一种月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置及采样方法

本发明属于地外天体采样探测，特别是涉及一种月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置及采样方法。

背景技术：

1、作为地球唯一的天然卫星，月球是距离地球最近的天体，因其独特的环境，一直是人类迈向浩瀚宇宙的首选目标。水一直是生命活动赖以维持的基础，自上世纪60年代watston k最早提出月球极区永久阴影区存在水冰假设开始，月球极区的月壤水冰探测已经成为各个航天大国竞相抢占的月球探索战略制高点。在历经几十年的遥感观测结果中科学家发现，在月壤表层、次表层以及剖面中存在含量不定的以冰与月壤的混合态、水冰或结合水形式等赋存方式存在的水-冰-壤的粘聚体组合。为了能够更加直接地获得月壤水冰物质形态、赋存形式以及月球水的来源机制，开展极区月壤水冰探测就尤为重要。

2、鉴于上述背景，月球极区“找”水在各国风靡起来。2020年9月，nasa发布重返月球计划，针对月球水冰物质勘探任务，美国航天局(nasa)开发了viper钻探系统，其中trident钻具系统中的钻具钻头构型为锥面基体，其上切削刃形式为锯齿刃，钻头内设嵌入式温度传感。欧洲航天局(esa)与俄罗斯联邦航天局(rka)合作计划luna-27勘探永久阴影区的水冰，其上的proseed钻具系统钻具构型为锥面直线刃钻头，为提高其定心性能，在钻具最前端增加一小尺寸定心刃。proseed钻具上设有取样管，当钻具钻进达到目标深度后，取样管从钻头上深处继续钻进，并对相应钻进部分月壤切屑进行取样收集保存，完成一次取样后，取样管缩回钻具内，拔钻将样品进行运移。对于我们国家而言，继2020年嫦娥五号成功在月球表面取样带回1731g月壤后，将接续实施嫦娥七号极区原位探测认证任务，以探测极区永久阴影区水冰物质形态。

3、但月球南极永久阴影区内的极端环境条件给飞跃器的采样探测任务带来了极大挑战，永久阴影区坑内的苛刻能耗、极端低温、月壤水冰机械强度高、水冰分布随机以及水冰采集过程中极易由于力热等各种扰动产生相变造成挥发，因此本发明便针对上述难点，提出一种月壤水冰剖面低热扰动钻进与提钻采样方法，为后续嫦娥七号月壤水冰采样探测任务提供方案支撑。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置及采样方法，能够改善月壤水冰样品采集过程中水冰组分易受热挥发造成采样品质降低的情况。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置，它包括飞跃器、摆转驱动机构和剖面采样机构，所述剖面采样机构包括进尺机构、回转冲击机构、剖面采样钻具单元和样本收集转移机构，所述摆转驱动机构设置在飞跃器上，所述进尺机构与摆转驱动机构相连，所述回转冲击机构与进尺机构相连，所述剖面采样钻具单元包括剖面采样钻具和温度传感器，所述温度传感器设置在剖面采样钻具的前端，所述回转冲击机构包括回转电机和冲击电机，所述回转电机通过第一齿轮副与剖面采样钻具相连，所述冲击电机通过第二齿轮副与凸轮滚子组件相连，所述凸轮滚子组件将冲击力传递给剖面采样钻具单元，所述样本收集转移机构设置在剖面采样钻具上。

3、更进一步的，所述飞跃器下方为着陆腿，所述着陆腿上设置有红外相机。

4、更进一步的，所述进尺机构为绳驱进尺机构。

5、更进一步的，所述绳驱进尺机构包括绳驱机构、钢丝绳、定滑轮组件和滑块，所述绳驱机构与钢丝绳相连，所述钢丝绳设置在定滑轮组件上，所述定滑轮组件之间设置有滑块，所述滑块与回转冲击机构相连。

6、更进一步的，所述进尺机构下方设置有锚固机构。

7、更进一步的，所述剖面采样钻具与回转冲击机构的连接处设置有电滑环，所述电滑环与温度传感器相连。

8、更进一步的，所述剖面采样钻具上设置有钻套，所述样本收集转移机构设置在钻套上。

9、更进一步的，所述样本收集转移机构包括毛刷组件和样品收集盒，所述毛刷组件设置在剖面采样钻具外侧，所述样品收集盒设置在毛刷组件下方。

10、更进一步的，所述剖面采样钻具前端为深螺旋槽结构。

11、本发明还提供了一种月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置的采样方法，它包括以下步骤：

12、步骤1：飞跃器携带剖面采样机构飞跃至永久阴影区内后，由着陆腿上的红外相机在飞跃器行走过程中进行物性探测，探测到月壤水冰富集区时，通过摆转驱动机构将剖面采样机构摆转至合适的工作位置后，飞跃器下蹲，将剖面采样机构锚固，准备开始钻进；

13、步骤2：回转电机驱动剖面采样钻具进行回转，进尺机构带动剖面采样钻具开始回转钻进，当由红外相机物性探测以及温度传感器物性检测手段监测到钻进至月壤水冰层后，改变钻进规程，降低回转转速，开启冲击规程；

14、步骤3：当剖面采样钻具钻进至月壤水冰层后，剖面采样钻具前端深槽螺旋区域内充满月壤水冰样品，通过提钻的方式将样品提出，通过毛刷组件将深螺旋槽内的样品扫落，由样品收集盒进行样品收集和转运。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够在面对机械强度高的月壤水冰这一钻进采样对象，通过回转和冲击规程的改变，完成月壤水冰样本的突破和采集，并能够降低采样过程中产生的热扰动，减少水冰挥发迁移，从而保证月壤水冰样品采集品质。

技术特征：

1.一种月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置，其特征在于：它包括飞跃器(1)、摆转驱动机构(2)和剖面采样机构，所述剖面采样机构包括进尺机构(3)、回转冲击机构(4)、剖面采样钻具单元(5)和样本收集转移机构(6)，所述摆转驱动机构(2)设置在飞跃器(1)上，所述进尺机构(3)与摆转驱动机构(2)相连，所述回转冲击机构(4)与进尺机构(3)相连，所述剖面采样钻具单元(5)包括剖面采样钻具(5-1)和温度传感器(5-3)，所述温度传感器(5-3)设置在剖面采样钻具(5-1)的前端，所述回转冲击机构(4)包括回转电机(4-1)和冲击电机(4-3)，所述回转电机(4-1)通过第一齿轮副(4-2)与剖面采样钻具(5-1)相连，所述冲击电机(4-3)通过第二齿轮副(4-4)与凸轮滚子组件(4-5)相连，所述凸轮滚子组件(4-5)将冲击力传递给剖面采样钻具单元(5)，所述样本收集转移机构(6)设置在剖面采样钻具(5-1)上。

2.根据权利要求1所述的一种月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置，其特征在于：所述飞跃器(1)下方为着陆腿(1-1)，所述着陆腿(1-1)上设置有红外相机(1-2)。

3.根据权利要求1所述的一种月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置，其特征在于：所述进尺机构(3)为绳驱进尺机构。

4.根据权利要求3所述的一种月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置，其特征在于：所述绳驱进尺机构包括绳驱机构(3-1)、钢丝绳(3-2)、定滑轮组件(3-3)和滑块(3-4)，所述绳驱机构(3-1)与钢丝绳(3-2)相连，所述钢丝绳(3-2)设置在定滑轮组件(3-3)上，所述定滑轮组件(3-3)之间设置有滑块(3-4)，所述滑块(3-4)与回转冲击机构(4)相连。

5.根据权利要求1所述的一种月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置，其特征在于：所述进尺机构(3)下方设置有锚固机构(3-5)。

6.根据权利要求1所述的一种月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置，其特征在于：所述剖面采样钻具(5-1)与回转冲击机构(4)的连接处设置有电滑环(5-2)，所述电滑环(5-2)与温度传感器(5-3)相连。

7.根据权利要求1所述的一种月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置，其特征在于：所述剖面采样钻具(5-1)上设置有钻套(5-4)，所述样本收集转移机构(6)设置在钻套(5-4)上。

8.根据权利要求1所述的一种月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置，其特征在于：所述样本收集转移机构(6)包括毛刷组件(6-1)和样品收集盒(6-2)，所述毛刷组件(6-1)设置在剖面采样钻具(5-1)外侧，所述样品收集盒(6-2)设置在毛刷组件(6-1)下方。

9.根据权利要求1所述的一种月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置，其特征在于：所述剖面采样钻具(5-1)前端为深螺旋槽结构。

10.一种如权利要求1-9任意一项所述的月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置的采样方法，其特征在于：它包括以下步骤：

技术总结
本发明提出了一种月壤水冰剖面低热扰动钻进采样装置及采样方法，属于地外天体采样探测技术领域。它包括飞跃器、摆转驱动机构和剖面采样机构，剖面采样机构包括进尺机构、回转冲击机构、剖面采样钻具单元和样本收集转移机构，摆转驱动机构设置在飞跃器上，进尺机构与摆转驱动机构相连，回转冲击机构与进尺机构相连，剖面采样钻具单元包括剖面采样钻具和温度传感器，温度传感器设置在剖面采样钻具的前端，回转冲击机构包括回转电机和冲击电机，回转电机通过第一齿轮副与剖面采样钻具相连，冲击电机通过第二齿轮副与凸轮滚子组件相连，样本收集转移机构设置在剖面采样钻具上。它主要用于月壤水冰剖面的采样。

技术研发人员：张伟伟,姜生元,崔中雨,唐钧跃,任德鹏,马继楠,杨旭,倪彦硕,刘雅芳,季节,苏小波,刘荣强,邓宗全
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12