一种具有样品锁止功能的月壤深层采样钻杆的制作方法

本发明涉及月球探测深层采样技术领域，具体涉及一种具有样品锁止功能的月壤深层采样钻杆。

背景技术：

月球探测最重要、最有特色的任务之一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。月球探测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次阿波罗月球探测活动总计采回了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，前苏联的luna探月任务返回了301g月球样品。我国目前还未开展过任何地外采样返回任务，预计今年发射的嫦娥5号将首次开展月球采样返回任务，拟采集月壤、石块和月壤剖面样品共计约2kg。前人的相关工作勾勒出了月球表面的基本状况，但也对月球探测的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apollo11宇航员们于1969年钻成的(如图一所示)。apollo11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，apollo12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apollolunarsurfacedrill(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月球深层采样钻管存在不能有效保存所钻取的样品，在钻杆提取过程重有部分样品丢失。apollo16在72～80cm段无样品，80～120cm段样品断断续续，apollo17在38～40cm和71～80cm段无样品等问题。

螺旋钻具在钻机自重和宇航员给进力共同作用下，钻入月壤，但钻达设计深度后往往从月壤中起拔岩心管很困难，为此还专门设计了从孔内撬出钻杆和岩心管的工具。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种具有样品锁止功能的月壤深层采样钻杆。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种具有样品锁止功能的月壤深层采样钻杆，包括钻杆本体、样品锁止结构和内部取芯管，所述样品锁止结构内设有样品阻断机构；所述内部取芯管和所述样品锁止结构分别套设在所述钻杆本体内且可相对所述钻杆本体轴向移动，所述内部取芯管一端外侧壁上设有销钉，所述样品锁止结构内侧壁上设有限位滑槽，所述内部取芯管一端套设在所述样品锁止结构内，所述销钉可滑动的设置在所述限位滑槽内；所述内部取芯管相对于样品锁止结构轴向移动，使所述样品阻断机构从被内部取芯管撑开状态变化为闭合状态。

本发明的有益效果是：本发明的月壤深层采样钻杆采用双层钻杆结构，外部采用外螺纹钻杆，可以有效提高钻进效率，内部取芯管采用带有样品锁止结构的光杆，可以更快速的提取样品。内部取芯管通过销钉滑槽的形式与样品锁止结构相连，这样不仅可以通过限位滑槽保证样品钻取过程中内部取芯管和样品锁止结构相对位置固定，还可以保证在样品提取过程中内部取芯管和样品锁止结构相对滑动。提取样品时，只需要将内部取芯管取出，不需要将外部的钻杆本体取出，样品提取过程方便，不需要单独的钻杆提升装置。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述样品阻断机构包括若干切断挡片，若干所述切断挡片分别安装在所述样品锁止结构内；采样前，若干所述切断挡片被所述内部取芯管撑开，采样后，若干所述切断挡片闭合形成一阻断面。

采用上述进一步方案的有益效果是：初始状态内部切断挡片打开，通过内部取芯管限制切断挡片的位置，保证内部取芯管受力变形储能，当内部取芯管向上提取超过切断挡片最高点时，切断挡片在弹力作用下闭合，将样品切断，并封装在内部取芯管内部。

进一步，所述切断挡片通过扭簧安装在所述样品锁止结构内。

采用上述进一步方案的有益效果是：利用扭簧为切断挡片闭合提供弹性复原力。

进一步，所述切断挡片呈扇形结构，其弧形端安装在所述样品锁止结构内。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用扇形结构的切断挡片，可将若干切断挡片像花瓣一样撑开或闭合，方便安装操作，对样品的切断效果更好。

进一步，所述切断挡片的自由端为倒钩结构，其形成的阻断面向上拱起。

采用上述进一步方案的有益效果是：如果所钻取样品最低端为坚硬的月岩，当切断挡片在弹簧力作用下不足以将样品切断时，此时切断挡片为半闭合的倒钩形式，能够紧密锁住样品。

进一步，所述样品锁止结构包括切断挡片安装座和锁芯机构连接件，所述切断挡片安装座螺纹连接在所述锁芯机构连接件一端，所述切断挡片安装在所述切断挡片安装座位于所述锁芯机构连接件内的一端上；所述切断挡片安装座的中空结构内设有第一限位滑槽，所述锁芯机构连接件的中空结构内设有与第一限位滑槽对应的第二限位滑槽，所述销钉在所述第一限位滑槽以及与之对应的第二限位滑槽内滑动。

采用上述进一步方案的有益效果是：在切断挡片安装座和锁芯机构连接件上分别设置限位滑槽，当销钉从第一限位滑槽中滑出后，内部取芯管解除对切断挡片的约束，内部取芯管可以继续沿着第二限位滑槽滑动，将样品取出。

进一步，所述样品锁止结构还包括楔形块，所述楔形块螺纹连接在所述切断挡片安装座远离所述锁芯机构连接件的一端上，所述楔形块为中空的锥形收口结构；所述样品阻断机构还包括抱紧环，所述抱紧环置于所述锥形收口结构内。

采用上述进一步方案的有益效果是：楔形块与抱紧环组合形成二层样品锁止组件，与切断挡片配合，在钻杆本体底部形成双层样品锁止组件，可以有效防止样品在提升过程中脱落。双层样品锁止组件不仅能够将松软的月壤锁止，也可以将坚硬的月岩进行锁止。

进一步，所述锁芯机构连接件内侧壁靠近所述切断挡片安装座的位置形成有用于容纳撑开状态的切断挡片的容纳空间。

采用上述进一步方案的有益效果是：方便切断挡片被撑开时置于所述容纳空间内，不影响内部取芯管的轴向移动。

进一步，所述第一限位滑槽远离所述切断挡片的一端周向延伸形成有限位段一，所述第二限位滑槽远离所述切断挡片的一端周向延伸形成有限位段二。

采用上述进一步方案的有益效果是：限位段一和限位段二的设置方便内部取芯管的上下限位。

进一步，还包括驱动安装接头，所述内部取芯管通过驱动安装接头与外钻管连接。

附图说明

图1为本发明月壤深层采样钻杆切断挡片闭合状态示意图；

图2为图1中a部的放大结构示意图；

图3为本发明月壤深层采样钻杆切断挡片被内部取芯管撑开状态示意图；

图4为图3中b部的放大结构示意图；

图5为本发明样品锁止结构的结构示意图；

图6为本发明切断挡片状态变化示意图；

图7为本发明抱紧环初始状态和抱紧状态示意图；

图8为本发明销钉在限位滑槽内位置变化示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、钻杆本体；2、钻头；3、内部取芯管；31、销钉；4、切断挡片；41、扭簧；42、耳板；5、抱紧环；6、切断挡片安装座；61、第一限位滑槽；62、限位段一；7、锁芯机构连接件；71、第二限位滑槽；72、限位段二；73、容纳空间；8、楔形块；9、驱动安装接头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-图8所示，本实施例的一种具有样品锁止功能的月壤深层采样钻杆，包括钻杆本体1、样品锁止结构和内部取芯管3，所述样品锁止结构内设有样品阻断机构；所述内部取芯管3和所述样品锁止结构分别套设在所述钻杆本体1内且可相对所述钻杆本体1轴向移动，所述内部取芯管3一端外侧壁上设有销钉31，所述样品锁止结构内侧壁上设有限位滑槽，所述内部取芯管3一端套设在所述样品锁止结构内，所述销钉31可滑动的设置在所述限位滑槽内；所述内部取芯管3相对于样品锁止结构轴向移动，使所述样品阻断机构从被内部取芯管3撑开状态变化为闭合状态。所述钻杆本体1下端连接有钻头2，所述样品锁止结构靠近所述钻头2布置。

本实施例的月壤深层采样钻杆采用双层钻杆结构，外部采用外螺纹钻杆，可以有效提高钻进效率，内部取芯管采用带有样品锁止结构的光杆，可以更快速的提取样品。内部取芯管通过销钉滑槽的形式与样品锁止结构相连，这样不仅可以通过限位滑槽保证样品钻取过程中内部取芯管和样品锁止结构相对位置固定，还可以保证在样品提取过程中内部取芯管和样品锁止结构相对滑动。提取样品时，只需要将内部取芯管取出，不需要将外部的钻杆本体取出，样品提取过程方便，不需要单独的钻杆提升装置。

如图1-图6所示，本实施例的所述样品阻断机构包括若干切断挡片4，若干所述切断挡片4分别安装在所述样品锁止结构内；采样前，若干所述切断挡片4被所述内部取芯管3撑开，采样后，若干所述切断挡片4闭合形成一阻断面。初始状态内部切断挡片4打开，通过内部取芯管3限制切断挡片4的位置，保证内部取芯管3受力变形储能，当内部取芯管3向上提取超过切断挡片4最高点时，切断挡片4在弹力作用下闭合，将样品切断，并封装在内部取芯管3内部。

如图6所示，本实施例的一个具体方案为，所述切断挡片4通过扭簧41安装在所述样品锁止结构内。利用扭簧为切断挡片闭合提供弹性复原力。具体如图6所示，在切断挡片安装座6的一端端面上开设有若干缺口，在所述缺口内安装销轴，将扭簧41套设在所述销轴上，所述切断挡片4的表面形成有两个平行布置的耳板42，所述销轴贯穿所述耳板布置，所述扭簧41两端分别抵接在所述切断挡片安装座6的缺口内以及所述切断挡片4位于两个耳板之间的部分上。

如图1-图6所示，本实施例的一个优选方案为，所述切断挡片4呈扇形结构，其弧形端安装在所述样品锁止结构内，其尖端为自由端，且当切断挡片闭合时，切断挡片4的尖端位于所述切断挡片安装座6的轴线上。采用扇形结构的切断挡片，可将若干切断挡片像花瓣一样撑开或闭合，方便安装操作，对样品的切断效果更好。

本实施例的一个具体方案为，如图6所示，所述切断挡片4优选为4个，所述切断挡片4为四分之一扇形结构，四个切断挡片4组成一组切断锁止组件，初始状态内部的切断挡片4打开，通过内部取芯管3限制切断挡片4的位置，保证内部取芯管3受力变形储能，当内部取芯管3向上提取超过切断挡片4最高点时，切断挡片4在弹力作用下闭合，将样品切断，并封装在内部取芯管3内部。图6中，a为4个切断挡片4被内部取芯管3撑开状态示意图；b为内部取芯管3取消对4个切断挡片4的约束后，当样品较硬时，切断挡片4不能完全闭合时的状态示意图；c为4个切断挡片4完全闭合状态示意图。

其中，如图6所示，本实施例的所述切断挡片4的自由端为倒钩结构，其形成的阻断面向上拱起，形成类似球面的封装结构。如果所钻取样品最低端为坚硬的月岩，当切断挡片在弹簧力作用下不足以将样品切断时，此时切断挡片为半闭合的倒钩形式，能够紧密锁住样品。

如图1-图5所示，本实施例的所述样品锁止结构包括切断挡片安装座6和锁芯机构连接件7，所述切断挡片安装座6螺纹连接在所述锁芯机构连接件7一端，所述切断挡片4安装在所述切断挡片安装座6位于所述锁芯机构连接件7内的一端上；所述切断挡片安装座6的中空结构内设有第一限位滑槽61，所述锁芯机构连接件7的中空结构内设有与第一限位滑槽61对应的第二限位滑槽71，所述销钉31在所述第一限位滑槽61以及与之对应的第二限位滑槽71内滑动。所述第一限位滑槽61和第二限位滑槽71分别平行于锁芯机构连接件的轴线布置，所述第一限位滑槽61和第二限位滑槽71优选为并排均匀布置的4个，在切断挡片安装座和锁芯机构连接件上分别设置限位滑槽，当销钉从第一限位滑槽中滑出后，内部取芯管解除对切断挡片的约束，内部取芯管可以继续沿着第二限位滑槽滑动，将样品取出。

如图1-图5所示，本实施例的一个优选方案为，所述样品锁止结构还包括楔形块8，所述楔形块8螺纹连接在所述切断挡片安装座6远离所述锁芯机构连接件7的一端上，所述楔形块8为中空的锥形收口结构；所述样品阻断机构还包括抱紧环5，所述抱紧环5置于所述锥形收口结构内，所述抱紧环为c型抱紧环。楔形块8置于所述钻头2内。带有倒钩和外锥面的的c型抱紧环适配可自由活动的置于所述锥形收口结构内，当楔形块8随着内部取芯管3向上提取过程中，楔形块8的锥形收口结构挤压c型抱紧环的外锥面，使其径向尺寸收缩，将样品锁住，防止其脱落。如图7所示，本实施例的c型抱紧环具体呈环形，其上设有一圈具有倒钩结构的抱紧片，使整个抱紧环的截面呈c型。

本实施例的楔形块8与抱紧环5组合形成二层样品锁止组件，与切断挡片4配合，在钻杆本体1底部形成双层样品锁止组件，可以有效防止样品在提升过程中脱落。双层样品锁止组件不仅能够将松软的月壤锁止，也可以将坚硬的月岩进行锁止。由楔形块8、切断挡片安装座6、锁芯机构连接件7、c型抱紧环和切断挡片4限制共同组成样品锁止结构，其可以适应各种硬度的样品的锁止功能。

如图2、图4和图5所示，本实施例的一个具体方案为，所述锁芯机构连接件7内侧壁靠近所述切断挡片安装座6的位置形成有用于容纳撑开状态的切断挡片4的容纳空间。容纳空间为凹陷形成，即锁芯机构连接件7下端内侧壁上凹陷形成所述容纳空间，所述容纳空间靠近端部的内表面形成有内螺纹，切断挡片安装座6安装在内螺纹上，但切断挡片安装座6并没有将所述容纳空间填充满，留有的部分容纳空间用于容纳被撑开的切断挡片，具体可参见图4，方便切断挡片被撑开时置于所述容纳空间内，不影响内部取芯管的轴向移动。

如图8所示，本实施例的一个优选方案为，所述第一限位滑槽61远离所述切断挡片4的一端周向延伸形成有限位段一62，即限位段一62位于所述第一限位滑槽61的下端；所述第二限位滑槽71远离所述切断挡片4的一端周向延伸形成有限位段二72，即限位段二72位于所述第二限位滑槽71的上端。限位段一和限位段二的设置方便内部取芯管的上下限位。其中限位段一62和限位段二72的延伸方向可以相同也可以不同。限位段一62和限位段二72也是采用滑槽的形式，便于销钉滑入限位。图8中，a为销钉31位于切断挡片安装座6内限位段一62内的结构状态示意图；随着内部取芯管3的提取，销钉31从第一限位滑槽61滑入到第二限位滑槽71内，b为销钉31位于锁芯机构连接件7上第二限位滑槽71内的结构状态示意图；继续向上提取内部取芯管，c为销钉31位于第二限位滑槽71顶端的限位段二72内的结构状态示意图。

如图3所示，本实施例的采样工具还包括驱动安装接头9，所述内部取芯管3通过驱动安装接头9与钻管本体1连接。

如图1-图4所示，本实施例的内部取芯管3位于样品锁止结构的部分外侧壁上设有一台阶，使内部取芯管3位于样品锁止结构的部分较薄，而其他部分较厚，台阶的设置可以限制内部取芯管3伸入到样品锁止结构内的长度，使内部取芯管3刚好能够不从样品锁止结构中脱出。

具体的，如图1-图4所示，本实施例的钻杆本体1下端内侧壁上设有一圈凸筋，所述钻头2安装在所述钻杆本体1下端并抵接在所述凸筋下端，所述锁芯机构连接件7下端抵接在所述凸筋上端，所述切断挡片安装座6下端超出所述锁芯机构连接件7的部分抵接在所述凸筋内环壁上，锁芯机构连接件7穿入钻杆本体1的时候不会从钻杆本体1下端穿出，而是利用锁芯机构连接件7下端抵靠在凸筋上端；而楔形块8螺纹连接在切断挡片安装座6上并位于钻头2内。锁芯机构连接件7外侧壁则抵接在钻杆本体1的内侧壁上，内部取芯管3与钻杆本体1间隔布置，驱动安装接头9安装在所述钻杆本体1和内部取芯管3上端并限位在内部取芯管3与钻杆本体1之间的间隙中。

本实施例的一种具有样品锁止功能的月壤深层采样钻杆的工作过程为，航天员在进行月球深层采样时，首先将驱动安装接头9与手持式钻杆驱动装置连接，向下进行钻取采样，当第一节钻杆90％钻入月壤后，将驱动安装接头取下，连接新的内、外钻杆，然后再通过驱动安装接头9与钻杆驱动装置连接，继续向下钻取，直至达到所取样深度。样品提取过程中，首先将内部取芯管3旋转预设角度(例如90°)，将其上的销钉31从切断挡片安装座6上限位段一62滑出，然后向上提取内部取芯管3，使销钉31沿第一限位滑槽61向上滑动，当内部取芯管3最低点超过切断挡片4的最高点时，切断挡片4在扭簧41弹力作用下闭合，将月壤样品切断，并封装在内部取芯管3中，此时内部取芯管3上的销钉31滑入到锁芯机构连接件7上的第二限位滑槽71中并滑动到限位段二72处，再将内部取芯管3旋转预设角度，使其上的销钉31置于限位段二72内，使内部取芯管3和锁芯机构连接件7相对锁定，然后继续向上提取内部取芯管3，样品锁止结构将随着内部取芯管3一起上升，直至样品全部取出。如果所钻取样品最低端为坚硬的月岩，此时切断挡片4在扭簧41的弹力作用下不足以将样品切断，此时切断挡片4为半闭合状态的倒钩的形式，紧密锁住样品。除此之外，在内部取芯管3提取过程中，带有内部倒钩的c型抱紧环在楔形块8的收口结构挤压下，径向收缩，将样品锁紧，此时切断挡片4与抱紧环5组成双层锁止结构，防止底部样品脱落。

本发明在钻杆本体底部设置双层样品锁止组件，可以有效防止样品在提升过程中脱落；双层样品锁止组件不仅能够将松软的月壤锁止，也可以将坚硬的月岩锁止；提取样品时，只需要将内部取芯管取出，不需要将外螺纹钻杆本体取出，样品提取过程方便，不需要单独钻杆提升装置。采用双层钻杆结构，外部采用外螺纹钻杆，可以有有效提高钻进效率，内部取芯管采用带有样品锁止组件的光杆，可以更快速提取样品。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。