一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具制造技术

本发明专利技术提出了一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，属于地外天体采样探测技术领域。解决了现有钻具无法实现月壤水冰采样的问题。它包括依次相连的阶梯型钻头、采样螺旋段钻杆、过渡螺旋段钻杆和排屑螺旋段钻杆，所述阶梯型钻头的切削刃布置为阶梯型，所述采样螺旋段钻杆为深槽低升角螺旋结构，所述过渡螺旋段钻杆的基体直径逐渐增大，所述排屑螺旋段钻杆为浅槽高升角螺旋结构。它主要用于月壤水冰采样。槽高升角螺旋结构。它主要用于月壤水冰采样。槽高升角螺旋结构。它主要用于月壤水冰采样。

【技术实现步骤摘要】
一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具


[0001]本专利技术属于地外天体采样探测
，特别是涉及一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具。

技术介绍

[0002]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
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冰
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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。
[0003]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
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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。
[0004]在与月球极区月壤水冰钻进采样钻具设计直接相关的科研领域，受限于月球环境的特殊性以及月壤水冰性质的不确定性，钻具构型设计优化方案尚未形成成熟理论，在诸多问题上，都是沿用了地球地质钻具的设计理念，采用经验方法进行设计，在使用中存在局限性，当面对不同钻进对象及恶劣钻进工况时其所能起到的作用就会大打折扣。
[0005]受月球极区低温真空环境限制，钻进采样工作时间较短，因此需要在较短时间内完成钻进采样任务，但面对的目标钻进对象(即月壤水冰)抗压强度更大，切削破碎难度更高，其不均匀性易导致钻具切削刃崩坏，其所具有的磨粒特性导致钻具易磨损。由于高保真采样的任务要求，在钻进过程中要求钻具对采集到的月壤样品中的水冰含量造成尽可能少的损失量，因此要求钻具在具有高效能钻进能力的同时，具有低质损特性完成高保真采样任务要求。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，以解决现有钻具无法实现月壤水冰采样的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，它包括依次相连的阶梯型钻头、采样螺旋段钻杆、过渡螺旋段钻杆和排屑螺旋段钻杆，所述阶梯型钻头的切削刃布置为阶梯型，所述采样螺旋段钻杆为深槽低升角螺旋结构，所述过渡螺旋段钻杆的基体直径逐渐增大，所述排屑螺旋段钻杆为浅槽高升角螺旋结构。
[0008]更进一步的，所述阶梯型钻头包括依次相连的细径切削刃、大螺旋升角螺旋通道和粗径切削刃。
[0009]更进一步的，所述采样螺旋段钻杆包括采样螺旋段钻杆基体和采样螺旋段钻杆螺旋翼，所述采样螺旋段钻杆螺旋翼设置在采样螺旋段钻杆基体外侧。
[0010]更进一步的，所述过渡螺旋段钻杆包括过渡螺旋段钻杆基体和过渡螺旋段钻杆螺旋翼，所述过渡螺旋段钻杆螺旋翼设置在过渡螺旋段钻杆基体外侧。
[0011]更进一步的，所述排屑螺旋段钻杆包括排屑螺旋段钻杆基体和排屑螺旋段钻杆螺旋翼，所述排屑螺旋段钻杆螺旋翼设置在排屑螺旋段钻杆基体外侧。
[0012]更进一步的，所述采样螺旋段钻杆基体直径小于排屑螺旋段钻杆基体直径，所述过渡螺旋段钻杆基体直径逐渐增大，所述过渡螺旋段钻杆基体一端直径与采样螺旋段钻杆基体相同，另一端直径与排屑螺旋段钻杆基体相同。
[0013]更进一步的，所述采样螺旋段钻杆螺旋翼的螺旋升角小于排屑螺旋段钻杆螺旋翼的螺旋升角。
[0014]更进一步的，所述过渡螺旋段钻杆螺旋翼与采样螺旋段钻杆螺旋翼的尺寸参数相匹配。
[0015]更进一步的，所述排屑螺旋段钻杆后端设置有钻具接口。
[0016]更进一步的，所述钻具接口与钻具驱动机构相连。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种能够高效能钻进，低水冰损失的月壤水冰采样钻具，能够在较小负载完成月壤水冰的高保真采样工作，月壤水冰切屑中水冰含量损失较小。
[0018]阶梯型钻头的细径切削刃由于其尺寸小，能够较轻易地率先完成钻进突破工作，级粗径切削刃在钻进时围压消失，能够以较小负载完成扩孔钻进工作。在阶梯型钻头的细径切削刃完成快速钻进突破后，其产生的月壤水冰切屑经由大螺旋升角螺旋通道快速向上排出，避免经由多次螺旋进一步挤压破碎造成扰动，使得切屑样本内水冰含量减少；后由粗径切削刃完成扩孔钻进过程中，其不连续切削刃构型在钻进过程中尽可能的保证月壤水冰切屑能够以大颗粒团的形式存在，进一步采集到的样品品质。由采样螺旋段钻杆的深槽低升角螺旋结构完成采集样品保存工作，排屑螺旋段钻杆的浅槽高升角螺旋结构能够完成快速排屑工作。
附图说明
[0019]构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0020]图1为本专利技术所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具整体结构示意图；
[0021]图2为本专利技术所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具前端结构示意图；
[0022]图3为本专利技术所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具采样流程示意图。
[0023]1‑
阶梯型钻头，11
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细径切削刃，12
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大螺旋升角螺旋通道，13
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粗径切削刃，2
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采样螺旋段钻杆，21
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采样螺旋段钻杆基体，22
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采样螺旋段钻杆螺旋翼，3
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过渡螺旋段钻杆，31
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过渡螺旋段钻杆基体，32
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过渡螺旋段钻杆螺旋翼，4
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排屑螺旋段钻杆，41
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排屑螺旋段钻杆基体，42
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排屑螺旋段钻杆螺旋翼，5
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钻具接口。
具体实施方式
[0024]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，其特征在于：它包括依次相连的阶梯型钻头(1)、采样螺旋段钻杆(2)、过渡螺旋段钻杆(3)和排屑螺旋段钻杆(4)，所述阶梯型钻头(1)的切削刃布置为阶梯型，所述采样螺旋段钻杆(2)为深槽低升角螺旋结构，所述过渡螺旋段钻杆(3)的基体直径逐渐增大，所述排屑螺旋段钻杆(4)为浅槽高升角螺旋结构。2.根据权利要求1所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，其特征在于：所述阶梯型钻头(1)包括依次相连的细径切削刃(11)、大螺旋升角螺旋通道(12)和粗径切削刃(13)。3.根据权利要求1所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，其特征在于：所述采样螺旋段钻杆(2)包括采样螺旋段钻杆基体(21)和采样螺旋段钻杆螺旋翼(22)，所述采样螺旋段钻杆螺旋翼(22)设置在采样螺旋段钻杆基体(21)外侧。4.根据权利要求3所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，其特征在于：所述过渡螺旋段钻杆(3)包括过渡螺旋段钻杆基体(31)和过渡螺旋段钻杆螺旋翼(32)，所述过渡螺旋段钻杆螺旋翼(32)设置在过渡螺旋段钻杆基体(31)外侧。5.根据权利要求4所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜生元，张伍，饶炜，张伟伟，苏小波，张高，崔中雨，杨旭，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部四川波凡同创机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：