[发明专利]一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统

说明书

本发明涉及一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，包括钻杆夹持机构、震击机构以及驱动机构，钻杆夹持机构与震击机构同轴布置且钻杆夹持机构位于震击机构的下方，驱动机构分别与钻杆夹持机构与震击机构传动连接并驱动钻杆夹持机构与震击机构运行，使震击机构对钻杆夹持机构进行击震，并使钻杆夹持机构夹紧或松开钻杆；钻杆夹持机构中部设有轴向贯穿自身的第一钻杆通道，震击机构中部设有轴向贯穿自身的第二钻杆通道，第一钻杆通道与第二钻杆通道同轴布置且用于钻杆穿过。本发明可利用震击机构对钻杆夹持机构进行击震，使钻进系统在钻进过程中给钻杆一定的震击能领，促进钻进采样过程。方便航天员从上部通过钻杆通道持续增加新的钻杆，操作方便。

技术领域

本发明涉及星球深层采样技术领域，例如月壤钻进技术领域，具体涉及一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统。

背景技术

月球样品采集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。深层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次阿波罗月球样品采集活动总计采回了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，苏联的Luna探月任务返回了301g月球样品。我国已开展的嫦娥5号采样任务获得了约200g的样品，但是该设备安装在着陆器侧面，系统设备依赖着陆器能力。前人的相关工作勾勒出了月球表面的基本状况，但也对月球深层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1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月球深层采样钻机在每次接管时，需要先将钻机与钻杆脱离，在连接新的钻杆后，再将钻机与钻杆连接，宇航员需要多次拆卸钻机与钻杆，操作不便。

发明内容

本发明为了解决星球深层采样技术在钻杆与钻进系统连接过程中操作不变的问题，提供了一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统。