用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置及方法

1.本发明涉及航空航天技术领域，具体为一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置及方法。


背景技术：

2.深空探测指人类对月球及更远的天体或空间环境开展的探测活动，作为人类航天活动的重要方向和空间科学与技术创新的重要途径，是当前和未来航天领域的发展重点之一。深空探测不仅是一个国家科技水平的体现，同时也是综合国力的体现。
3.现阶段人类深空探测的主要目标是地球的唯一天然卫星：月球。月球表面的星壤成分是月球探测中一项重要的研究究方向。目前，有遥感探测，采样返回分析和原位采样探测三种主流探测方式。相对于采样返回分析遇到的返回物的污染防控和工程代价较大问题，星壤物质的原位探测方法更具有其优越性。原位采样探测装置一般搭载于着陆在月球的着陆器、星球车等智能装备上，利用采样机具获取表层或次表层星壤样品，传送至分析仪器进行现场分析。但是，现有的原位采样探测装置普遍采用钻进取芯和表面铲挖方式，这种采样方式对样品的采样量及粒径分布无法准确地控制。


技术实现要素：

4.本发明为了更好的完成星壤样品采集和挥发分探测任务，解决现有的原位采样探测装置对样品的采样量及粒径分布无法准确地控制的问题，特此提出了一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置及方法。本发明可以准确地控制星壤的采样量及粒径分布，同时可以排除大颗粒月壤对采样过程的影响，便于后续的热挥发分提取分析。
5.本发明提出了一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置，其具体包括采样管和若干吸纳片，所述吸纳片安装于采样管内部，通过控制吸纳片进样部位尺寸，实现特定粒径范围星壤的采集；采样管底部吸纳面持续存在填充压力，实现吸纳片对星壤的定密采集；吸纳片包括旋切片及定容压盖，定容压盖安装在旋切片上构成样本收纳腔，实现对星壤的定容采集。
6.更进一步地，所述采样管包括支撑管、轴、推块和板簧，所述轴安装在支撑管内并与支撑管转动连接，推块和吸纳片套装在轴上，板簧固定于轴下端并对吸纳片进行固定；动力装置驱动轴旋转，轴带动推块和吸纳片一同旋转。
7.更进一步地，所述板簧设置有若干卡块，卡块对吸纳片进行固定。
8.更进一步地，所述推块上设置有键结构，键结构与轴配合滑动。
9.更进一步地，所述采样管还包括堵头，堵头插装在支撑管下端且位于支撑管与吸纳片之间。
10.更进一步地，所述旋切片包括旋切片本体、若干切削刃和若干进样通道，旋切片本
体底部设置有进样通道，进样通道入口端加工有切削刃，切削刃在旋切作用下产生填充压力，与被压实星壤相互作用，星壤样品在底部旋切力作用下由进样通道进入样品收纳腔内，逐步将腔内填满。
11.更进一步地，所述旋切片还包括若干限位块和若干限位卡槽，旋切片本体内侧设置有限位块和限位卡槽，限位块与轴配合滑动，限位卡槽与卡块配合对吸纳片进行固定。
12.更进一步地，所述旋切片还包括第一环形凹槽，第一环形凹槽与定容压盖配合构成样品收纳腔。
13.更进一步地，所述定容压盖上设置有第二环形凹槽，第二环形凹槽与第一环形凹槽相对并扣合在一起。
14.一种采用上述用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置的取样方法，它具体包括以下步骤：
15.a.令吸纳片底部接触并压密星壤；
16.b.轴带动吸纳片正向旋转，开始采样；
17.c.采样完毕，由推块将完成采样的吸纳片推出采样管；
18.d.轴继续旋转，推块推动下一个吸纳片卡到卡块上；
19.e.轴反向旋转，升高推块；
20.f.重复a～e步操作。
21.本发明所述的用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置及方法的有益效果为：
22.(1)本发明所述的一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置及方法，通过设置的吸纳片可以准确地控制星壤的采样量及粒径分布，同时可以排除大颗粒月壤对采样过程的影响，实现了对采样量及粒径分布的准确控制，便于后续的热挥发分提取分析；
23.(2)本发明所述的一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置及方法，通过对吸纳片上的进样通道直径的限定，实现了特定粒径范围内的星壤的采集，限定了星壤比表面积的范围，对星壤加热产生的挥发分进一步量化，减少星壤不确定度，实现定粒径采集；
24.(3)本发明所述的一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置及方法，通过定容压盖和旋切片的包络，实现对容腔体积的确定，即可保证针对未知工况星壤实现低离散度定量取样，准确地控制星壤的采样量，实现定容采集；
25.(4)本发明所述的一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置及方法，在进样过程中，吸纳片底部持续存在填充压力，保证吸纳片腔内星壤样品密实度比原态星壤更高，因此在保证定容积的前提下，即可实现定量取样，实现定密实度采集；
26.(5)本发明所述的一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置及方法，通过设置的采样管可以实现若干吸纳片的连续自动采样，防止星壤进入装置内部，保证了装置的持续可靠性。
附图说明
27.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
28.在附图中：
29.图1是本发明所述的一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置的取样装置剖视结构示意图；
30.图2是本发明所述的一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置的取样装置取样端剖视结构示意图；
31.图3是本发明所述的一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置的吸纳片结构示意图；
32.图4是本发明所述的一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置的吸纳片剖视结构示意图；
33.图5是本发明所述的一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置的旋切片结构示意图；
34.图6是本发明所述的一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置的旋切片底部结构示意图；
35.图7是本发明所述的一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置的定容压盖结构示意图；
36.其中：1-支撑管，2-轴，3-推块，4-板簧，41-卡块，5-吸纳片，51-旋切片，511-第一环形凹槽，512-切削刃，513-进样通道，514-限位块，515-限位卡槽，52-定容压盖，521-第二环形凹槽，6-堵头。
具体实施方式
37.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
38.具体实施方式一：参见图1-7说明本实施方式。本实施方式所述的一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置包括采样管和若干吸纳片5，所述吸纳片5安装于采样管内部；通过控制吸纳片5进样部位的尺寸，实现特定粒径范围星壤的采集；采样管底部吸纳片5的吸纳面持续存在填充压力，实现吸纳片5对星壤的定密实度采集；吸纳片5包括旋切片51及定容压盖52，定容压盖52安装在旋切片51上构成样本收纳腔，实现对星壤的定容采集。
39.所述采样管还包括支撑管1、轴2、推块3和板簧4，所述轴2安装在支撑管1内且轴2的上端与支撑管1之间通过轴承实现转动连接，推块3和吸纳片5同轴套装在轴2上，板簧4固定于轴2下端并对吸纳片5进行固定；动力装置驱动轴2旋转，轴2带动推块3和吸纳片5一同旋转，同时推块3外侧表面设置有外螺纹，支撑管1内壁表面设置有内螺纹，推块3与支撑管1之间通过螺纹啮合来实现对吸纳片5的推动。
40.所述轴2下端开有孔，板簧4固定连接于轴2下端的孔内。
41.所述板簧4设置有若干卡块41，卡块41对吸纳片5进行固定，所述卡块41为楔形卡块。
42.所述推块3上设置有键结构，同时轴2上开设有两条对称的槽，所述键结构嵌入到
轴2的槽中，与轴2配合滑动；当动力装置驱动轴2转动时，轴2通过键结构与槽的配合带动推块3旋转，并且由于推块3与支撑管1之间通过螺纹啮合，使推块3在旋转的同时可以在轴2上往复滑动。
43.所述采样管还包括堵头6，堵头6插装在支撑管1下端且位于支撑管1与吸纳片5之间，用于防止在取样装置取样时星壤进入到装置内部，从而防止星壤影响装置的正常工作。
44.所述旋切片51包括旋切片本体、若干切削刃512和若干进样通道513，旋切片本体底部设置有进样通道513，进样通道513斜向设置，进样通道513入口端加工有切削刃512，切削刃512在旋切作用下产生填充压力，可以实现对星壤的切削，与被压实星壤相互作用，使得被切削破坏后的星壤在底部旋切力作用下沿切削刃512前刀面由进样通道513运移至吸纳片5的样品收纳腔内，并逐步将腔内填满。
45.所述旋切片51还包括若干限位块514和若干限位卡槽515，旋切片本体内侧设置有限位块514和限位卡槽515，限位块514与轴2配合滑动，限位卡槽515与卡块41配合对吸纳片5进行固定。
46.所述旋切片51上端还设置有第一环形凹槽511，第一环形凹槽511与定容压盖52配合形成样品收纳腔。
47.所述定容压盖52上设置有第二环形凹槽521，第二环形凹槽521与第一环形凹槽511相对并扣合在一起，当腔内星壤达到密实态后，定容压盖52对样品腔内的星壤样品持续施加压力，使样品内部保持不低于10kpa的内部填充围压，防止在重力、振动等外界影响下发生样品位置晃动。定容压盖52对进样通道513内的星壤样品施加压力，在样品内部形成力链效应而使样品状态稳定。
48.一种采用上述用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置的取样方法，它具体包括以下步骤：
49.a.对取样装置进行转移，令吸纳片5底部接触并压密星壤；
50.b.通过外部动力装置驱动轴2进行旋转，轴2带动吸纳片5正向旋转，开始采样；
51.c.采样完毕，由推块3将完成采样的吸纳片5推出采样管；
52.d.轴2继续旋转，推块3推动下一个吸纳片5卡到板簧4上的卡块41上；
53.e.轴2反向旋转，升高推块3；
54.f.重复a～e步操作。
55.上述一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置的具体工作原理解释如下：
56.吸纳片5通过控制进样通道513的直径，可以实现选定特定尺度以下粒径的星壤，限定了星壤比表面积的范围，进一步量化星壤加热产生挥发分，减少星壤不确定度，实现定粒径的目的；
57.吸纳片5得取样腔容积由定容压盖52和旋切片51包络形成的容腔体积确定，即可保证针对未知工况星壤，实现低离散度定量取样，达到定容腔体积的目的；
58.吸纳片5进样过程中，底部吸纳面持续存在填充压力，保证腔内星壤样品密实度比原态星壤更高，因此在保证定容积的前提下，即可实现定量取样，达到定密实度的目的。
59.当取样工作开始后，若干吸纳片5放置于采样管内部，并套在轴2上，吸纳片5上设置的限位块514嵌入到轴2上开设的槽中。采样管携带若干吸纳片5贴近取样区域地表，并令
吸纳片5底部接触并压密星壤，此时通过板簧4上的楔形限位卡块对吸纳片5的位置进行固定。通过动力装置驱动轴2旋转，轴2带动推块3和吸纳片5一同正向旋转。此时，吸纳片5底部切削刃512在旋切作用下产生填充压力，与被压实的星壤相互作用，星壤样品在底部旋切力作用下由进样通道513进入样品收纳腔内，逐步将腔内填满；与此同时，吸纳片在取样时可将底部大颗粒星壤随旋切运动运移至吸纳片5侧面，防止进样通道513被堵塞。
60.吸纳片5取样完成后，对采样管进行转移，将采样管转移至后续吸纳片5接收装置中。此时动力装置继续驱动轴2正向旋转，通过推块3与支撑管1之间的螺纹配合使推块3向吸纳片5的方向运动并对吸纳片5产生一个向外的推力，利用该推力克服板簧4的弹力，使吸纳片5通过限位卡槽515与卡块41的配合斜面摆脱板簧4对吸纳片5的固定，从而使吸纳片5从采样管内脱离。
61.已完成取样工作的吸纳片5脱离采样管后，轴2继续正向旋转，利用推块2将下一个空的吸纳片5推至工作位置并卡到卡块41上，此时动力装置带动轴2进行反向旋转使推块3上升与吸纳片5拉开一定距离，然后完成下一次取样工作。
62.采样开始前，吸纳片5的腔内未进星壤，星壤体积为0，吸纳片5腔内无围压；随着持续进样，腔内星壤体积增大，这一过程中星壤密实度几乎不变，星壤间不发生互相挤压，吸纳片腔内未形成围压p；持续的旋压进给作用使得星壤在吸纳片5腔内继续填充，受制于吸纳片5腔体容积，星壤体积增长放缓，星壤发生挤压密实度得到较快增长，腔内形成围压，并持续增大；最后围压对星壤的作用与吸纳片5旋压进给的作用达到平衡，腔内围压达到最大值，腔内星壤密实度/密度趋于稳定。
63.总结上述实施案例，本发明所述的一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置及采样方法，通过设置的吸纳片5可以准确地控制星壤的采样量及粒径分布，同时可以排除大颗粒月壤对采样过程的影响，实现了对采样量及粒径分布的准确控制，便于后续的热挥发分提取分析。
64.本发明通过控制进样通道513的直径，实现特定粒径范围内的星壤的采集，限定了星壤比表面积的范围，对星壤加热产生的挥发分实现进一步的量化，减少星壤的不确定度，实现定粒径采集；通过定容压盖52和旋切片51的包络，实现对容腔体积的确定，即可保证针对未知工况星壤实现低离散度定量取样，准确地控制星壤的采样量，实现定容采集。
65.本发明在进样过程中，吸纳片底部持续存在填充压力，保证吸纳片腔内星壤样品密实度比原态星壤更高，因此在保证定容积的前提下，即可实现定量取样，实现定密实度采集。
66.本发明所述的一种用于星壤挥发分探测的定粒径定容积定密实度原位微定量取样装置及方法，通过设置的采样管可以实现若干吸纳片的连续自动采样功能，并防止星壤进入装置内部，保证装置的持续可靠性。
67.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制发明，还可以是上述实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。