件并伸出所述外钻杆。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述钻具还包括外置电机，所述外置电机包括突起部，所述突起部与所述外钻杆的第二端开口固定连接，所述突起部具有凹槽，所述驱动轴安装件固定于所述凹槽内。

从而外钻杆和驱动轴安装件在外置电机的驱动下同步旋转。

力学传感器的导通线路的长度要满足钻头向月壤进给的运动行程。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述驱动轴具有驱动轴通孔，所述驱动轴通孔的孔轴与所述轴线共轴，所述力学传感器的导通线路穿过所述驱动轴通孔。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述驱动轴与所述滑槽配合的截面和所述滑槽的截面均为矩形。

由此有利于在月球深部月壤的承载力测量过程中实现钻头竖直下压功能。

第二方面，提供了一种钻具的控制方法，所述控制方法应用于如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的钻具，所述控制方法包括；

控制所述外钻杆旋转和朝向月壤进给，以使所述钻头抵达至第一目标深度；

控制所述驱动轴朝向月壤进给，使所述钻头抵达至第二目标深度，并获取所述力学传感器检测的第一信号，所述第二目标深度大于所述第一目标深度，所述第一信号用于指示月壤承载力；

控制所述外钻杆旋转，使所述钻头在所述第二目标深度旋转，并获取所述力学传感器检测的第二信号，所述第二信号用于指示月壤摩擦角。

由此实现月壤承载力和月壤摩擦角的一次性快速测量。

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，在所述控制所述驱动轴朝向月壤进给之前，所述控制方法还包括：

控制所述外钻杆在所述第一目标深度处旋转，所述外钻杆的旋转速度大于预设速度，所述外钻杆的旋转时间大于预设时间。

在测量开始前预先清空钻具侧边月壤，实现月球深部月壤力载特性测量参数不受钻进深度干扰。

第三方面，提供了一种月壤测量设备，其特征在于，所述月壤测量设备包括控制器和如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的钻具，所述控制器用于执行如上述第二方面中的任意一种实现方式中所述的控制方法。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种月壤测量的钻具的示意性结构图。

图2为本申请实施例提供的一种钻头的示意性结构图。

图3为本申请实施例提供的一种钻头的示意性结构图。

图4为本申请实施例提供的一种钻头的示意性结构图。

图5为本申请实施例提供的一种钻具的控制方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述：

本申请实施例公开一种用于月壤测量的钻具，参照图1，包括外钻杆9、钻头7、力学传感器8、驱动轴6、驱动轴安装件3。

外钻杆9呈管状，外钻杆9的外周具有螺旋切削刃，外钻杆9内置有力学传感器8、驱动轴6，外钻杆9的第一端开口设置有钻头7。钻头7与第一端开口配合关系可以是间隙配合，以便于钻头7在独立进给时从第一端开口中逐渐突出。

驱动轴安装件3相对于外钻杆9的第二端开口固定，从而驱动轴安装件3和外钻杆9可以绕外钻杆9的轴线同步旋转。驱动轴安装件3具有滑槽，驱动轴6设置在驱动轴安装件3的滑槽内。滑槽用于为驱动轴6提供沿外钻杆9的轴线的移动导向。由于钻头7与驱动轴6固定连接，因此钻头7可以跟随驱动轴6沿外钻杆9的轴线的移动。

滑槽还用于限制驱动轴6相对于滑槽绕外钻杆9的轴线旋转，从而当驱动轴安装件3与外钻杆9绕外钻杆9的轴线同步旋转时，滑槽内的驱动轴6可以跟随驱动轴安装件3，绕外钻杆9的轴线旋转。由于钻头7与驱动轴6固定连接，因此钻头7可以跟随驱动轴6，绕外钻杆9的轴线旋转。在图1所示的实施例中，驱动轴6与滑槽配合的截面和滑槽的截面均为矩形，从而形成滑动副。由此有利于在月球深部月壤的承载力测量过程中实现钻头7竖直下压功能。

力学传感器8连接在钻头7与驱动轴6之间。力学传感器8可以是压力和/或扭矩传感器。力学传感器8可以用于获取月壤承载力和/或月壤摩擦角相关的信号。在一些实施例中，当钻头7旋转时，力学传感器8用于检测与月壤摩擦角对应的信号；当钻头7进给时，力学传感器8用于检测与月壤承载力对应的信号。

在一些实施例中，驱动轴6具有驱动轴通孔，驱动轴通孔的孔轴与外钻杆9的轴线共轴，力学传感器8的导通线路1穿过驱动轴通孔。力学传感器8的导通线路1可以相对较长，以为钻头7独立进给预留余量。也就是说，力学传感器8的导通线路1的长度要满足钻头7向月壤进给的运动行程。

在本申请提供的一些实施例中，钻头7包括锥形基体71和设置于锥形基体71的多个剪切板72。多个剪切板72等角度间隔设置。剪切板72与锥形基体71的母线对齐。也就是说，剪切板72的与锥形基体71接触的内表面可以与锥形基体71的母线对齐。剪切板72的外侧面73平行于外钻杆9的轴线，从而剪切板72的外侧面73的回转扫掠面可以呈柱形。剪切板72的远离锥形基体71的外端面74与外钻杆9的轴线的夹角为锐角，从而剪切板72的外端面74的回转扫掠面可以呈锥形。

假设剪切板72的外侧面73的扫掠面积为S1，剪切板72的外端面74的扫掠面积为S2。月壤摩擦角Φ＝S1·N/(P·S2)，其中N为钻头7旋转时力学传感器8检测到的扭矩，P为钻头7旋转时力学传感器8检测到的压力。N、P同时或近似同时检测得到。

在图2至图4所示的实施例中，钻头7可以是一种十字剪切钻头。图2至图4示出了十字剪切钻头在多个视角下的示意性结构图。钻头7可以由仿十字剪切板复合圆锥组成。也就是说，锥形基体71上可以设置有4个剪切板72。

由于钻头7兼具锥形基体71和剪切板72，因此钻头7可以具备多种月壤力学性能测试的功能。在下压动作驱动下，钻头7可以测量地基承载力功能(例如等效圆锥仪)；在回转剪切作用下可以测量月壤摩擦性能(例如等效十字板剪切功能)。另外，在回转进给运动下，钻头7还可以实现月壤切削排屑功能。

在本申请提供的一些实施例中，如图1所示，驱动轴6可以为丝杠6。钻具还包括丝母5和内置电机4，丝母5和内置电机4内置于外钻杆9内。丝母5与丝杠6配合，内置电机4用于驱动丝母5绕外钻杆9的轴线旋转。丝杠6在丝母5的旋转驱动下，沿外钻杆9的轴线移动。在图1所示的实施例中，内置电机4的导通线路2可以穿过驱动轴安装件3并伸出外钻杆9。

在一些实施例中，内置电机4可以与驱动轴安装件3固定连接。内置电机4包括定子和动子，定子固定在驱动轴安装件3的靠近钻头7的一侧，动子与丝母5连接。

在本申请提供的一些实施例中，如图1所示，钻具还包括外置电机10，外置电机10包括突起部，突起部与外钻杆9的第二端开口固定连接，突起部具有凹槽，驱动轴安装件3固定于凹槽内。外钻杆9和驱动轴安装件3均可以设置于外置电机10的动子上，以使得外钻杆9和驱动轴安装件3在外置电机10的驱动下同步旋转。

图5是本申请实施例提供的一种钻具的控制方法的示意性流程图。图5所示的控制方法可以应用于图1所示的钻具。

110，控制外钻杆旋转和朝向月壤进给，以使钻头抵达至第一目标深度。

结合图1，为了实现月球深部月壤切削钻进功能，外置电机10可输入回转与进给动作，通过驱动轴安装件3、内置电机4、丝母5、丝杠6、力学传感器8将力载传递至钻头7，实现月壤连续切削。

为了实现月球深部月壤切屑排粉功能，外钻杆9外侧为螺旋翼，通过外置电机10驱动外钻杆9回转，螺旋翼将月壤切屑输送至月球表面。

120，控制驱动轴朝向月壤进给，使钻头抵达至第二目标深度，并获取力学传感器检测的第一信号，第二目标深度大于第一目标深度，第一信号用于指示月壤承载力。

为了实现月球深部月壤的承载力测量功能，外置电机10、驱动轴安装件3静止，内置电机4带动丝母5回转运动，驱动丝杠6、力学传感器8、十字剪切钻头组合体向下刺穿月壤。依据力学传感器测量值，计算月壤承载力。

130，控制外钻杆旋转，使钻头在第二目标深度旋转，并获取力学传感器检测的第二信号，第二信号用于指示月壤摩擦角。

为了实现月球深部月壤的摩擦角等测量功能，在承载力测试完成后，内置电机4停止运动，外置电机10通过驱动轴安装件3、内置电机4、丝母5、丝杠6、带动力学传感器、十字剪切钻头回转切削月壤；依据力学传感器测量值，计算月壤原位摩擦角。

在一些实施例中，为实现月球深部月壤力载特性测量参数不受钻进深度干扰，可以预先清空钻具侧边月壤，在控制驱动轴朝向月壤进给之前，控制外钻杆在第一目标深度处旋转，外钻杆的旋转速度大于预设速度，外钻杆的旋转时间大于预设时间。

在测量开始前，需要通过外置电机10带动驱动轴安装件3、内置电机4、丝母5、丝杠6、钻头7、力学传感器8、外钻杆9组合体高速旋转，清空钻具侧边月壤影响。同时钻头7进尺和回转剪切过程力载通过力学传感器8单独测量，不与外钻杆9相关联。

本申请实施例还提供一种月壤测量设备，该月壤测量设备包括控制器和图1所示的钻具，控制器用于执行如图5所示的控制方法。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (13)

1.一种用于月壤测量的钻具，其特征在于，包括外钻杆(9)、钻头(7)、力学传感器(8)、驱动轴(6)、驱动轴安装件(3)；

所述外钻杆(9)呈管状，所述外钻杆(9)的外周具有切削刃，所述外钻杆(9)内置有所述力学传感器(8)、所述驱动轴(6)，所述外钻杆(9)的第一端开口设置有所述钻头(7)，所述驱动轴安装件(3)相对于所述外钻杆(9)的第二端开口固定，所述驱动轴(6)设置在所述驱动轴安装件(3)的滑槽内，所述滑槽用于为所述驱动轴(6)提供沿所述外钻杆(9)的轴线的移动导向，所述滑槽还用于限制所述驱动轴(6)相对于所述滑槽绕所述轴线旋转，所述力学传感器(8)连接在所述钻头(7)与所述驱动轴(6)之间；

在所述外钻杆(9)、所述驱动轴安装件(3)的带动下，所述外钻杆(9)、所述驱动轴安装件(3)、所述力学传感器(8)和所述钻头(7)能够同步绕所述轴线旋转；

在所述驱动轴(6)的带动下，所述力学传感器(8)和所述钻头(7)能够沿所述轴线移动。

2.根据权利要求1所述的钻具，其特征在于，当所述钻头(7)旋转时，所述力学传感器(8)用于检测与月壤摩擦角对应的信号；当所述钻头(7)进给时，所述力学传感器(8)用于检测与月壤承载力对应的信号。

3.根据权利要求1所述的钻具，其特征在于，所述钻头(7)包括锥形基体(71)和设置于所述锥形基体(71)的多个剪切板(72)，所述多个剪切板(72)等角度间隔设置，所述剪切板(72)与所述锥形基体(71)的母线对齐，所述剪切板(72)的外侧面(73)平行于所述轴线，所述剪切板(72)的远离所述锥形基体(71)的外端面(74)与所述轴线的夹角为锐角。

4.根据权利要求3所述的钻具，其特征在于，所述外侧面(73)的扫掠面积为S1，所述外端面(74)的扫掠面积为S2，月壤摩擦角Φ＝S1·N/(P·S2)，其中N为所述钻头(7)旋转时所述力学传感器(8)检测到的扭矩，P为所述钻头(7)旋转时所述力学传感器(8)检测到的压力。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的钻具，其特征在于，所述驱动轴(6)为丝杠，所述钻具还包括丝母(5)和内置电机(4)，所述丝母(5)和所述内置电机(4)内置于所述外钻杆(9)内，所述丝母(5)与所述丝杠配合，所述内置电机(4)用于驱动所述丝母(5)绕所述轴线旋转，以驱动所述丝杠沿所述轴线移动。

6.根据权利要求5所述的钻具，其特征在于，所述内置电机(4)包括定子和动子，所述定子固定在所述驱动轴安装件(3)的靠近所述钻头(7)的一侧，所述动子与所述丝母(5)连接。

7.根据权利要求5所述的钻具，其特征在于，所述内置电机(4)的导通线路(2)穿过所述驱动轴安装件(3)并伸出所述外钻杆(9)。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的钻具，其特征在于，所述钻具还包括外置电机，所述外置电机包括突起部，所述突起部与所述外钻杆(9)的第二端开口固定连接，所述突起部具有凹槽，所述驱动轴安装件(3)固定于所述凹槽内。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的钻具，其特征在于，所述驱动轴具有驱动轴通孔，所述驱动轴通孔的孔轴与所述轴线共轴，所述力学传感器(8)的导通线路(1)穿过所述驱动轴通孔。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的钻具，其特征在于，所述驱动轴(6)与所述滑槽配合的截面和所述滑槽的截面均为矩形。

11.一种钻具的控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于如权利要求1至10中任一项所述的钻具，所述控制方法包括；

控制所述外钻杆(9)旋转和朝向月壤进给，以使所述钻头(7)抵达至第一目标深度；

控制所述驱动轴(6)朝向月壤进给，使所述钻头(7)抵达至第二目标深度，并获取所述力学传感器(8)检测的第一信号，所述第二目标深度大于所述第一目标深度，所述第一信号用于指示月壤承载力；

控制所述外钻杆(9)旋转，使所述钻头(7)在所述第二目标深度旋转，并获取所述力学传感器(8)检测的第二信号，所述第二信号用于指示月壤摩擦角。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，在所述控制所述驱动轴(6)朝向月壤进给之前，所述控制方法还包括：

控制所述外钻杆(9)在所述第一目标深度处旋转，所述外钻杆(9)的旋转速度大于预设速度，所述外钻杆(9)的旋转时间大于预设时间。

13.一种月壤测量设备，其特征在于，所述月壤测量设备包括控制器和如权利要求1至10中任一项所述的钻具，所述控制器用于执行如权利要求11或12所述的控制方法。

Images