CN210427066U - 一种月基原位保真取芯装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种月基原位保真取芯装置，包括：登陆与返回舱；设置在所述登陆与返回舱内的用于对样品进行钻探、取芯并存储的保真取芯系统；以及设置在所述登陆与返回舱顶部的用于进行信息传递的天际通讯系统；所述保真取芯系统包括：转置台；设置在所述转置台上的若干个保真取芯器；以及设置在所述登陆与返回舱底部的保真取芯器控制机构。以达到在月球自动取样的目的，并实现了对月球土壤的钻探、取芯以及保真存储的功能。

Description

一种月基原位保真取芯装置

技术领域

本实用新型涉及月球探索与钻探技术领域，尤其涉及的是一种月基原位保真取芯装置。

背景技术

月球探索及开发工程体现的是一个国家的综合实力，也是人类走向太空寻找新家园的重要的一步。而月球钻探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。

与常规陆上钻探活动不同，月球钻探活动会受到诸如土壤严重风化、无水无空气、能源缺乏等因素的影响，无法对月球土壤样品进行保真取芯。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种月基原位保真取芯装置，以解决月球钻探过程中无法实现对月球土壤样品进行保真取芯的问题。

本实用新型的技术方案如下：

一种月基原位保真取芯装置，包括：

登陆与返回舱；

设置在所述登陆与返回舱内的用于对样品进行钻探、取芯并存储的保真取芯系统；以及

设置在所述登陆与返回舱顶部的用于进行信息传递的天际通讯系统；

所述保真取芯系统包括：

转置台；

设置在所述转置台上的若干个保真取芯器；以及

设置在所述登陆与返回舱底部的保真取芯器控制机构。

本实用新型的进一步设置，所述若干个保真取芯器均匀分布在所述转置台上；

所述保真取芯器控制机构与所述投放孔连接；其中，所述保真取芯器通过所述投放孔进入所述保真取芯器控制机构内。

本实用新型的进一步设置，所述保真取芯系统还包括：

第一机械臂，所述第一机械臂设置在所述转置台上，用于将存放在所述转置台的保真取芯器转移至所述投放孔中；

牵引机构，所述牵引机构设置在所述转置台上方；所述牵引机构包括牵引驱动件、牵引绳和设置在所述牵引绳末端的第一静电吸盘，所述保真取芯器完成采样后通过所述第一静电吸盘将所述保真取芯器引出月球表面，并通过所述第一机械臂将完成采样后的所述保真取芯器转移回所述转置台。

本实用新型的进一步设置，所述天际通讯系统包括天际通讯天线和月面探测器，所述月面探测器用于对月球表面的环境进行检测，并通过所述天际通讯天线对检测的信息进行传输。

本实用新型的进一步设置，还包括电源系统，所述电源系统包括若干多面形太阳能电池板组，所述多面形太阳能电池板包括若干块太阳能板组，所述若干块太阳能板拼接在一起并设置在所述登陆与返回舱的表面。

本实用新型的进一步设置，所述保真取芯器包括：

多级重叠式液压缸系统，所述多级重叠式液压缸系统包括气动伺服缸和中空气动伺服缸；

电极驱动系统，所述电极驱动系统包括推力轴承组、中空定子和中空转子；以及

超声激振动力系统，所述超声激振动力系统包括上盖板、压电陶瓷、下盖板和变幅杆。

本实用新型的进一步设置，所述保真取芯器还包括外部钻头和内部钻头，所述外部钻头在所述多级重叠式液压缸系统和所述电极驱动系统的驱动下完成钻进动作，当遇到坚硬岩层时，通过所述超声激振动力系统驱动所述内部钻头完成钻进动作。

本实用新型的进一步设置，所述保真取芯器控制机构包括：

夹持导向结构，所述夹持导向结构用于夹持所述保真取芯器并控制所述保真取芯器的投放角度；

第二机械臂，所述第二机械臂的末端设置有第二静电吸盘，所述第二机械臂控制所述第二静电吸盘进行取样；以及

摄像头和传感器，所述摄像头安装在所述推进室底部，用于对着陆点环境进行探测，所述传感器用于对周围环境的温度、湿度和压力进行测取。

本实用新型的进一步设置，所述登陆与返回舱包括：

壳体；

设置在所述壳体底部的用于调整所述登陆与返回舱着陆角度的推进室；以及

设置在所述壳体内的用于容置所述保真取芯系统的保真取芯室。

本实用新型的进一步设置，还包括设置在所述登陆与返回舱周边的缓冲组件，所述缓冲组件包括支撑座和伸缩杆，所述伸缩杆一端与所述支撑座连接，另一端与所述登陆与返回舱连接。

本实用新型所提供的一种月基原位保真取芯装置，包括：登陆与返回舱；设置在所述登陆与返回舱内的用于对样品进行钻探、取芯并存储的保真取芯系统；以及设置在所述登陆与返回舱顶部的用于进行信息传递的天际通讯系统；所述保真取芯系统包括：转置台；设置在所述转置台上的若干个保真取芯器；以及设置在所述登陆与返回舱底部的保真取芯器控制机构。天际通讯系统进行信息传递控制月基原位保真取芯装置进行月球登陆并进行自动取芯操作，保真取芯器在保真取芯器控制机构的控制下对月球土壤样品进行钻探、取芯，其后将完成采样后的保真取芯器存储在转置台上，以达到在月球自动取样的目的，并实现了对月球土壤的钻探、取芯以及保真存储的功能。

附图说明

图1是本实用新型中月基原位保真取芯装置的立体图1。

图2是本实用新型中基原位保真取芯装置的立体图2。

图3是本实用新型中基原位保真取芯装置的内部结构示意图1。

图4是本实用新型中基原位保真取芯装置的内部结构示意图2。

图5是本实用新型中保真取芯器控制机构的结构示意图。

图6是本实用新型中保真取芯器的结构示意图。

附图中各标记：100、登陆与返回舱；101、壳体；102、推进室；103、保真取芯室；200、保真取芯系统；201、转置台；2011、投放孔；202、保真取芯器；2021、气动伺服缸；2022、中空气动伺服缸；2023、连接壳体；2024、力传感器；2025、外钻壳体；2026、外部钻头；2027、推力轴承组；2028、中空转子；2029、中空定子；2030、连接杆；2031、压电陶瓷、2032、变幅杆；2033、内钻壳体；2034、内部钻头；2035、滑动导向支撑环；2036、卡爪；2037、密封气囊；2038、上盖板；2039、下盖板；204、牵引机构；2041、牵引驱动件；2042、牵引绳；2043、第一静电吸盘；205、第一机械臂；2051、夹持结构；206、保真取芯器控制机构；2061、夹持导向结构；2062、导向槽；2063、第二机械臂；2064、第二静电吸盘；2065、摄像头；300、天际通讯系统；301、天际通讯天线；302、月面探测器；400、电源系统；401、太阳能板；500、缓冲组件；501、伸缩杆；502、支撑座；503、辅助伸缩杆；504、支撑杆。

具体实施方式

本实用新型提供一种月基原位保真取芯装置，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”与“所述”可泛指单一个或复数个。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

请同时参阅图1至图6，本实用新型提供了一种月基原位保真取芯装置的较佳实施例。

如图1、图2与图3所示，一种月基原位保真取芯装置，包括登陆与返回舱100、保真取芯系统200、天际通讯系统300以及电源系统400。其中，保真取芯系统200位于登陆与返回舱100内部，天际通讯系统300位于登陆与返回舱100顶部，电源系统400位于登陆与返回舱100的外表面。

其中，登陆与返回舱100承载着保真取芯系统200登录月球，其依靠着月球探测航天火箭飞向月球。当月球探测及取芯结束时，则会飞离月球，并与绕月飞行器对接，最后由绕月飞行器装载着返回地球。

请继续参阅图2，详细来说，登陆与返回舱100包括壳体101、推进室102以及保真取芯室103，推进室102设置在壳体101的底部，其中，推进室102内设置有燃料舱和喷射枪，通过向下喷射燃料，获得向上的反作用力，以实现启动时向上推进，着陆时实现缓冲的目的。因此，当登陆与返回舱100登陆月球时，推进室102可以用于反推缓冲以调整登陆与返回舱100着陆角度，避免了着陆时冲击所带来的不适感，并平稳降落到指定位置；当登陆与返回舱100飞离地面时，推进室102可以用于提供向上的反作用力，从而将登陆与返回舱100推进升空。保真取芯室103具有一定的容置空间，保真取芯系统200安装在该保真取芯室103内。

请参阅图2与图3，进一步地，所述保真取芯系统200包括转置台201、设置在所述转置台201上的若干个保真取芯器202以及设置在所述登陆与返回舱100底部的保真取芯器控制机构206。

其中，所述若干个保真取芯器202共设置有8个，初始时，均匀分布在所述转置台201上。当登陆与返回舱100在月球上着陆后，保真取芯系统200则会依次的将保真取芯器202投放至月球地面进行取芯钻探。所述转置台201的中间位置设置有投放孔2011，所述保真取芯器控制机构206设置在所述壳体101底部并与所述投放孔2011连接，并与月球直接接触，其中，投放孔2011为通孔，当进行保真取芯器202进行采样操作时，所述保真取芯器202通过所述投放孔2011进入所述保真取芯器控制机构206内，并在保真取芯器控制机构206的控制下进行保真取芯钻探。可以理解的是，保真取芯器202的个数还可以设置为6个、10个或12个，其具体数量根据转置台201的面积大小具体确定，本实用新型对此不作限定。

通过上述技术方案，保真取芯器202在保真取芯器控制机构206的控制下对月球土壤样品进行钻探、取芯，其后将完成采样后的保真取芯器202存储在转置台201上，以达到在月球自动取样的目的，并实现了对月球土壤的钻探、取芯以及保真存储的功能，其中，保真取芯指的是需要对月球土壤样品进行“五保”取芯，即“保质、保温、保压、保湿、保光”取芯。

请继续参阅图1，进一步地，所述天际通讯系统300包括天际通讯天线301和月面探测器302，所述月面探测器302用于对月球表面的环境进行检测，并通过所述天际通讯天线301对检测的信息进行传输。其中，天际通讯天线301用于接收控制指令，同时能向地面人员及绕月卫星传递信息，月面探测器302用于对于月球表面进行环境监测，最优着陆点及采样点识别，温度监测，并将所测得的信息全部通过天际通讯天线301传输至地面人员及绕月卫星，使得月基原位保真取芯装置可以在位于地球的操纵人员的控制下，进行月球登陆，土壤取芯，推离月球等操作。另外，通过天际通讯天线301与月面探测器302进行钻取系统的数据通信，实现取芯过程的实时管理和监测。建立与钻取系统实时通信的接口，收集取样过程的各类信息，通过登录器进行处理和对地发送，同时通过接口可对钻取系统进行人为控制。

请参阅图1与图2，进一步地，月基原位保真取芯装置还包括电源系统400，所述电源系统400包括若干多面形太阳能电池板组，所述多面形太阳能电池板组包括若干块太阳能板401，若干块太阳能板401拼接在一起并设置在登陆与返回舱100的表面，并且相邻两所述太阳能板401具有一夹角。通过由多面形太阳能电池板组构成的电源系统400，能够将投射向月面的太阳光能量转换为电能，为本实用新型中的装置供电。多面形太阳能电池板组包含有多块太阳能板401，其多面形的构造，使其可以接收四面八方的太阳光，提高光电转换率。其中，其额定功率为700W，峰值功率可达2KW。

请参阅图1与图4，优选地，所述登陆与返回舱100周边设置有缓冲组件500，所述缓冲组件包括支撑座502和伸缩杆501，所述伸缩杆501一端与所述支撑座502连接，另一端与所述登陆与返回舱100连接。

具体地，伸缩杆501一端与支撑座502铰接，其另一端通过若干支撑杆504与登陆与返回舱100连接，同时，伸缩杆501还铰接有2个辅助伸缩杆503，辅助伸缩杆503另一端铰接有若干支撑杆504，支撑杆504同登陆与返回舱100固定连接，当登陆与返回舱100着陆时，伸缩杆501能在受到冲击时及时收缩，起到缓冲的作用，减轻了着陆时的冲击力。

请参阅图3与图4，进一步地，所述保真取芯系统200还包括第一机械臂205和牵引机构204，所述第一机械臂205设置在所述转置台201上，用于将存放在所述转置台201的保真取芯器202转移至所述投放孔2011中；所述牵引机构204设置在所述转置台201上方，其包括牵引驱动件2041、牵引绳2042和设置在所述牵引绳2042末端的第一静电吸盘2043，所述保真取芯器202完成采样后通过所述第一静电吸盘2043将所述保真取芯器202引出月球表面，并通过所述第一机械臂205将完成采样后的所述保真取芯器202转移回所述转置台201。

具体的，第一机械臂205的末端上设置有与保真取芯器202的适配的夹持结构2051，该夹持结构2051能够实现保真取芯器202的夹取与移动，在进行保真取芯器202的投放时，第一机械臂205会夹取一个未采样的保真取芯器202并移动至投放孔2011进行投放，此时保真取芯器202会坠落至保真取芯器控制机构206，并在保真取芯器控制机构206的控制下进行保真取芯钻探。当保真取芯器202采样工作完成后，牵引驱动件2041下放牵引绳2042，进而将第一静电吸盘2043与保真取芯器202接触，其后将取芯后的并位于月球土壤内部的保真取芯器202牵引出月球地面，并通过第一机械臂205将采样后的保真取芯器202移动至转置台201上。在本实用新型中，第一机械臂205还用于，当遇到某些不可抗拒因素导致设备出现异常，可通过第一机械臂205对设备进行简易维护。

请参阅图2与图5，进一步地，所述保真取芯器控制机构206包括夹持导向结构2061和第二机械臂2063，所述夹持导向结构2061设置有导向槽2062，能够夹持所述保真取芯器202并控制所述保真取芯器202的投放角度；所述第二机械臂2063的末端设置有第二静电吸盘2064，所述第二机械臂2063控制所述第二静电吸盘2064进行取样；以及摄像头2065和传感器（图中未标出），所述摄像头2065安装在所述推进室102底部，用于着陆点环境进行探测，所述传感器用于对周围环境的温度、湿度和压力进行测取。

具体实施时，当保真取芯器202通过投放孔2011进入保真取芯器控制机构206后，此时其夹持导向结构2061对保真取芯器202的运动方向进行导向，进而控制保真取芯器202的投放角度；第二机械臂2063用于对月球表面的岩石样品进行采样，通过安装在其末端的第二静电吸盘2064，采用静电吸附的方式对样品进行采样，可在保护设备的同时对表面月壤硬度进行判断，并通过摄像头2065进行探测，以及通过传感器对周围环境的温度、湿度和压力进行测取，控制器（图中未标出）对检测到的信息进行分析及处理后，以确认并标记采样地点，确认合适的安放钻取的表面，按最优的角度、钻探点进行钻探。

请参阅图5与图6，进一步地，保真取芯器202主要由多级重叠式液压缸系统、电机驱动系统和超声激振动力系统构成。其中多级重叠式液压缸系统由气动伺服缸2021和中空气动伺服缸2022等组成；电机驱动系统主要由推力轴承组2027、中空定子2029和中空转子2028组成；超声激振动力系统主要由上盖板2038、压电陶瓷2031、下盖板2039和变幅杆2032等组成。

进一步地，所述保真取芯器202还包括外部钻头2026、内部钻头2034、外钻壳体2025、内钻壳体2033、连接壳体2023、力传感器2024和2个滑动导向支撑环2035，所述外部钻头2026在所述多级重叠式液压缸系统和所述电极驱动系统的驱动下完成钻进动作，当遇到坚硬岩层时，通过所述超声激振动力系统驱动所述内部钻头2034完成钻进动作。

具体为：将保真取芯器202放入投放孔2011以后，保真取芯器202外部的夹持导向结构2061张开，与孔壁胀紧接触，将工具固定在孔壁上，同时保真取芯器202可沿夹持导向结构2061内壁在一定行程内轴向移动。在取样钻进时，多级重叠式液压缸系统中的气动伺服缸2021和中空气动伺服缸2022在气压作用下产生向下的推力，形成钻进所需的钻压，钻压经过连接壳体2023和力传感器2024向下传递，然后经过电机驱动系统传递到外钻壳体2025，进而传递给外部钻头2026；同时在自带动力电源的作用下，电机驱动系统开始工作，中空转子2028绕连接杆2030作定轴转动，同时将产生的扭矩传递给外钻壳体2025，然后传递给外部钻头2026，至此外部钻头2026的旋转钻进动作完成。

当遇到硬岩层时，超声激振动力系统中的压电陶瓷2031和变幅杆2032在电流作用下产生超声激励振动，并将振动传递给内钻壳体2033，然后依次传递给内部钻头2034上；同时连接杆2030将其分担的部分钻压也传递给内部钻头2034，对岩层形成超声振动切削，高速切削硬岩层，提高取样钻进速率，内钻壳体2033外表面安装有2个滑动导向支撑环2035，在滑动导向支撑环2035的作用下，降低超声钻进的横向振动，保证超声钻进的平稳进行。本实用新型通过采用多级式取芯实现了在有限的空间下能够在月球深部进行样品取芯，其取样深度可达15米以上，另外，保真取芯器202在钻取过程中，能够维护钻孔孔壁（月球土壤）的完整性，防止其坍塌，并且，其重量小于10 kg，转速可达300r/min，具有低重量、高转速的优势，可进行大重量取芯，取样直径可达50mm。

进一步地，保真取芯器202还包括卡爪2036和密封气囊2037，当完成一个行程的取芯钻进后，收缩夹持导向结构2061，然后再向下行进一个行程后再次张开夹持导向结构2061并与孔壁胀紧接触，开始重复上述新一轮的钻进动作，直至取芯完成。取芯完成后，由卡爪2036卡断岩心，此时卡爪2036后方的密封气囊2037开始膨胀并填满整个密封槽，由于月球为近真空，地球为高压环境，当取芯工具被带回地面时，此密封气囊2037在大气压力作用下便可形成自密封。

取样结束后，月壤样品封存在保真取芯器202中，保持其原始性能状态，即实现“保质、保温、保压、保湿、保光”的“五保”取芯。此时给出收集样品指令，牵引机构204下入投放孔2011内部，并通过第一静电吸盘2043取回装满样品的保真取芯器202，将其放回转置台201上。然后通过指令转动转置台201并通过第一机械205臂抓取一个新的保真取芯器202开始新一轮的取芯工作。

综上所述，本实用新型所述提供的一种月基原位保真取芯装置，并实现了对月球土壤的钻探、取芯以及保真存储的功能，以达到对月球土壤的原位检测，采用多级式取芯实现了在有限的空间下能够在月球深部进行样品取芯，其取样深度可达15米以上，另外，保真取芯器202在钻取过程中，能够维护钻孔孔壁（月球土壤）的完整性，能够防止其坍塌；保真取芯器202投放至月球表面时，通过保真取芯器控制机构206对地面环境进行监测，最优钻探点分析，投放角度控制，以及控制保真取芯器202的下探过程；通过天际通讯天线301与月面探测器302进行钻取系统的数据通信，实现取芯过程的实时管理和监测，并对月球表面进行环境监测，识别最优着陆点及采样点。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种月基原位保真取芯装置，其特征在于，包括：

登陆与返回舱；

设置在所述登陆与返回舱内的用于对样品进行钻探、取芯并存储的保真取芯系统；以及

设置在所述登陆与返回舱顶部的用于进行信息传递的天际通讯系统；

所述保真取芯系统包括：

转置台；

设置在所述转置台上的若干个保真取芯器；以及

设置在所述登陆与返回舱底部的保真取芯器控制机构。

2.根据权利要求1所述的月基原位保真取芯装置，其特征在于，所述若干个保真取芯器均匀分布在所述转置台上；

所述转置台的中间位置设置有投放孔；所述保真取芯器控制机构与所述投放孔连接；其中，所述保真取芯器通过所述投放孔进入所述保真取芯器控制机构内。

3.根据权利要求2所述的月基原位保真取芯装置，其特征在于，所述保真取芯系统还包括：

第一机械臂，所述第一机械臂设置在所述转置台上，用于将存放在所述转置台的保真取芯器转移至所述投放孔中；

牵引机构，所述牵引机构设置在所述转置台上方；所述牵引机构包括牵引驱动件、牵引绳和设置在所述牵引绳末端的第一静电吸盘，所述保真取芯器完成采样后通过所述第一静电吸盘将所述保真取芯器引出月球表面，并通过所述第一机械臂将完成采样后的所述保真取芯器转移回所述转置台。

4.根据权利要求1所述的月基原位保真取芯装置，其特征在于，所述天际通讯系统包括天际通讯天线和月面探测器，所述月面探测器用于对月球表面的环境进行检测，并通过所述天际通讯天线对检测的信息进行传输。

5.根据权利要求1所述的月基原位保真取芯装置，其特征在于，还包括电源系统，所述电源系统包括若干多面形太阳能电池板组，所述多面形太阳能电池板组包括若干块太阳能板，所述若干块太阳能板拼接在一起并设置在所述登陆与返回舱的表面。

6.根据权利要求1所述的月基原位保真取芯装置，其特征在于，所述保真取芯器包括：

多级重叠式液压缸系统，所述多级重叠式液压缸系统包括气动伺服缸和中空气动伺服缸；

电极驱动系统，所述电极驱动系统包括推力轴承组、中空定子和中空转子；以及

超声激振动力系统，所述超声激振动力系统包括上盖板、压电陶瓷、下盖板和变幅杆。

7.根据权利要求6所述的月基原位保真取芯装置，其特征在于，所述保真取芯器还包括外部钻头和内部钻头，所述外部钻头在所述多级重叠式液压缸系统和所述电极驱动系统的驱动下完成钻进动作，当遇到坚硬岩层时，通过所述超声激振动力系统驱动所述内部钻头完成钻进动作。

8.根据权利要求1所述的月基原位保真取芯装置，其特征在于，所述登陆与返回舱包括：壳体；

设置在所述壳体底部的用于调整所述登陆与返回舱着陆角度的推进室；以及

设置在所述壳体内的用于容置所述保真取芯系统的保真取芯室。

9.根据权利要求8所述的月基原位保真取芯装置，其特征在于，所述保真取芯器控制机构包括：

夹持导向结构，所述夹持导向结构用于夹持所述保真取芯器并控制所述保真取芯器的投放角度；

第二机械臂，所述第二机械臂的末端设置有第二静电吸盘，所述第二机械臂控制所述第二静电吸盘进行取样；以及

摄像头和传感器，所述摄像头安装在所述推进室底部，用于对着陆点环境进行探测，所述传感器用于对周围环境的温度、湿度和压力进行测取。

10.根据权利要求1所述的月基原位保真取芯装置，其特征在于，还包括设置在所述登陆与返回舱周边的缓冲组件，所述缓冲组件包括支撑座和伸缩杆，所述伸缩杆一端与所述支撑座连接，另一端与所述登陆与返回舱连接。

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