一种冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样装置的制作方法

本发明属于深空探测技术领域，涉及一种冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样装置。

背景技术：

我国探月四期工程月球极区永久阴影区内水冰冻土采样探测科学任务。根据国内外月球探测数据分析结果，月球极区深度剖面内0.5-3m深度区间为水冰大概率富集区。为了保证获得含水冰样品的概率，要求在1m左右深度开展取样。考虑到我国探月四期工程属于无人探月工程，要求所有的科学探测都得在无人的条件下完成，因此所采用的采样方案需自主完成掘进、取芯、样品转移至科学仪器处的全流程动作。

月壤具有密实、大内摩擦角、级配宽的特点，如果再含有一定的水冰成分，其力学性能变得更为复杂。因此，如何高可靠的、无人自主的实现月球极区永久阴影区内1m左右深度含水冰样品的取样是一大难题。

国内尚未见到关于月球极区冻土取样技术研究的文章。国外的研究主要集中的在冻土存在形式及力学性质，以及采样机构的研究。据相关文件报道，国外目前各家采用的冻土取样方案是钻取方案，基本原理是利用一根细长的外螺旋钻具实现对冻土的钻进取样，钻具的前端安装有耐磨的切削钻头，钻具的驱动机构则安装在钻具的尾部。钻取方案的优点在于钻进能量密度高，可以比较可靠的实现冻土钻进取样；缺点在于支持钻具钻进取样的外部机构特别复杂，质量重、体积大、功耗大，上述缺点与航天的需要存在一定的冲突。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样装置，采用了一种基于冲击贯入潜入驱动机理的掘进、取芯方案，打通了无人自主采样、样品转移全流程运动动作流程，系统的解决了运动动作的衔接及系统集成难题。

本发明解决技术的方案是：

一种冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样装置，包括随动电缆、旋转轴、主壳体、冲击贯入式潜入器、锁紧机构和采样机构；其中，主壳体为轴向竖直放置的中空柱状壳体；旋转轴固定设置在主壳体的内部顶端；冲击贯入式潜入器轴向竖直设置在主壳体内腔中；随动电缆缠绕在旋转轴上，且随动电缆的一端伸出主壳体顶端且固定；随动电缆的另一端缠绕旋转轴后与冲击贯入式潜入器顶端固定连接；锁紧机构为环状结构；锁紧机构设置在冲击贯入式潜入器的外壁，且伸出主壳体，实现将冲击贯入式潜入器相对于主壳体锁死限位或解锁释放；采样机构设置在主壳体的底端。

在上述的一种冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样装置，所述采样机构包括采样盒、取样铲、连接杆和移动杆；其中，采样盒为上端开口的盒体；取样铲为水平放置在采样盒上方的平板结构；采样盒与取样铲通过连接杆连接；移动杆水平设置在连接杆的外侧壁，实现移动杆推动采样盒、取样铲、连接杆做平移运动。

在上述的一种冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样装置，所述采样器伸入外部水冰冻土的过程为：

解锁锁紧机构，实现冲击贯入式潜入器与主壳体解除限位；逆时针旋转旋转轴收紧随动电缆，实现冲击贯入式潜入器在随动电缆的拉动下竖直上升；当冲击贯入式潜入器上升至预设位置，释放旋转轴，旋转轴自由顺时针旋转释放随动电缆，冲击贯入式潜入器由势能转化为动能竖直向下冲击，伸入外部水冰冻土中。

在上述的一种冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样装置，所述冲击贯入式潜入器包括冲击功驱动机构和取芯机构；冲击功驱动机构轴向竖直放置，且冲击功驱动机构的顶端与随动电缆固定连接；取芯机构固定安装在冲击功驱动机构的轴向底端。

在上述的一种冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样装置，所述冲击功驱动机构包括丝杠、驱动单元、隔振装置、储能弹簧、丝母、冲击锤；其中，驱动单元顶部与随动电缆固定连接；丝杠轴向竖直设置在驱动单元的底端轴心处；隔振装置设置在驱动单元的底端且呈环形分布；冲击锤为轴向竖直放置的柱状结构；丝母伸入冲击锤内部，且丝母设置在冲击锤轴线处的顶端；丝母的底端设置有长方体卡座，通过长方体卡座实现丝母与冲击锤的固定连接；丝母与丝杠螺纹配合；储能弹簧套装在丝杠的外壁；储能弹簧的轴向顶端与驱动单元底部接触；储能弹簧的轴向底端与冲击锤顶部接触；驱动单元驱动丝杠转动，实现冲击锤在与丝母的螺纹配合下，竖直向上移动。

在上述的一种冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样装置，所述冲击锤内部设置有释放槽；释放槽形状与长方体卡座对应；丝母实现在冲击锤内部同轴旋转；当冲击锤竖直上移时，丝母旋转至长方体卡座与释放槽错开，实现长方体卡座对冲击锤的限位；通过驱动单元驱动丝杠转动，带动丝母和冲击锤竖直上移；当冲击锤上升至预设位置后，旋转丝母至长方体卡座与释放槽重合；冲击锤脱离长方体卡座的限位，自由落下，实现对取芯机构的冲击。

在上述的一种冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样装置，每次冲击后，隔振装置实现对冲击功驱动机构的缓冲减震；完成一次冲击后，通过驱动单元驱动丝杠反向转动，带动丝母向下移动，伸入冲击锤；旋转丝母至长方体卡座与释放槽错开，实现长方体卡座对冲击锤的限位；实现冲击锤反复冲击取芯机构。

在上述的一种冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样装置，所述取芯机构为洛阳铲结构；取芯机构包括圆板式顶板和环状侧壁；顶板水平固定安装在冲击功驱动机构的底部；环状侧壁轴向竖直同轴固定安装在顶板的底部；环状侧壁沿竖直方向设置有取土开口；环状侧壁的内部为空腔结构，实现对外部水冰冻土的采集；环状侧壁的底端外壁设置有排土楔面；环状侧壁的内端外壁设置有驱土加压楔面。

在上述的一种冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样装置，冲击锤反复对顶板进行冲击，实现将外部水冰冻土加压密实压紧在环状侧壁的内腔中。

在上述的一种冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样装置，所述采样装置的采用过程为：

取芯机构提取到密实水冰冻土后，旋转轴逆时针旋转收紧随动电缆，带动冲击贯入式潜入器上移，上移至预定位置后，采样机构在移动杆的带动下整体平移，直至采样盒移动至环状侧壁的正下方，同时取样铲从环状侧壁的取土开口处伸入环状侧壁中；旋转轴继续逆时针旋转，带动冲击贯入式潜入器继续上移，实现取样铲将环状侧壁内腔中的外部水冰冻土铲掉，收集到采样盒中，完成采样。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明首次提出并设计开发了一种‘洛阳铲式’贯入取芯机构，该贯入取芯机构相比传统圆锥形侵彻头锥，具有挤密程度小，取芯样品保持原位特性等优点，因此具有更强的贯入能力及更优的取芯性能。该型取芯机构在样品取出机构的配合工作下，可实现对月壤深度剖面的高保真原位连续采样；

(2)本发明提出了一种大冲击功机构布局方案，采用丝杠提升机构取代常用的凸轮机构，大大提高了重锤抬升过程中的弹簧压缩量，实现了更多弹簧势能的储存，从而重锤释放过程中获得更多的动能，从而实现了冲击过程的大冲击功；

(3)本发明设计了采样机构，在提取外部水冻土的过程中，直接实现了在水冻土上升过程中对水冻土采样，同时，在采样之前，平移采样机构并不影响继续伸入土壤采样，结构简单，采样可靠。

附图说明

图1为本发明连续采样装置整体示意图；

图2为本发明冲击贯入式潜入器示意图；

图3为本发明冲击功驱动机构示意图；

图4为本发明长方体卡座与释放槽配合关系示意图；

图5为本发明取芯机构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提出了一种冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样装置，针对月球极区永久阴影区内1m深度水冰冻土采样目标，创新设计了一种基于冲击贯入潜入驱动机理的掘进、取芯方案，打通了无人自主采样、样品转移全流程运动动作流程，系统的解决了运动动作的衔接及系统集成难题。一种冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样方法。

本发明通过创新设计的“洛阳铲式”贯入取芯机构实现对深层月壤或含水冰月壤样品的贯入取芯，该贯入法对原位样品的扰动极小，样品具有高保真性；‘洛阳铲式’贯入取芯机构的驱动机构为机械式大冲击功驱动机构，其采用丝杠提升机构取代常用的凸轮机构实现了大冲击功的输出。在机械式大冲击功驱动机构重锤的敲击作用下，洛阳铲式’贯入取芯机构逐步下潜到设定潜入深度，完成一次取样。

冲击贯入潜入式深层水冰冻土连续采样装置具体结构如图1所示，主要包括随动电缆1、旋转轴2、主壳体3、冲击贯入式潜入器4、锁紧机构5和采样机构6；其中，主壳体3为轴向竖直放置的中空柱状壳体；旋转轴2固定设置在主壳体3的内部顶端；冲击贯入式潜入器4轴向竖直设置在主壳体3内腔中；随动电缆1缠绕在旋转轴2上，且随动电缆1的一端伸出主壳体3顶端且固定；随动电缆1的另一端缠绕旋转轴2后与冲击贯入式潜入器4顶端固定连接；锁紧机构5为环状结构；锁紧机构5设置在冲击贯入式潜入器4的外壁，且伸出主壳体3，实现将冲击贯入式潜入器4相对于主壳体3锁死限位或解锁释放；采样机构6设置在主壳体3的底端。

本发明实现了深层月壤或含水冰月壤采样、回收全流程机构运动的技术方案如附图1所示，由随动电缆1、旋转轴2、主壳体3、冲击贯入式潜入器4、锁紧机构5和采样机构6等部分构成。其中，冲击贯入式潜入器4又由‘洛阳铲式’贯入取芯机构8、机械式大冲击功驱动机构7两部分构成。

工作原理：冲击贯入式潜入器4的底端安装的‘洛阳铲式’贯入取芯机构8，利用多次冲击贯入能量实现取土器的贯入取土；达到设定贯入深度后，线缆管理及提升机构通过随动电缆1，将冲击贯入式潜入器4提升至取土位置高度；最后采样机构6将取样铲62插入环状侧壁82中，随动电缆1将冲击贯入式潜入器4提升至初始位置高度，取样铲62刮出样品至采样盒61中，完成样品转移。上述动作在预编程软件控制下，循环完成贯入取芯、潜入器提升、样品取出、潜入器下放至上一次开展提升的位置，实现月壤样品的无人自主采样、回收。

采样机构6作为取样的主要结构，解决了将外部水冰冻土提出地表后，如何铲取采样的问题，如图1所示，采样机构6包括采样盒61、取样铲62、连接杆63和移动杆64；其中，采样盒61为上端开口的盒体；取样铲62为水平放置在采样盒61上方的平板结构；采样盒61与取样铲62通过连接杆63连接；移动杆64水平设置在连接杆63的外侧壁，实现移动杆64推动采样盒61、取样铲62、连接杆63做平移运动。

采样器伸入外部水冰冻土的过程为：

解锁锁紧机构5，实现冲击贯入式潜入器4与主壳体3解除限位；逆时针旋转旋转轴2收紧随动电缆1，实现冲击贯入式潜入器4在随动电缆1的拉动下竖直上升；当冲击贯入式潜入器4上升至预设位置，释放旋转轴2，旋转轴2自由顺时针旋转释放随动电缆1，冲击贯入式潜入器4由势能转化为动能竖直向下冲击，伸入外部水冰冻土中。

冲击贯入式潜入器4作为连续采样装置的主要水冻土的提取机构，主要分为2个部分，分别是冲击功驱动机构7和取芯机构8，如图2所示，冲击功驱动机构7轴向竖直放置，且冲击功驱动机构7的顶端与随动电缆1固定连接；取芯机构8固定安装在冲击功驱动机构7的轴向底端。

冲击功驱动机构7由冲击锤14、储能弹簧12、驱动单10元、隔振装置11构成，如附图3所示。冲击锤是冲击作用的主动物体；储能弹簧功能是为冲击作用储存能量；驱动单元和顺序运动机构构成冲击锤运动的驱动机构，并控制冲击锤的提升和释放；隔振装置的功能是保护驱动单元及仪器舱，降低振动能量。其中，冲击功驱动机构7的具体结构如图3所示，冲击功驱动机构7包括丝杠9、驱动单元10、隔振装置11、储能弹簧12、丝母13、冲击锤14；其中，驱动单元10顶部与随动电缆1固定连接；丝杠9轴向竖直设置在驱动单元10的底端轴心处；隔振装置11设置在驱动单元10的底端且呈环形分布；冲击锤14为轴向竖直放置的柱状结构；丝母13伸入冲击锤14内部，且丝母13设置在冲击锤14轴线处的顶端；丝母13的底端设置有长方体卡座131，通过长方体卡座131实现丝母13与冲击锤14的固定连接；丝母13与丝杠9螺纹配合；储能弹簧12套装在丝杠9的外壁；储能弹簧12的轴向顶端与驱动单元10底部接触；储能弹簧12的轴向底端与冲击锤14顶部接触；驱动单元10驱动丝杠9转动，实现冲击锤14在与丝母13的螺纹配合下，竖直向上移动。

丝母13能够实现对冲击锤14的限位和释放2个动作，丝母13与冲击锤14的具体配合关系如图4所示，冲击锤14内部设置有释放槽141；释放槽141形状与长方体卡座131对应；丝母13实现在冲击锤14内部同轴旋转；当冲击锤14竖直上移时，丝母13旋转至长方体卡座131与释放槽141错开，实现长方体卡座131对冲击锤14的限位；通过驱动单元10驱动丝杠9转动，带动丝母13和冲击锤14竖直上移；当冲击锤14上升至预设位置后，旋转丝母13至长方体卡座131与释放槽141重合；冲击锤14脱离长方体卡座131的限位，自由落下，实现对取芯机构8的冲击。

每次冲击后，隔振装置11实现对冲击功驱动机构7的缓冲减震；完成一次冲击后，通过驱动单元10驱动丝杠9反向转动，带动丝母13向下移动，伸入冲击锤14；旋转丝母13至长方体卡座131与释放槽141错开，实现长方体卡座131对冲击锤14的限位；实现冲击锤14反复冲击取芯机构8。

冲击功驱动机构7的整个流程：

s1、冲击锤14处于最下端，储能弹簧12处于释放状态，系统处于一次冲击运动的初始状态；

s2、驱动单元10驱动丝杠9运动，带动冲击锤14沿向上滑动，同时不断压缩储能弹簧12，为冲击运动储存能量；

s3、驱动单元10驱动冲击锤14上升到最高点，同时储能弹簧12被压缩到最短状态，储能弹簧12储能完毕；

s4、长方体卡座131与释放槽141重合，突然释放冲击锤14，冲击锤14在储能弹簧12的驱动下向下加速滑动，下降到最低点后与取芯机构8发生猛烈碰撞，将动量传递给取芯机构8，取芯机构8获得动量后完成对星壤的一次侵彻运动。在冲击锤14向下运动的过程中，驱动单元10在储能弹簧12的驱动下向上运动。冲击锤14与取芯机构8碰撞时刻，隔振装置11隔绝碰撞载荷脉冲向驱动单元10；

s5、冲击运动完成后，驱动单元10在隔振装置11的驱动下向下反冲运动。一次冲击运动完成，系统小幅震荡后进入下一次冲击运动的初始状态。

取芯机构8作为本发明具体对水冰冻土的装载结构，其结构的设计至关重要，直接关系到取土的成败。如图5所示，取芯机构8为洛阳铲结构；取芯机构8包括圆板式顶板81和环状侧壁82；顶板81水平固定安装在冲击功驱动机构7的底部；环状侧壁82轴向竖直同轴固定安装在顶板81的底部；环状侧壁82沿竖直方向设置有取土开口；环状侧壁82的内部为空腔结构，实现对外部水冰冻土的采集；环状侧壁82的底端外壁设置有排土楔面821；环状侧壁82的内端外壁设置有驱土加压楔面822。冲击锤14反复对顶板81进行冲击，实现将外部水冰冻土加压密实压紧在环状侧壁82的内腔中。

采样装置的采用过程为：

取芯机构8提取到密实水冰冻土后，旋转轴2逆时针旋转收紧随动电缆1，带动冲击贯入式潜入器4上移，上移至预定位置后，采样机构6在移动杆64的带动下整体平移，直至采样盒61移动至环状侧壁82的正下方，同时取样铲62从环状侧壁82的取土开口处伸入环状侧壁82中；旋转轴2继续逆时针旋转，带动冲击贯入式潜入器4继续上移，实现取样铲62将环状侧壁82内腔中的外部水冰冻土铲掉，收集到采样盒61中，完成采样。

本发明首次提出并设计开发了一种‘洛阳铲式’贯入取芯机构，该贯入取芯机构相比传统圆锥形侵彻头锥，具有挤密程度小，取芯样品保持原位特性等优点，因此具有更强的贯入能力及更优的取芯性能。该型取芯机构在样品取出机构的配合工作下，可实现对月壤深度剖面的高保真原位连续采样。同时提出了一种大冲击功机构布局方案，采用丝杠提升机构取代常用的凸轮机构，大大提高了重锤抬升过程中的弹簧压缩量，实现了更多弹簧势能的储存，从而重锤释放过程中获得更多的动能，从而实现了冲击过程的大冲击功。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。