CN111206897B - 月球保真取芯钻进装置及*** - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种月球保真取芯钻进装置及***，月球保真取芯钻进装置包括钻杆和内管，钻杆设有第一孔以形成第一容纳空间，内管容置于第一容纳空间，内管设有第二孔以形成第二容纳空间，第二容纳空间用于容置钻取的月芯，钻杆设有多个第一调温回路，内管设有多个第二调温回路。通过在钻杆中设置第一调温回路和第二调温回路，吸收钻杆钻取月芯的过程中产生的热量或对月芯释放热量，从而使得内管中的月芯保持原位温度，有利于维持月芯的原位岩芯成分信息和赋存状态信息。

Description

月球保真取芯钻进装置及***

技术领域

本发明属于月球的地质探索领域，尤其涉及一种月球保真取芯钻进装置和具有该月球保真取芯钻进装置的月球保真取芯钻进***。

背景技术

月球以其独特的空间位置、广阔的科学探索前景及丰富的环境物质资源，成为了人类探索发现宇宙空间天体的首选。其中，获取并保真月芯是人类探月工程中的重要步骤。

保真包括保温（温度）、保湿（湿度）、保质（成分）、保压（压力）和保光（光通量），由于月球表面既没有空气也无水，为高真空环境，无需保湿和保压，因此，在月球上保真取芯主要是保温、保湿和保光。其中，在钻取月芯的切削过程中会产生难以及时消散的热量。当月芯吸收这些热量时，月芯的温度就会偏离原先在月层中的温度，从而丢失原位岩芯成分信息和赋存状态信息。

因此，如何在钻取月芯的过程中，对月球保真取芯钻进装置进行冷却是当前研究的重点。

发明内容

本发明的目的是提供一种月球保真取芯钻进装置，能够消除月球保真取芯钻进装置在钻取月芯过程中产生的热量。

为实现本发明的目的，本发明提供了如下的技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种月球保真取芯钻进装置，月球保真取芯钻进装置包括钻杆和内管，所述钻杆设有第一孔以形成第一容纳空间，所述内管容置于所述第一容纳空间，所述内管设有第二孔以形成第二容纳空间，所述第二容纳空间用于容置钻取的月芯，所述钻杆设有多个第一调温回路，所述内管设有多个第二调温回路。

一种实施方式中，所述第一调温回路沿所述钻杆的延伸方向延伸，所述第二调温回路沿所述内管的延伸方向延伸，所述钻杆的延伸方向与所述内管的延伸方向相同。

一种实施方式中，所述钻杆包括钻头部，所述钻头部用于钻开月表并向月层深处钻探，所述第一调温回路的部分延伸至所述钻头部内并形成第一调温部，所述第一调温部与钻头部的轮廓对应。

一种实施方式中，所述钻头部测温件，所述测温件用于测量所述内管、所述钻头部和所述月芯的温度。

一种实施方式中，所述月球保真取芯钻进装置还包括多个控制阀和调温件，所述调温件分别与所述控制阀和所述测温件电连接，所述控制阀设于所述第一调温回路的第一进液孔和所述第二调温回路的第二进液孔，所述第一进液孔设于所述钻杆与所述内管相对的内壁，所述第二进液孔设于所述内管与所述钻杆相对的外壁，所述第一进液孔用于为所述第一调温回路输入介质，所述第二进液孔用于为所述第二调温回路输入介质，所述调温件控制所述控制阀以调节所述第一调温回路和所述第二调温回路的介质的流量。

一种实施方式中，所述月球保真取芯钻进装置设有进液总道，所述进液总道设于所述内管背向所述钻头部的一端，所述进液总道的第三进液孔设有控制阀，所述第三进液孔用于为所述进液总道输入所述介质，所述介质通过所述进液总道，从所述第一进液孔进入所述第一调温回路，并从所述第二进液孔进入所述第二调温回路。

一种实施方式中，所述第一调温回路的第一出液孔和所述第二调温回路的第二出液孔均与所述进液总道位于所述月球保真取芯钻进装置的同一侧，所述第一调温回路的介质通过所述第一出液孔流出，所述第二调温回路的介质通过所述第二出液孔流出。

一种实施方式中，所述钻杆还包括主体部和连接部，所述钻头部、所述主体部和所述连接部依次连接以形成钻杆，所述主体部的外周设有多个凸起，所述钻杆的连接部与所述内管连接。

一种实施方式中，所述月球保真取芯钻进装置设有出液总道，所述出液总道设于所述内管，所述第一调温回路与所述第二调温回路均与所述出液总道连通，所述第一调温回路的介质与所述第二调温回路的介质均通过所述出液总道流出。

一种实施方式中，所述月球保真取芯钻进装置还包括软袋，所述软袋套设于所述内管朝向月球内部的一端，当所述月球保真取芯钻进装置钻取月芯时，所述月芯推动所述软袋并伸入所述第二孔，以使所述软袋包裹所述内管中的月芯，所述软袋用于对所述月芯保湿和保光。

一种实施方式中，所述月球保真取芯钻进装置还包括卡爪，所述卡爪设于所述内管之靠近所述钻头部的端部，当所述月球保真取芯钻进装置完成取芯并远离所述月层时，所述卡爪卡断月芯，以使所述月芯与所述月层分离并容置于所述第二容纳空间。

第二方面，本发明实施例还提供了一种月球保真取芯钻进***，月球保真取芯钻进***包括驱动件和如第一方面任一项实施方式所述的月球保真取芯钻进装置，所述驱动件与所述月球保真取芯钻进装置连接，所述驱动件用于驱动所述月球保真取芯钻进装置旋转以钻取月芯。

通过在钻杆中设置第一调温回路和第二调温回路，吸收钻杆钻取月芯的过程中产生的热量或对月芯释放热量，从而使得内管中的月芯保持原位温度，有利于维持月芯的原位岩芯成分信息和赋存状态信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术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发明的一些实施方式，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是本发明实施例提供的月球保真取芯钻进装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种月球保真取芯钻进装置100，月球保真取芯钻进装置100针对于月球的极端环境，主要用于钻取和收纳月芯，对于地质条件与月球类似的其他星球，本发明提供月球保真取芯钻进装置100也可适用。月球保真取芯钻进装置100包括钻杆10和内管20，钻杆10设有第一孔101以形成第一容纳空间102，内管20容置于第一容纳空间102，内管20设有第二孔201以形成第二容纳空间202，第二容纳空间202用于容置钻取的月芯，钻杆10设有多个第一调温回路11，内管20设有多个第二调温回路21。具体的，第一孔101为通孔，便于月芯通过第一孔101进入钻杆10，再通过第二孔201进入内管20。第二孔201为盲孔，其开口朝向与钻取方向相同，即朝向月球内部，便于月芯进入第二孔201后密封储存。第一孔101与第二孔201的轴线重合。钻杆10和内管20均可采用强度较高的轻质合金。

可以理解的是，月球保真取芯钻进装置100在钻取月芯时，容易产生热量，月层中的月芯吸收热量会升温而超过原位温度。另外，由于月球昼夜温差大，当外界气温较低时，月层中的月芯的热量容易散失，当月芯吸收钻取过程的热量值低于散失的热量值时，月芯的温度会低于原位温度。调温回路既可以通入冷却介质吸收热量，也可以通入增热介质散发热量，以维持月芯的原位温度。

通过在钻杆10中设置第一调温回路11和第二调温回路21，吸收钻杆10钻取月芯的过程中产生的热量或对月芯释放热量，从而使得内管20中的月芯保持原位温度，有利于维持月芯的原位岩芯成分信息和赋存状态信息。

一种实施方式中，请参阅图1，第一调温回路11沿钻杆10的延伸方向91延伸，第二调温回路21沿内管20的延伸方向92延伸，钻杆10的延伸方向91与内管20的延伸方向92相同。具体的，钻杆10的延伸方向91和内管20的延伸方向92即月球保真取芯钻进装置100的钻进方向。可以理解的是，第一调温回路11沿钻杆10的延伸方向91延伸，即第一调温回路11的介质的主要流动方向与钻杆10的延伸方向91大致相同。第二调温回路21沿内管20的延伸方向92延伸，即第二调温回路21的介质的主要流动方向与内管20的延伸方向92大致相同。通过设置第一调温回路11沿钻杆10的延伸方向91延伸，第二调温回路21沿内管20的延伸方向92延伸，第一调温回路11对钻杆10的整体进行冷却（增温），第二调温回路21对内管20的整体进行冷却（增温），从而提高第一调温回路11和第二调温回路21对钻取月芯产生的热量的吸收（释放）效率，有利于维持月芯的原位温度。

具体的，多条第一调温回路11在钻杆10的四周排列，多条第一调温回路11的延伸方向均与钻杆10的延伸方向91相同，并且多条第一调温回路11通过多条通路连接。另外，多条第一调温回路11可具有一个共用的进口和一个共用的出口，或者多个进口和多个出口。第二调温回路12的排布方式第一调温回路11相同。

一种实施方式中，请参阅图1，钻杆10包括钻头部12，钻头部12用于钻开月表并向月层深处钻探，第一调温回路11的部分延伸至钻头部12内并形成第一调温部113，第一调温部113与钻头部12的轮廓对应。具体的，钻头部12的外周为锥面，钻头部12设有内孔121，内孔121相当于第一孔101的一部分，但内孔121的直径小于第一孔101的直径，与第二孔201的直径相近。钻头部12设有勾状凸起122，勾状凸起122位于钻头部12之内管20朝向月球内部的一端，勾状凸起122用于保护内管20朝向月球内部的端部。可以理解的是，钻杆10在钻进过程中产生的热量主要集中在钻头部12，对钻头部12的冷却非常重要。第一调温回路11的介质抵达钻头部12后，进入第一调温部113，沿着钻头部12的轮廓流动一周再离开钻头部12。第一调温部113的大体呈“C”形。通过设置第一调温部113，第一调温部113与钻头部12的轮廓对应，介质能够对钻头部12的整体进行冷却（增温），从而提高钻头部12的冷却（增温）效果，有利于维持月芯的原位温度。

一种实施方式中，请参阅图1，钻头部12设有测温件（未图示），测温件用于测量内管20、钻头部12和月芯的温度。具体的，测温件设于钻杆10的钻头部12之朝向内管20的外壁，且不突出于外壁的平面，可以通过在外壁开槽以容置测温件，也可以设于钻头部12的内部。测温件测量内管20的内壁的各个位置的温度、钻头部12的勾状凸起122的温度以及月芯的温度。测温件可以为接触式测温，也可以为红外线测温等非接触式测温。通过设置测温件，测量钻头部12、内管20和月芯进行温度，便于控制月芯的温度，维持月芯的原位温度。

一种实施方式中，请参阅图1，月球保真取芯钻进装置100还包括多个控制阀30和调温件（未图示），调温件分别与控制阀30和测温件电连接，控制阀30设于第一调温回路11的第一进液孔111和第二调温回路21的第二进液孔211，第一进液孔111设于钻杆10与内管20相对的内壁，第二进液孔211设于内管20与钻杆10相对的外壁，第一进液孔111用于为第一调温回路11输入介质，第二进液孔211用于为第二调温回路21输入介质，调温件控制控制阀30以调节第一调温回路11和第二调温回路21的介质的流量。具体的，第一调温回路11的介质的流量越高，第一调温回路11的冷却（增温）效果越好，钻杆10的温度则降低；第一调温回路11的介质的流量越低，第一调温回路11的冷却（增温）效果越差，钻杆10的温度则升高。另外，控制阀30具有打开和关闭的功能。介质优选为液体。控制阀30具有开关和调节流量的功能。可以理解的是，钻杆10和内管20均与月芯之间存在热传导，月芯通过吸收钻杆10和内管20的热量而升温或将热量散发至钻杆10和内管20而降温。另外，不同深度的月层的成分、密度和结构等属性存在差异，使得钻杆10钻取不同深度的月芯所产生的热量也不同。此时第一调温回路11和第二调温回路21的冷却效果可能不足或者过盈，月芯的温度高于原位温度或者低于原位温度。

通过设置控制阀30和调温件，调温件分别与控制阀30和测温件电连接，调温件对内管20、钻杆10以及月芯均进行温度监控，当月芯的温度偏离原位温度时，调温件控制控制阀30调节第一调温回路11和第二调温回路21的流量，从而控制内管20和钻杆10的温度，使得月芯的温度回到原位温度，有利于维持月芯的原位岩芯成分信息和赋存状态信息。

一种实施方式中，请参阅图1，月球保真取芯钻进装置100设有进液总道41，进液总道41设于内管20背向钻头部12的一端，进液总道41的第三进液孔411设有控制阀30，第三进液孔411用于为进液总道41输入介质，介质通过进液总道41，从第一进液孔111进入第一调温回路11，并从第二进液孔211进入第二调温回路21。通过设置进液总道41，介质可通过进液总道41输入至第一调温回路11和第二调温回路21，便于简化月球保真取芯钻进装置100的结构，同时，设置控制阀30于进液总道41的第三进液孔411，便于进一步调节第一调温回路11和第二调温回路21中介质的流量，有利于调温件进行调温，维持月芯的原位温度。

一种实施方式中，请参阅图1，第一调温回路11的第一出液孔112和第二调温回路21的第二出液孔212均与进液总道41位于月球保真取芯钻进装置100的同一侧，第一调温回路11的介质通过第一出液孔112流出，第二调温回路21的介质通过第二出液孔212流出。具体的，第一调温回路11的第一出液孔112设于钻杆10背向钻头部12的端面，第二调温回路21的第二出液孔212设于内管20背向钻头部12的端面。通过上述设置，第一调温回路11和第二调温回路21的输入和输出位于月球保真取芯钻进装置的同一侧，便于简化内管20和钻杆10的结构。

一种实施方式中，请参阅图1，钻杆10还包括主体部13和连接部14，钻头部12、主体部13和连接部14依次连接以形成钻杆10，主体部13的外周设有多个凸起131，钻杆10的连接部14与内管20连接。具体的，主体部13与连接部14为一体式结构。通过设置多个凸起131于主体部13的外周，增大钻杆10的切削速度，带离切削过程中的堆积颗粒，避免堆积区土体过多而影响钻进速度。

一种实施方式中，请参阅图1，月球保真取芯钻进装置100设有出液总道（未图示），出液总道设于内管20，第一调温回路11与第二调温回路21均与出液总道连通，第一调温回路11的介质与第二调温回路21的介质均通过出液总道流出。具体的，出液总道可位于钻杆10或内管20上，与进液总道41位于月球保真取芯钻进装置100的同一侧。通过设置出液总道，便于收集循环结束的介质，同时有利于简化内管20和钻杆10的结构。

一种实施方式中，请参阅图1，月球保真取芯钻进装置100还包括软袋50，软袋50套设于内管20朝向月球内部的一端，当月球保真取芯钻进装置100钻取月芯时，月芯推动软袋50并伸入第二孔201，以使软袋50包裹内管20中的月芯，软袋50用于对月芯保湿和保光。具体的，软袋50为采用复合材料制成，具有保湿，保光的特性。可以理解的是，在月芯进入内管20前，软袋50套盖设于内管20朝向月球内部的一端，且软袋50的余量收纳于内管20的外壁。当月球保真取芯钻进装置100钻取月芯时，月芯接触软袋50，并将软袋50推进第二孔201，软袋50位于内管20外壁的余量向内管20朝向月球内部的一端移动，从而使得内管20中的月芯被软袋50包裹。通过设置软袋50，软袋50包裹内管20中的月芯，从而对月芯进行保湿和保光，有利于维持月芯的原位岩芯成分信息和赋存状态信息。

一种实施方式中，请参阅图1，月球保真取芯钻进装置100还包括卡爪（未图示），卡爪设于内管20之靠近钻头部12的端部，当月球保真取芯钻进装置100完成取芯并远离月层时，卡爪卡断月芯，以使月芯与月层分离并容置于第二容纳空间202。具体的，卡爪与内管20连接固定。卡爪具有易进难出的特点，当月芯通过卡爪进入内管20时，月芯受到的阻力较小；当月芯通过卡爪离开内管20时，月芯受到较大的阻力，而难以离开内管20，因此卡爪具有一定的支撑作用。另外，卡爪适用于钻取月岩的情况下，当钻取月壤时，因月壤结构松散，卡爪不易支撑，可用自封环代替卡爪，自封环夹断月壤，并封闭以支撑月壤。通过设置卡爪，月球保真取芯钻进装置100完成取芯并远离月层时，卡爪卡断月芯，便于内管20将月芯带离月层。

请参阅图1，本发明实施例还提供了一种月球保真取芯钻进***，月球保真取芯钻进***包括驱动件和本发明实施例提供的月球保真取芯钻进装置100，驱动件与月球保真取芯钻进装置100连接，驱动件用于驱动月球保真取芯钻进装置100旋转以钻取月芯。通过在月球保真取芯钻进***中加入本发明提供的月球保真取芯钻进装置100，月球保真取芯钻进***在钻取月芯的过程中，能够吸收钻取产生的摩擦热或对月芯释放热量，使得月芯保持原位温度，有利于维持月芯的原位岩芯成分信息和赋存状态信息。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种月球保真取芯钻进装置，其特征在于，包括钻杆和内管，所述钻杆设有第一孔以形成第一容纳空间，所述内管容置于所述第一容纳空间，所述内管设有第二孔以形成第二容纳空间，所述第二容纳空间用于容置钻取的月芯，所述钻杆设有多个第一调温回路，所述内管设有多个第二调温回路；

所述第一调温回路沿所述钻杆的延伸方向延伸，所述第二调温回路沿所述内管的延伸方向延伸，所述钻杆的延伸方向与所述内管的延伸方向相同；

所述钻杆包括钻头部，所述钻头部用于钻开月表并向月层深处钻探，所述第一调温回路的部分延伸至所述钻头部内并形成第一调温部，所述第一调温部与钻头部的轮廓对应；

所述钻头部设有测温件，所述测温件用于测量所述内管、所述钻头部和所述月芯的温度；

所述月球保真取芯钻进装置还包括多个控制阀和调温件，所述调温件分别与所述控制阀和所述测温件电连接，所述控制阀设于所述第一调温回路的第一进液孔和所述第二调温回路的第二进液孔，所述第一进液孔设于所述钻杆与所述内管相对的内壁，所述第二进液孔设于所述内管与所述钻杆相对的外壁，所述第一进液孔用于为所述第一调温回路输入介质，所述第二进液孔用于为所述第二调温回路输入介质，所述调温件控制所述控制阀以调节所述第一调温回路和所述第二调温回路的介质的流量；

所述月球保真取芯钻进装置设有进液总道，所述进液总道设于所述内管背向所述钻头部的一端，所述进液总道的第三进液孔设有控制阀，所述第三进液孔用于为所述进液总道输入所述介质，所述介质通过所述进液总道，从所述第一进液孔进入所述第一调温回路，并从所述第二进液孔进入所述第二调温回路；

所述第一调温回路的第一出液孔和所述第二调温回路的第二出液孔均与所述进液总道位于所述月球保真取芯钻进装置的同一侧；

所述月球保真取芯钻进装置还包括软袋，所述软袋用于对所述月芯保湿和保光。

2.如权利要求1所述的月球保真取芯钻进装置，其特征在于，所述第一调温回路的介质通过所述第一出液孔流出，所述第二调温回路的介质通过所述第二出液孔流出。

3.如权利要求2所述的月球保真取芯钻进装置，其特征在于，所述钻杆还包括主体部和连接部，所述钻头部、所述主体部和所述连接部依次连接以形成钻杆，所述主体部的外周设有多个凸起，所述钻杆的连接部与所述内管连接。

4.如权利要求1所述的月球保真取芯钻进装置，其特征在于，所述月球保真取芯钻进装置设有出液总道，所述出液总道设于所述内管，所述第一调温回路与所述第二调温回路均与所述出液总道连通，所述第一调温回路的介质与所述第二调温回路的介质均通过所述出液总道流出。

5.如权利要求1所述的月球保真取芯钻进装置，其特征在于，所述软袋套设于所述内管朝向月球内部的一端，当所述月球保真取芯钻进装置钻取月芯时，所述月芯推动所述软袋并伸入所述第二孔，以使所述软袋包裹所述内管中的月芯。

6.如权利要求1所述的月球保真取芯钻进装置，其特征在于，所述月球保真取芯钻进装置还包括卡爪，所述卡爪设于所述内管之靠近所述钻头部的端部，当所述月球保真取芯钻进装置完成取芯并远离所述月层时，所述卡爪卡断月芯，以使所述月芯与所述月层分离并容置于所述第二容纳空间。

7.一种月球保真取芯钻进***，其特征在于，包括驱动件和如权利要求1至6任一项所述的月球保真取芯钻进装置，所述驱动件与所述月球保真取芯钻进装置连接，所述驱动件用于驱动所述月球保真取芯钻进装置旋转以钻取月芯。