[发明专利]一种具有样品锁止功能的月壤深层采样钻杆

说明书

本发明涉及一种具有样品锁止功能的月壤深层采样钻杆，包括钻杆本体、样品锁止结构和内部取芯管，样品锁止结构内设有样品阻断机构；内部取芯管和所述样品锁止结构分别套设在钻杆本体内且可相对所述钻杆本体轴向移动，所述内部取芯管一端外侧壁上设有销钉，所述样品锁止结构内侧壁上设有限位滑槽，所述内部取芯管一端套设在所述样品锁止结构内，所述销钉可滑动的设置在所述限位滑槽内；所述内部取芯管相对于样品锁止结构轴向移动，使所述样品阻断机构从被内部取芯管撑开状态变化为闭合状态。本发明的月壤深层采样钻杆采用双层钻杆结构，外部采用外螺纹钻杆，可以有效提高钻进效率，内部取芯管采用带有样品锁止结构的光杆，可以更快速的提取样品。

技术领域

本发明涉及月球探测深层采样技术领域，具体涉及一种具有样品锁止功能的月壤深层采样钻杆。

背景技术

月球探测最重要、最有特色的任务之一是在月表选择性地采集各种类型、具有重大科学价值的月球样品。月球探测采集月球样品可追溯到阿波罗时代，阿波罗登月计划的重大成果即体现在采集回的月球样品，以及全世界围绕这些样品、经过长达半个世纪的研究所取得的大量新发现。6次阿波罗月球探测活动总计采回了381.7Kg月球样品，其中颗粒小于1cm的样品约24Kg，这些样品大多数在约翰逊太空中心进行初步粒度分选，其中1cm以上的部分仅有1.3Kg。此外，前苏联的Luna探月任务返回了301g月球样品。我国目前还未开展过任何地外采样返回任务，预计今年发射的嫦娥5号将首次开展月球采样返回任务，拟采集月壤、石块和月壤剖面样品共计约2kg。前人的相关工作勾勒出了月球表面的基本状况，但也对月球探测的样品收集工作提出了更高的挑战。

月球上的第一批取样孔是由美国Apollo 11宇航员们于1969年钻成的(如图一所示)。Apollo 11宇航员用地质锤把铝质管形取土器打入月壤壤，取出了第一批15cm深的样品(直径20mm)。但无论怎样用力打击,取土器都无法达到更大的深度。宇航员认为，1965年设计的取土器管靴结构不适应该深度Y壤的强度，土样在取土器内锥面下被压实、变形。为此，Apollo 12采用改进型外锥面取土器，但3名宇航员仍要花费35～40min来取样。取芯管外径2.8cm内径2cm，长度39.9cm，总体重量约327g。钻头主要有直管型和锥型两种，直管型只能取疏松的表土采样，而对相对密实的Y壤则效果不佳，12和14任务该换为锥型头。通过锤击，最大贯入深度可达70cm。但该采样方式不具备普适性，依赖松软的土壤特性。

在后期15～17任务中，取样钻机装备Apollo Lunar Surface Drill(ALSD)取代了压入/贯入式取样，成为主要的深度采样装备。ALSD属于“螺旋钻杆+螺旋岩心管和取心装置+硬质合金钻头”的组合式取心钻进。应用电池包供电，钻机驱动钻头和钻管，施加振击辅助旋转钻进，进行深度方向钻进过程中以钻管接管的方式补充，最后通过扳子撬起钻杆来回收取芯样品。整套装备包括电池包(16个氧化锌-银电池)、电机(2270振击/分钟，280RPM)、热保护套、钛合金钻管(外径2.5cm，内径2cm，长度42.5cm，共6根)、碳化钨钻头(6cm长，5个镶块)、踏板(起到稳定安装和钻进、撬起钻管的支座等作用)、撬起钻管用的扳子、放置进行热流实验探测装置的扩孔钻管组(硼增强的玻纤复合材料)，ALSD采样包总质量13.4kg，功率430W，钻速280RPM，振击频率约37.8Hz。钻机自重11.8kg，钻压来自钻机自重和宇航员的体重。最深钻进达到近3m。

Apollo月球深层采样钻管存在不能有效保存所钻取的样品，在钻杆提取过程重有部分样品丢失。Apollo 16在72～80cm段无样品，80～120cm段样品断断续续，Apollo 17在38～40cm和71～80cm段无样品等问题。

螺旋钻具在钻机自重和宇航员给进力共同作用下，钻入月壤，但钻达设计深度后往往从月壤中起拔岩心管很困难，为此还专门设计了从孔内撬出钻杆和岩心管的工具。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种具有样品锁止功能的月壤深层采样钻杆。