CN101109674A - 月球土壤采样器 - Google Patents

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本发明提供了一种月球土壤采样器，属于空间资源探测领域，它包括外壳及设于其内的动力部分和换杆部分，动力部分包括顺次连接的升降电机、传动齿轮、滚珠丝杠、丝杠螺母、连接盘、旋转电机、接头和导轨，换杆部分包括齿轮箱、与齿轮箱相连的转轴、设于转轴上的双爪卡具、设于转轴末端并互相连接的端面齿盘***及单爪卡具，双爪卡具上设有外螺旋内空心式的钻杆。因此本发明具有体积小、重量轻、能耗小，同时能够自动深层采样，采集到从月球表面到所采深度的全部土壤样品、并且可使所采样品基本保持原样且便于回收的优点。

Description

月球土壤采样器
技术领域
本发明属于空间资源探测领域，特别涉及一种用于月球探测方面的月球土壤采样器。
背景技术
月球是地球唯一的天然卫星，是距离地球最近的天体，是人类探测与研究程度最高的地外星球，所以月球是人类走向深空的首选目标，也是人类探测太空并开发利用太空资源的前哨站与中转站。随着空间应用需求的日益加大、载人航天等主要空间技术的不断成熟以及空间军事活动的需要，月球已经成为各国21世纪深空探测的首要目标。目前，美国、日本、欧空局、俄罗斯，还有印度和中国等国家和组织都制定了探月计划，并酝酿在近20-30年内联合建立永久性月球基地，开发和利用月球的资源、能源和特殊环境，为人类社会的可持续发展服务。
目前，我国正在进行代号为“嫦娥工程”的月球探测工程。该工程分为“绕”、“落”和“回”三个阶段。“绕”就是研制和发射中国第一颗月球探测卫星，对月球进行全球性、整体性与综合性探测，以获取月球的三维立体图像等；“落”就是发射月球软着陆器，实现月球软着陆和月球车巡视勘察，就地对月球进行探测，并开展月基天文观测等；“回”就是不仅向月球发射软着陆器，而且发射小型采样返回舱，采集关键性月球样品返回地球。其中“落”和“回”两个阶段都需要专门的月球土壤采样器来完成相应的探测与采样任务。由于月球具有高真空、低重力、强辐射及昼夜温差大等特点，这对月球土壤采样器提出了更高的要求。
国内外月球土壤采样器研究现状：
目前国内尚无月球土壤采样器研制的相关文献，能查到的关于采样器的文献都是在地球上应用的。应用于地球土壤的采样器都是通过人工挤压或大功率电动锤下压的方式采样，此种采样器具有体积大、重量重的特点，并且它的换杆动作都通过人工协助完成，不能实现自动换杆，因此不能用于月球土壤的采样。
国外已有过成功的月球土壤采样经历，如美国的Apollo11在人类历史上第一次取回了月壤样品，但它是通过人工采样的；苏联的Luna16第一次实现了自动采样月壤，但其相关采样原理作为机密从未向外界公开过；美国的SurveyorIII同样可以采样月壤，但它只能通过一个机械臂带动一个铲形采样爪来挖取最表层的月壤，故采样深度非常有限。此外，国外的一些学者也提出了各种各样的采样器方案，但它们同样存在设计缺陷。如美国JetPropulsion实验室提出了USDC采样器，它是通过缆绳悬吊采样器进行采样，该采样器较为小巧，但其采样方向具有不确定性，易受采样介质影响，且为了保证采样器进入月壤，需加设重锤，因此增加了额外负重，不方便携带到太空；美国马里兰州的一种中等深度采样器虽然可以采集较深样品，但是其体积、重量和能耗都很大，不能应用于月球采样；还有一种木蜂输卵管式采样器，它是通过两半阶梯状杆的上下错动来破碎土壤，并将其运送到地面上，其质量较轻、耗能少，但所取样品混杂在一起，不能保持原样，因此它所采集的样品对后续的分析没有太大价值；另外还有一种螺旋导样采样器，它是通过实心宽螺旋钻杆来采集样品，通过钻杆下钻，样品会进入螺旋之间的空当中，并沿螺旋上移，最后提取钻杆，样品会被钻杆螺旋带出地面，该方案的缺点在于易出现卡钻现象，且样品不便收取；另外还有激光钻探采样设想，虽然前景较好，但目前技术尚不成熟。而且上述方案有一个共同的缺点，即都为单杆采样，故采样深度会有很大的局限性。因此需要提供一种体积小、重量轻、能耗小，同时能够自动深层采样、并且样品基本保持原样且便于回收的月球土壤采样器，这也就是本发明的宗旨所在。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种体积小、重量轻、能耗小，同时能够自动深层采样、并且样品基本保持原样且便于回收的月球土壤采样器。
为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：一种月球土壤采样器，包括外壳，所述外壳内部设有动力部分和换杆部分；动力部分包括顺次连接的升降电机、传动齿轮、滚珠丝杠、丝杠螺母及与丝杠螺母固连的连接盘，连接盘内部设有连接盘传动齿轮、其外部设有与连接盘传动齿轮相连的旋转电机和接头、连接盘上贯穿有与滚珠丝杠相平行的导轨，所述接头的上端设有棱锥、下端设有凸块；换杆部分包括齿轮箱、与其相连的转轴，设于转轴上的双爪卡具、设于转轴末端并互相连接的端面齿盘***及单爪卡具，双爪卡具上设有外螺旋内空心式的钻杆，所述接头与钻杆采用凸凹卡扣式连接，相应的钻杆之间也采用凸凹卡扣式连接，所述双爪卡具为四个、相应的钻杆也是四个、并且其中的一个钻杆上设有钻头。
所述传动齿轮、连接盘传动齿轮及齿轮箱均采用正齿齿轮传动。
为了方便对钻杆的抓卡，所述双爪卡具及单爪卡具均采用电磁铁与弹簧联合驱动。
为了防止采集到钻杆内的月球土壤脱落，所述钻杆下端内部设有防脱器，所述防脱器为半球形壳体，其上设有贯通缝。
为了防止钻杆遇到岩石过载损坏，所述接头的凸块上方设有扭矩传感器。
本发明的有益效果是：相比现有技术，本发明包括动力部分及换杆部分，其中动力部分采用由升降电机、旋转电机提供动力，并通过齿轮及滚珠丝杠传动的结构，换杆部分采用了由电磁铁与弹簧联合驱动的双爪卡具抓卡外螺旋内空心式钻杆，并且采用四根钻杆对接的结构，因此具有体积小、重量轻、能耗小、并可实现自动深层采样的优点，接头部分设置了扭矩传感器，具有防止钻杆过载损坏的优点；另外钻杆内设有防脱器，因此可采集到从地面到所采深度的全部土壤样品，而且可使采集到的样品基本保持原样并且具有便于回收的优点。
附图说明
图1是本发明整体结构立体图；
图2是本发明所述动力部分的立体图；
图3是本发明所述换杆部分的立体图；
图4是本发明所述双爪卡具的立体图；
图5是本发明所述端面齿盘***及单爪卡具的立体图；
图6是本发明所述防脱器的立体图；
图7是本发明所述接头与旋转电机传动关系的立体图；
图8是本发明第一根钻杆下钻时工作状态立体图；
图9是本发明第一次换杆时工作状态立体图；
图10是本发明第一、二钻杆对接下钻时工作状态立体图；
图11是本发明四根钻杆对接下钻时工作状态立体图；
图12是本发明第四根钻杆回收时工作状态立体图。
图中：1升降电机、2滚珠丝杠、3丝杠螺母、4连接盘、5导轨、6旋转电机、7接头、7.1棱锥、7.2凸块、8扭矩传感器、9齿轮箱、10转轴、11钻杆、11.1第一根钻杆、11.2第二根钻杆、11.3第三根钻杆、11.4第四根钻杆、12双爪卡具、13钻头、14单爪卡具、15端面齿盘***、16传动齿轮、17防脱器、17.1贯通缝、18连接盘传动齿轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
如图1-3所示的一种月球土壤采样器，包括由月球车携带或者直接安放在月球着陆器上的外壳、及设于外壳内的动力部分和换杆部分。其中月球土壤采样器的动力来自月球车或着陆器的太阳能电池。
如图2所示本发明所述动力部分，动力部分包括顺次连接的升降电机1、传动齿轮16、滚珠丝杠2、丝杠螺母3、及设置于丝杠螺母3下方并与其3固连的连接盘4。所述升降电机1的作用是提供动力，带动传动齿轮16及滚珠丝杠2转动，使丝杠螺母3及连接盘4实现上下方向的升降运动。如图1、图2、图7所示的连接盘4，其内部设有连接盘传动齿轮18、外部设有与连接盘传动齿轮18相连的旋转电机6和接头7，所述连接盘4上贯穿有与滚珠丝杠2相平行的导轨5，所述接头7的上端设有棱锥7.1、下端设有凸块7.2。旋转电机6通过带动连接盘传动齿轮18转动进而带动连接盘4转动。
如图3所示本发明所述的换杆部分，换杆部分包括齿轮箱9、与其相连的转轴10、，设于转轴10上的双爪卡具12、设于转轴10末端并互相连接的端面齿盘***15及单爪卡具14。所述双爪卡具12上设有钻杆11。如图1所示，所述接头7始终位于齿轮箱9和钻杆11之间，其向上运动可以通过接头7的棱锥7.1与齿轮箱9结合，进而通过连接盘传动齿轮18带动转轴10转动，实现换杆运动；其向下运动则可以通过接头7与钻杆11的凸凹卡扣式连接，带动钻杆11旋转与升降，实现钻探运动。端面齿盘定位装置15可以保证换杆时转轴10每次旋转90°；单爪卡具14在提升钻杆11时可协助完成各钻杆间的拆开与对接。为了便于下钻及顺利采集样品，所述钻杆11为外螺旋内空心式钻杆。为了实现1.5m以上的深层采样，并且同时满足月球车对携带物品要求的体积小、重量轻、便于携带的设计目标，所述钻杆11为四个，每个钻杆11的最佳设计长度为400mm，并且其中的一个钻杆11上设有钻头13，相应的所述双爪卡具12也是四个。为了减少钻探过程中的摩擦力，所述钻头13的直径略大于所述钻杆11的直径。为了便于钻杆11之间的对接，所述接头7与钻杆11采用凸凹卡扣式连接，相应的钻杆11之间也采用凸凹卡扣式连接。为了方便对钻杆11的抓卡，设计了如图4、图5所示的双爪卡具12及单爪卡具14，所述双爪卡具12及单爪卡具14均采用电磁铁与弹簧联合驱动。为了节省轴向空间，所述升降电机1与旋转电机6的输出端均采用一对正齿轮来转化为平行轴输出的方式，相应的传动齿轮16、连接盘传动齿轮18及齿轮箱9均采用正齿齿轮传动。
为了防止采集到钻杆内的月球土壤脱落，所述钻杆11下端内部设有防脱器17，如图6所示，所述防脱器17为半球形壳体，其上设有贯通缝17.1，样品可顶开壳体进入钻杆11，因此可采集到从地面到所采深度的全部土壤样品，而且可使采集到的样品基本保持原样并且具有便于回收的优点。
为了防止钻杆遇到岩石过载损坏，如图7所示，所述接头7的凸块7.2上方设有扭矩传感器8。
本发明的工作原理：初始布置时，如图1所示，将带钻头13的第一根钻杆11.1、接头7和齿轮箱9中远离转轴10的齿轮同心布置，四根钻杆分别通过四个双爪卡具12固定。
如图8所示第一根钻杆11.1下钻，月球采样器收到触发信号开始工作，接头7下降并***第一根钻杆11.1的上部，然后接头7正转30°实现与第一根钻杆11.1的啮合。之后抓卡第一根钻杆11.1的双爪卡具12在电磁铁及弹簧的驱动下放开第一根钻杆11.1，接头7带动第一根钻杆11.1进行旋转下钻运动直到设定的位置，从而完成第一根钻杆11.1的下钻。
如图9所示的第一次换杆动作，接头7反转30°然后上移与第一根钻杆11.1脱开，其上移高度应使接头7的棱锥7.1恰好与齿轮箱9结合。接头7通过齿轮箱9带动转轴10旋转90°，使第二根钻杆11.2旋转到第一根钻杆11.1原来的位置，从而完成第一次换杆动作。
如图10所示的第一、二根钻杆对接与下钻，接头7下移脱开齿轮箱9并与新转过来的第二根钻杆11.2啮合，双爪卡具12松开第二根钻杆11.2，接头7带动第二根钻杆11.2下移并与第一根钻杆11.1啮合，接头7同时带动第一、二根钻杆11.1、11.2共同完成下钻运动，这样就实现了第一、二根钻杆11.1、11.2的对接与下钻。
如图11所示四根钻杆的对接与下钻，同理第三、四根钻杆11.3、11.4以同样的方式运动，直至四根钻杆全部对接并成功下钻，至此下钻过程结束。此时月壤样品11经进入钻杆的空腔中，由于钻杆底部装有防脱落装置，因此样品不会脱出。
如图12所示的第四根钻杆11.4的回收，接头7首先带动所有钻杆原位反向旋转若干圈，以使所有凸凹连接处都变为反向啮合，然后接头7反转提升所有钻杆11至设定高度，双爪卡具12抓住第四根钻杆11.4，接头7正转60°使其与第四根钻杆11.4变为正向啮合，双爪卡具12松开第四根钻杆11.4，单爪卡具14抓住第三根钻杆11.3的顶端，接头7带动第四根钻杆11.4正转30°然后上移，从而将第四根钻杆11.4与第三根钻杆11.3脱开。上移到各钻杆的初始布置高度时，双爪卡具12抓住第四根钻杆11.4，接头7脱开第四根钻杆11.4并驱动转轴10旋转90°，从而完成第四根钻杆11.4的回收工作。同理接头7重新回到采样器底部与第三根钻杆11.3连接，并依次完成对其余三根钻杆的回收。回收完毕，整个采样器将恢复到初始的如图1所示状态，从而完成一个采样循环。
因此本发明具有体积小、重量轻、能耗小、可实现自动深层采样的优点，接头部分设置了扭矩传感器，具有防止钻杆过载损坏的优点；另外钻杆内设有防脱器，因此可采集到从地面到所采深度的全部土壤样品，而且可使采集到的样品基本保持原样并且具有便于回收的优点。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种月球土壤采样器，包括外壳，其特征在于：所述外壳内部设有动力部分和换杆部分；
动力部分包括顺次连接的升降电机、传动齿轮、滚珠丝杠、丝杠螺母及与丝杠螺母固连的连接盘，连接盘内部设有连接盘传动齿轮、其外部设有与连接盘传动齿轮相连的旋转电机和接头、连接盘上贯穿有与滚珠丝杠相平行的导轨，所述接头的上端设有棱锥、下端设有凸块；
换杆部分包括齿轮箱、与其相连的转轴，设于转轴上的双爪卡具、设于转轴末端并互相连接的端面齿盘***及单爪卡具，双爪卡具上设有外螺旋内空心式的钻杆，所述接头与钻杆采用凸凹卡扣式连接，相应的钻杆之间也采用凸凹卡扣式连接，所述双爪卡具为四个、相应的钻杆也是四个、并且其中的一个钻杆上设有钻头。
2.根据权利要求1所述的月球土壤采样器，其特征在于：所述传动齿轮、连接盘传动齿轮及齿轮箱均采用正齿齿轮传动。
3.根据权利要求1所述的月球土壤采样器，其特征在于：所述双爪卡具及单爪卡具均采用电磁铁与弹簧联合驱动。
4.根据权利要求1所述的月球土壤采样器，其特征在于：所述钻杆下端内部设有防脱器，所述防脱器为半球形壳体，其上设有贯通缝。
5.根据权利要求1-4任一所述的月球土壤采样器，其特征在于：所述接头的凸块上方设有扭矩传感器。
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