[發明專利]一種具有樣品鎖止功能的月壤深層采樣鉆桿

有效

• 申請號: 202010894384.1
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN111911088B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 趙海峰;袁子豪;寧志濤;王珂
• 申請（專利權）人: 中國科學院空間應用工程與技術中心
• 主分類號: E21B17/00
• 分類號: E21B17/00;E21B25/10
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 吳佳

本發明涉及一種具有樣品鎖止功能的月壤深層采樣鉆桿，包括鉆桿本體、樣品鎖止結構和內部取芯管，樣品鎖止結構內設有樣品阻斷機構；內部取芯管和所述樣品鎖止結構分別套設在鉆桿本體內且可相對所述鉆桿本體軸向移動，所述內部取芯管一端外側壁上設有銷釘，所述樣品鎖止結構內側壁上設有限位滑槽，所述內部取芯管一端套設在所述樣品鎖止結構內，所述銷釘可滑動的設置在所述限位滑槽內；所述內部取芯管相對于樣品鎖止結構軸向移動，使所述樣品阻斷機構從被內部取芯管撐開狀態變化為閉合狀態。本發明的月壤深層采樣鉆桿采用雙層鉆桿結構，外部采用外螺紋鉆桿，可以有效提高鉆進效率，內部取芯管采用帶有樣品鎖止結構的光桿，可以更快速的提取樣品。

技術領域

本發明涉及月球探測深層采樣技術領域，具體涉及一種具有樣品鎖止功能的月壤深層采樣鉆桿。

背景技術

月球探測最重要、最有特色的任務之一是在月表選擇性地采集各種類型、具有重大科學價值的月球樣品。月球探測采集月球樣品可追溯到阿波羅時代，阿波羅登月計劃的重大成果即體現在采集回的月球樣品，以及全世界圍繞這些樣品、經過長達半個世紀的研究所取得的大量新發現。6次阿波羅月球探測活動總計采回了381.7Kg月球樣品，其中顆粒小于1cm的樣品約24Kg，這些樣品大多數在約翰遜太空中心進行初步粒度分選，其中1cm以上的部分僅有1.3Kg。此外，前蘇聯的Luna探月任務返回了301g月球樣品。我國目前還未開展過任何地外采樣返回任務，預計今年發射的嫦娥5號將首次開展月球采樣返回任務，擬采集月壤、石塊和月壤剖面樣品共計約2kg。前人的相關工作勾勒出了月球表面的基本狀況，但也對月球探測的樣品收集工作提出了更高的挑戰。

月球上的第一批取樣孔是由美國Apollo 11宇航員們于1969年鉆成的(如圖一所示)。Apollo 11宇航員用地質錘把鋁質管形取土器打入月壤壤，取出了第一批15cm深的樣品(直徑20mm)。但無論怎樣用力打擊,取土器都無法達到更大的深度。宇航員認為，1965年設計的取土器管靴結構不適應該深度Y壤的強度，土樣在取土器內錐面下被壓實、變形。為此，Apollo 12采用改進型外錐面取土器，但3名宇航員仍要花費35～40min來取樣。取芯管外徑2.8cm內徑2cm，長度39.9cm，總體重量約327g。鉆頭主要有直管型和錐型兩種，直管型只能取疏松的表土采樣，而對相對密實的Y壤則效果不佳，12和14任務該換為錐型頭。通過錘擊，最大貫入深度可達70cm。但該采樣方式不具備普適性，依賴松軟的土壤特性。

在后期15～17任務中，取樣鉆機裝備Apollo Lunar Surface Drill(ALSD)取代了壓入/貫入式取樣，成為主要的深度采樣裝備。ALSD屬于“螺旋鉆桿+螺旋巖心管和取心裝置+硬質合金鉆頭”的組合式取心鉆進。應用電池包供電，鉆機驅動鉆頭和鉆管，施加振擊輔助旋轉鉆進，進行深度方向鉆進過程中以鉆管接管的方式補充，最后通過扳子撬起鉆桿來回收取芯樣品。整套裝備包括電池包(16個氧化鋅-銀電池)、電機(2270振擊/分鐘，280RPM)、熱保護套、鈦合金鉆管(外徑2.5cm，內徑2cm，長度42.5cm，共6根)、碳化鎢鉆頭(6cm長，5個鑲塊)、踏板(起到穩定安裝和鉆進、撬起鉆管的支座等作用)、撬起鉆管用的扳子、放置進行熱流實驗探測裝置的擴孔鉆管組(硼增強的玻纖復合材料)，ALSD采樣包總質量13.4kg，功率430W，鉆速280RPM，振擊頻率約37.8Hz。鉆機自重11.8kg，鉆壓來自鉆機自重和宇航員的體重。最深鉆進達到近3m。

Apollo月球深層采樣鉆管存在不能有效保存所鉆取的樣品，在鉆桿提取過程重有部分樣品丟失。Apollo 16在72～80cm段無樣品，80～120cm段樣品斷斷續續，Apollo 17在38～40cm和71～80cm段無樣品等問題。

螺旋鉆具在鉆機自重和宇航員給進力共同作用下，鉆入月壤，但鉆達設計深度后往往從月壤中起拔巖心管很困難，為此還專門設計了從孔內撬出鉆桿和巖心管的工具。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種具有樣品鎖止功能的月壤深層采樣鉆桿。