一种钻取试验方法及试验系统与流程

本发明涉及一种钻取试验方法及试验系统，属于深空探测技术领域。

背景技术：

探月三期钻取采样装置需要通过钻进取芯技术，钻取着陆点目标区域内深度约2米的月壤样品。在采样装置研制过程中，需模拟月球表面1/6重力与高低温环境，开展低重力高低温钻取试验，验证特殊环境下的钻取性能。钻取试验系统通常包括模拟月壤单元、取芯钻具单元、钻具驱动单元及试验台架，模拟月壤单元用于模拟月壤，取芯钻具单元用于钻取模拟月壤以获取月壤样品，钻具驱动单元用于驱动取芯钻具单元，模拟月壤单元、取芯钻具单元、钻具驱动单元同轴固定在试验台架上。

现有试验方法通常将钻取试验系统搭载在落塔中，通过在落塔中竖直下落试验系统模拟低重力环境，该方法无法满足多次、力载等效的低重力钻取试验要求，且受塔高等因素影响，该方法能够提供的测试时间很短，无法长时间钻取试验要求。

技术实现要素：

本发明技术要解决的问题是：克服现有技术的不足，提供了一种钻取试验方法及试验系统，通过将模拟星壤单元、取芯钻具单元及钻具驱动单元同轴设置，并使之与水平面呈预设夹角，实现低重力模拟，该方法简单、安全可靠，可多次重复试验，且能够满足较长钻取时间要求，试验成本低。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种钻取试验方法，包括：将模拟星壤单元、取芯钻具单元及钻具驱动单元同轴设置，还包括，使所述模拟星壤单元、取芯钻具单元及钻具驱动单元与水平面呈预设夹角，进行钻取试验。

在一可选实施例中，所述预设夹角为9.594°。

在一可选实施例中，所述的钻取试验方法，还包括：通过制冷介质循环冷却所述模拟星壤单元。

在一可选实施例中，所述的钻取试验方法，还包括：当钻取时，在所述取芯钻具单元外漏部位增加热辐射。

一种钻取试验系统，包括模拟星壤单元、取芯钻具单元、钻具驱动单元及试验台架，所述模拟星壤单元、取芯钻具单元及钻具驱动单元同轴固定在试验台架上，还包括立柱和支撑台架，所述试验台架与所述立柱转动连接，当转动到一定角度时，将所述支撑台架与所述试验台架一端固定连接，支撑固定所述试验台架，以使所述模拟星壤单元、取芯钻具单元及钻具驱动单元与水平面呈预设夹角。

在一可选实施例中，所述预设夹角为9.594°。

在一可选实施例中，所述模拟星壤单元包括模拟星壤、冷盘管、星壤筒及隔热筒，所述模拟星壤位于所述星壤筒内，所述冷盘管环绕所述星壤筒设置，所述隔热筒套设在所述冷盘管外，所述试验系统还包括制冷单元，所述制冷单元控制所述制冷介质在所述冷盘管内循环。

在一可选实施例中，所述取芯钻具单元包括钻头、钻杆及加热装置，所述加热装置用于给所述取芯钻具单元外漏部位增加热辐射。

在一可选实施例中，所述的钻取试验系统，还包括样品回收单元，所述样品回收单元包括卷筒和卷筒驱动单元，所述卷筒驱动单元用于带动所述卷筒转动，所述钻杆内设有样品软袋，所述卷筒的轴线平行与所述钻杆的轴线，当所述卷筒转动时，带动所述样品软袋缠绕在所述卷筒上。

在一可选实施例中，所述的钻取试验系统，还包括与所述钻杆同轴设置的光幕测试单元，用于对所述样品软袋的外形进行监测，以判断是否成功获取样品。

在一可选实施例中，所述的钻取试验系统，还包括提芯力测试单元，包括导轮和力传感器，所述样品软袋先经过所述导轮转向后再缠绕在所述卷筒上，所述力传感器用于测试所述样品软袋对所述导轮的正压力。

在一可选实施例中，所述试验台架包括安装架和滑块，所述安装架上设有导轨，所述滑块沿所述导轨滑动，所述模拟星壤单元固定在所述滑块上，以与所述取芯钻具单元沿轴向相对运动；所述钻具驱动单元用于驱动所述取芯钻具单元回转。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明实施例提供的钻取试验方法，通过将模拟星壤单元、取芯钻具单元及钻具驱动单元同轴设置，并使之与水平面呈预设夹角，实现低重力模拟，该方法简单、安全可靠，可多次重复试验，且能够满足较长钻取时间要求，试验成本低；

(2)本发明通过对对星壤筒螺旋制冷的方法，同时实现了低重力与低温钻取环境的模拟，具有温度准确、安全可靠、操作简单的优点；

(3)本发明通过采用高频感应加热设备对钻头加热的方法，同时实现了低重力与高温钻取环境的模拟，具有加热效率高、可实现局部瞬间加热的优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的钻取试验系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的钻取试验系统局部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的钻取试验系统另一局部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1，本发明是实施例提供了一种钻取试验方法，包括将模拟星壤单元10、取芯钻具单元20及钻具驱动单元30同轴设置，还包括，使模拟星壤单元10、取芯钻具单元20及钻具驱动单元30与水平面呈预设夹角，进行钻取试验。

具体地，本发明实施例中，所述星壤可以包括月壤、火星壤及其他星球土壤，本发明不做限定；

本发明实施例提供的钻取试验方法，通过将模拟星壤单元、取芯钻具单元及钻具驱动单元同轴设置，并使之与水平面呈预设夹角，实现低重力模拟，该方法简单、安全可靠，可多次重复试验，且能够满足较长钻取时间要求，试验成本低。

在一可选实施例中，所述星壤为月壤，所述预设夹角为9.594°。当预设夹角为9.594°时，能够使钻具驱动单元与取芯钻具单元作用在钻进方向上的自重力减小至原来的1/6，模拟月壤在钻进方向上的自重力同样减小至原来的1/6，这样能够等效测试月球1/6低重力环境条件下的钻进力载，实现了模拟低重力环境下的钻取验证。

在一可选实施例中，通过制冷介质循环冷却所述模拟星壤单元。具体地，所述制冷介质可以为氟利昂、液氮以及氨和水等能够提供低温环境的介质，优选液氮。通过制冷介质冷却模拟星壤单元可以模拟各星球低温环境，例如月球表面环境温度为-40℃左右。

在一可选实施例中，所述的钻取试验方法还包括：当钻取时，在所述取芯钻具单元外漏部位增加热辐射。由钻头切削刃与岩石的切削原理可知，在切削的过程中产生大量的热，而其他星球大气环境多为真空状态或近似真空状态，所以短时间内热量又不易散发，这样钻头切削刃处温度就会急剧上升，以月球为例，钻取时温度可以达到600℃左右，通过增加热辐射，可以模拟钻进过程中钻具的高温环境。

参见图1-3，本发明还提供了一种钻取试验系统，包括模拟星壤单元10、取芯钻具单元20、钻具驱动单元30、试验台架40、立柱100和支撑台架50，模拟星壤单元10、取芯钻具单元20及钻具驱动单元30同轴固定在试验台架40上，试验台架40与立柱100转动连接，当转动到一定角度时，将支撑台架40与试验台架40一端固定连接，支撑固定试验台架40，以使模拟星壤单元10、取芯钻具单元20及钻具驱动单元30与水平面呈预设夹角。

具体地，本发明实施例中星壤可以包括月壤、火星壤及其他星球土壤，本发明不做限定；试验台架40与立柱100可以通过转轴转动连接，支撑台架50优选底部具有可调地脚及角度调节装置，其支撑稳定安全系数>3；试验台架40采用优质结构钢材焊接制成，有较高的强度，不易变形，经久耐用。在一可选实施例中，立柱100优选阶梯结构或爬梯结构，以便于操作人员进行安装调试操作平台。

本发明实施例提供的钻取试验系统，通过将模拟星壤单元、取芯钻具单元及钻具驱动单元同轴设置，并使之与水平面呈预设夹角，实现低重力模拟，该方法简单、安全可靠，可多次重复试验，且能够满足较长钻取时间要求，试验成本低。

在一可选实施例中，所述星壤为月壤，所述预设夹角为9.594°。当预设夹角为9.594°时，能够使钻具驱动单元与取芯钻具单元作用在钻进方向上的自重力减小至原来的1/6，模拟月壤在钻进方向上的自重力同样减小至原来的1/6，这样能够等效测试月球1/6低重力环境条件下的钻进力载，实现了模拟低重力环境下的钻取验证。

参见图2，在一可选实施例中，所述模拟星壤单元10包括模拟星壤(图中未示出)、冷盘管12、星壤筒11和隔热筒13，所述模拟星壤位于星壤筒11内，冷盘管12环绕星壤筒11设置，隔热筒13套设在冷盘管12外，所述系统还包括制冷单元60，在一可选实施例中，制冷单元60包括制冷介质储罐61及连接软管62，所述制冷介质储罐内存储有制冷介质，工作时，启动制冷介质储罐阀门，制冷介质经随动连接软管62进入冷盘管12，流动的制冷介质首先将星壤筒11管壁的热量吸收使星壤筒11管壁的热量降低，并与星壤筒11内部的星壤形成温差，由于建立了温差环境，热量将从高温环境向低温环境传导，从而将星壤内的热量经星壤筒壁传导到冷盘管12，同时冷盘管12又持续不断将热量传导到制冷介质中，制冷介质流动过程中将热量带走，周而复始，直至星壤筒11及内部星壤达到预设温度，例如-40℃。通过在月壤筒11内设置温度传感器，通过温度传感器给出信号，通过控制器接收信号并根据信号给出指令，压缩机组停机，制冷完成。隔热筒可在制冷机组停机后，继续保持整个星壤筒11在一定时间内维持星壤在预设温度。当星壤温度高于预设温度时，制冷系统重新启动，继续工作。

参见图3，所述取芯钻具单元20包括钻头21、钻杆22及加热线圈23，加热线圈23用于给所述取芯钻具单元外漏部位增加热辐射。在本发明实施例中，加热线圈23优选高频感应加热线圈，高频率交变电流通过被卷曲成环状的铜管时会产生磁感线，磁感线会使放在其中的金属产生涡电流，在涡电流的影响下放置在线圈中的金属就会被加热，并且能在很短的时间内达到600℃甚至以上的温度。在一可选实施例中，加热线圈23固定在星壤筒11(图中未示出)上。

参见图1，所述的钻取试验系统还包括设置在支撑台架40上的样品回收单元70，样品回收单元70包括卷筒71和卷筒驱动单元72，卷筒驱动单元72用于带动卷筒71转动，钻杆22内设有样品软袋24，卷筒71的轴线平行与钻杆22的轴线，当卷筒71转时，带动样品软袋24缠绕在卷筒71上。通过设置样品回收单元，可以自动完成取样过程，提高了试验效率。在其他实施例中，样品回收单元70还可以包括封口模块和封口闭合力测试模块，所述封口模块用于对样品软袋24的末端进行封口密闭，可以采用拉绳系扣封口方法也可以采用封口簧封口的方法，本发明不做限定，所述封口闭合力测试模块，用于测试封口模块的密闭力的大小，既可以是测试封口簧闭合力也可以测试拉绳系扣封口闭合力，本发明不做限定。

进一步地，参见图1，所述的钻取试验系统还包括与所述钻杆同轴设置的光幕测试单元80，在一可选实施例中，光幕测试单元80可以包括伺服电机和光幕式传感器，伺服电机带动光幕式传感器围绕样品软袋24回转一周，完成对所述样品软袋的外形进行监测，以判断是否成功获取样品。

进一步地，参见图1，所述的钻取试验系统还包括设置在支撑台架40上的提芯力测试单元90，包括导轮91和力传感器(图中未示出)，样品软袋24先经过导轮91转向后再缠绕在卷筒71上，所述力传感器用于测试样品软袋24对所述导轮的正压力，通过换算可以得出提芯力大小。通过测量提芯力，可以实时判断钻取过程中的取样工况状态。

参见图1，试验台架40包括安装架41和滑块42，安装架41上设有导轨，滑块42沿所述导轨滑动，模拟星壤单元10固定在所述滑块上，以与取芯钻具单元20沿轴向相对运动；钻具驱动单元30用于驱动所述取芯钻具单元回转。

具体地，通过将模拟星壤单元10固定在所述滑块上，靠滑块在导轨上移动来实现模拟星壤单元10移动，完成钻取试验，钻具驱动单元30用于提供输入动力，在伺服电机经行星齿轮减速器和一级平行式齿轮减速器，将动力传送到取芯钻具，完成回转取芯。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。所述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所述的具体实施例做不同的修改或补充或采用类似的方式代替，但不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。