專利名稱：月球土壤采樣器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于空間資源探測領域，特別涉及一種用于月球探測方面的月球土壤采樣器。
背景技術：
月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，是距離地球最近的天體，是人類探測與研究程度最高的 地外星球，所以月球是人類走向深空的首選目標，也是人類探測太空并開發(fā)利用太空資源 的前哨站與中轉站。目前，我國正在進行代號為"嫦娥工程"的月球探測工程。該工程分 為"繞"、"落"和"回"三個階段。"其中"落"和"回"兩個階段都需要專門的月球 土壤采樣器來完成相應的探測與采樣任務。國內外月球土壤采樣器研究現(xiàn)狀目前國內尚無月球土壤采樣器研制的相關文獻，能查到的關于采樣器的文獻都是在地 球上應用的。應用于地球土壤的采樣器都是通過人工擠壓或大功率電動錘下壓的方式采 樣，此種采樣器具有體積大、重量重的特點，并且它的換桿動作都通過人工協(xié)助完成，不 能實現(xiàn)自動換桿，因此不能用于月球土壤的采樣。國外已有過成功的月球土壤采樣經歷，如美國的Apolloll在人類歷史上第一次取回 了月壤樣品，但它是通過人工采樣的；蘇聯(lián)的Lunal6第一次實現(xiàn)了自動采樣月壤，但其 相關采樣原理作為機密從未向外界公開過；美國的Surveyor III同樣可以采樣月壤，但 它只能通過一個機械臂帶動一個鏟形采樣爪來挖取最表層的月壤，故采樣深度非常有限。 此外，國外的一些學者也提出了各種各樣的采樣器方案，但它們同樣存在設計缺陷。如美 國Jet Pr叩ulsion實驗室提出了USDC采樣器，它是通過纜繩懸吊采樣器進行采樣，該采 樣器較為小巧，但其采樣方向具有不確定性，易受采樣介質影響，且為了保證采樣器進入 月壤，需加設重錘，因此增加了額外負重，不方便攜帶到太空；美國馬里蘭州的一種中等 深度采樣器雖然可以采集樣較深樣品，但是其體積、重量和能耗都很大，不能應用于月球 采樣；還有一種木蜂輸卵管式采樣器，它是通過兩半階梯狀桿的上下錯動來破碎土壤，并 將其運送到地面上，其質量較輕、耗能少，但所取樣品混雜在一起，不能保持原樣，因此 它所采集樣的樣品對后續(xù)的分析沒有太大價值；另外還有一種螺旋導樣采樣器，它是通過 實心寬螺旋鉆桿來采集樣樣品，通過鉆桿下鉆，樣品會進入螺，定之間的空當中，并沿螺旋 上移，最后提取鉆桿，樣品會被鉆桿螺旋帶出地面，該方案的缺點在于易出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，且樣品不便收取；另外還有激光鉆探采樣設想，雖然前景較好，但目前技術尚不成熟。而 且上述方案有一個共同的缺點，即都為單桿采樣，故采樣深度會有很大的局限性。因此需 要提供一種體積小、重量輕、能耗小，同時能夠自動深層采樣、并且樣品基本保持原樣且 便于回收的月球土壤采樣器。 發(fā)明內容本實用新型的目的是針對上述現(xiàn)有技術的缺陷，提供了一種體積小、重量輕、能耗 小，同時能夠自動深層采樣、并且樣品基本保持原樣且便于回收的月球土壤采樣器。為了實現(xiàn)上述目的本實用新型采取的技術方案是 一種月球土壤采樣器，包括外殼， 所述外殼內部設有動力部分和換桿部分；動力部分包括順次連接的升降電機、傳動齒輪、 滾珠絲杠、絲杠螺母及與絲杠螺母固連的連接盤，連接盤內部設有連接盤傳動齒輪、其 外部設有與連接盤傳動齒輪相連的旋轉電機和接頭、連接盤上貫穿有與滾珠絲杠相平行 的導軌，所述接頭的上端設有棱錐、下端設有凸塊；換桿部分包括齒輪箱、與其相連的 轉軸，設于轉軸上的雙爪卡具、設于轉軸末端并互相連接的端面齒盤定位器及單爪卡具， 雙爪卡具上設有外螺旋內空心式的鉆桿，所述接頭與鉆桿采用凸凹卡扣式連接，相應的 鉆桿之間也采用凸凹卡扣式連接，所述雙爪卡具為四個、相應的鉆桿也是四個、并且其 中的一個鉆桿上設有鉆頭。所述鉆頭的直徑略大于所述鉆桿的直徑。 所述傳動齒輪、連接盤傳動齒輪及齒輪箱均采用正齒齒輪傳動。 為了方便對鉆桿的抓卡，所述雙爪卡具及單爪卡具均采用電磁鐵與彈簧聯(lián)合驅動。 為了防止采集到鉆桿內的月球土壤脫落，所述鉆桿下端內部設有防脫器，所述防脫器 為半球形殼體，其上設有貫通縫。為了防止鉆桿遇到巖石過載損壞，所述接頭的凸塊上方設有扭矩傳感器。 本實用新型的有益效果是相比現(xiàn)有技術，本實用新型包括動力部分及換桿部分，其 中動力部分采用由升降電機、旋轉電機提供動力，并通過齒輪及滾珠絲杠傳動的結構，換 桿部分采用了由電磁鐵與彈簧聯(lián)合驅動的雙爪卡具抓卡外螺旋內空心式鉆桿，并且采用四 根鉆桿對接的結構，因此具有體積小、重量輕、能耗小、并可實現(xiàn)自動深層采樣的優(yōu)點， 接頭部分設置了扭矩傳感器，具有防止鉆桿過載損壞的優(yōu)點；另外鉆桿內設有防脫器，因 此可采集到從地面到所采深度的全部土壤樣品，而且可使采集到的樣品基本保持原樣并且 具有便于回收的優(yōu)點。

圖1是本實用新型整體結構立體圖；圖2是本實用新型所述動力部分的立體圖；圖3是本實用新型所述換桿部分的立體圖；圖4是本實用新型所述雙爪卡具的立體圖；圖5是本實用新型所述端面齒盤定位器及單爪卡具的立體圖；圖6是本實用新型所述防脫器的立體圖；圖7是本實用新型所述接頭與旋轉電機傳動關系的立體圖；圖8是本實用新型第一根鉆桿下鉆時工作狀態(tài)立體圖；圖9是本實用新型第一次換桿時工作狀態(tài)立體圖；圖10是本實用新型第一、二鉆桿對接下鉆時工作狀態(tài)立體圖；圖11是本實用新型四根鉆桿對接下鉆時工作狀態(tài)立體圖；圖12是本實用新型第四根鉆桿回收時工作狀態(tài)立體圖。圖中l(wèi)升降電機、2滾珠絲杠、3絲杠螺母、4連接盤、5導軌、6旋轉電機、7接頭、 7.1棱錐、7.2凸塊、8扭矩傳感器、9齒輪箱、IO轉軸、ll鉆桿、ll.l第一根鉆桿、11.2 第二根鉆桿、11.3第三根鉆桿、1L4第四根鉆桿、12雙爪卡具、13鉆頭、14單爪卡具、 15端面齒盤定位器、16傳動齒輪、17防脫器、17.1貫通縫、18連接盤傳動齒輪。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步說明，但不作為對本實用新型的限定。如圖1-3所示的一種月球土壤采樣器，包括由月球車攜帶或者直接安放在月球著陸器 上的外殼、及設于外殼內的動力部分和換桿部分。其中月球土壤采樣器的動力來自月球 車或著陸器的太陽能電池。如圖2所示本實用新型所述動力部分，動力部分包括順次連接的升降電機l、傳動 齒輪16、滾珠絲杠2、絲杠螺母3、及設置于絲杠螺母3下方并與其3固連的連接盤4。 所述升降電機1的作用是提供動力，帶動傳動齒輪16及滾珠絲杠2轉動，使絲杠螺母 3及連接盤4實現(xiàn)上下方向的升降運動。如圖l、圖2、圖7所示的連接盤4，其內部設 有連接盤傳動齒輪18、外部設有與連接盤傳動齒輪18相連的旋轉電機6和接頭7，所 述連接盤4上貫穿有與滾珠絲杠2相平行的導軌5，所述接頭7的上端設有棱錐7.1、 下端設有凸塊7.2。旋轉電機6通過帶動連接盤傳動齒輪18轉動進而帶動連接盤4轉動。如圖3所示本實用新型所述的換桿部分，換桿部分包括齒輪箱9、與其相連的轉軸 10、，設于轉軸10上的雙爪卡具12、設于轉軸10末端并互相連接的端面齒盤定位器15及單爪卡具14。所述雙爪卡具12上設有鉆桿11。如圖1所示，所述接頭7始終位于齒 輪箱9和鉆桿11之間，其向上運動可以通過接頭7的棱錐7.1與齒輪箱9結合，進而通過 連接盤傳動齒輪18帶動轉軸10轉動，實現(xiàn)換桿運動；其向下運動則可以通過接頭7與鉆 桿11的凸凹卡扣式連接，帶動鉆桿11旋轉與升降，實現(xiàn)鉆探運動。端面齒盤定位裝置15 可以保證換桿時轉軸10每次旋轉90° ;單爪卡具14在提升鉆桿11時可協(xié)助完成各鉆桿 間的拆開與對接。為了便于下鉆及順利采集樣品，所述鉆桿ll為外螺旋內空心式鉆桿。 為了實現(xiàn)1.5m以上的深層采樣，并且同時滿足月球車對攜帶物品要求的體積小、重量 輕、便于攜帶的設計目標，所述鉆桿11為四個，每個鉆桿11的最佳設計長度為400mm， 并且其中的一個鉆桿11上設有鉆頭13，相應的所述雙爪卡具12也是四個。為了減少鉆 探過程中的摩擦力，所述鉆頭13的直徑略大于所述鉆桿11的直徑。為了便于鉆桿11 之間的對接，所述接頭7與鉆桿11采用凸凹卡扣式連接，相應的鉆桿11之間也采用凸 凹卡扣式連接。為了方便對鉆桿11的抓卡，設計了如圖4、圖5所示的雙爪卡具12及 單爪卡具14，所述雙爪卡具12及單爪卡具14均采用電磁鐵與彈簧聯(lián)合驅動。為了節(jié)省 軸向空間，所述升降電機1與旋轉電機6的輸出端均采用一對正齒輪來轉化為平行軸輸出 的方式，相應的傳動齒輪16、連接盤傳動齒輪18及齒輪箱9均采用正齒齒輪傳動。為了防止采集到鉆桿內的月球土壤脫落，所述鉆桿11下端內部設有防脫器17，如圖 6所示，所述防脫器17為半球形殼體，其上設有貫通縫17. 1，樣品可頂開殼體進入鉆桿 11，因此可采集到從地面到所采深度的全部土壤樣品，而且可使采集到的樣品基本保持原 樣并且具有便于回收的優(yōu)點。為了防止鉆桿遇到巖石過載損壞，如圖7所示，所述接頭7的凸塊7.2上方設有扭矩 傳感器8。本實用新型的工作原理初始布置時，如圖1所示，將帶鉆頭13的第一根鉆桿11.1、 接頭7和齒輪箱9中遠離轉軸10的齒輪同心布置，四根鉆桿分別通過四個雙爪卡具12固 定。如圖8所示第一根鉆桿11. 1下鉆，月球采樣器收到觸發(fā)信號開始工作，接頭7下降 并插入第一根鉆桿11.1的上部，然后接頭7正轉30°實現(xiàn)與第一根鉆桿11.1的嚙合。之 后抓卡第一根鉆桿11. 1的雙爪卡具12在電磁鐵及彈簧驅動下放開第一根鉆桿11. 1，接頭 7帶動第一根鉆桿11. 1進行旋轉下鉆運動直到設定的位置，從而完成第一根鉆桿11. 1的 下鉆。如圖9所示的第一次換桿動作，接頭7反轉30°然后上移與第一根鉆桿11. 1脫開，其上移高度應使接頭7的棱錐7. 1恰好與齒輪箱9結合。接頭7通過齒輪箱9帶動轉軸10 旋轉90° ,使第二根鉆桿11. 2旋轉到第一根鉆桿11. 1原來的位置，從而完成第一次換桿 動作。如圖10所示的第一、二根鉆桿對接與下鉆，接頭7下移脫開齒輪箱9并與新轉過來 的第二根鉆桿11. 2嚙合，雙爪卡具12松開第二根鉆桿11. 2，接頭7帶動第二根鉆桿11. 2 下移并與第一根鉆桿ll.l嚙合，接頭7同時帶動第一、二根鉆桿ll.l、 11.2共同完成下 鉆運動，這樣就實現(xiàn)了第一、二根鉆桿ll.l、 11.2的對接與下鉆。如圖ll所示四根鉆桿的對接與下鉆，同理第三、四根鉆桿1L3、 11.4以同樣的方式 運動，直至四根鉆桿全部對接并成功下鉆，至此下鉆過程結束。此時月壤樣品已經進入鉆 桿的空腔中，由于鉆桿底部裝有防脫落裝置，因此樣品不會脫出。如圖12所示的第四根鉆桿11. 4的回收，接頭7首先帶動所有鉆桿11原位反向旋轉 若干圈，以使所有凸凹連接處都變?yōu)榉聪驀Ш?，然后接頭7反轉提升所有鉆桿11至設定 高度，雙爪卡具12抓住第四根鉆桿11.4，接頭7正轉60。使其與第四根鉆桿U.4變?yōu)?正向嚙合，雙爪卡具12松開第四根鉆桿11. 4，單爪卡具14抓住第三根鉆桿11. 3的頂端， 接頭7帶動第四根鉆桿11.4正轉30°然后上移，從而將第四根鉆桿11.4與第三根鉆桿 11.3脫開。上移到各桿的初始布置高度時，雙爪卡具12抓住第四根鉆桿11.4，接頭7脫 開第四根鉆桿11.4并驅動轉軸10旋轉9(T ，從而完成第四根鉆桿11.4的回收工作。同 理接頭7重新回到采樣器底部與第三根鉆桿11.3連接，并依次完成對其余三根鉆桿的回 收。回收完畢，整個釆樣器將恢復到初始的如圖l所示狀態(tài)，從而完成一個采樣循環(huán)。因此本實用新型具有體積小、重量輕、能耗小、可實現(xiàn)自動深層采樣的優(yōu)點，接頭部 分設置了扭矩傳感器，具有防止鉆桿過載損壞的優(yōu)點；另外鉆桿內設有防脫器，因此可采 集到從地面到所采深度的全部土壤樣品，而且可使采集到的樣品基本保持原樣并且具有便 于回收的優(yōu)點。以上所述的實施例，只是本實用新型較優(yōu)選的具體實施方式
的一種，本領域的技術人 員在本實用新型技術方案范圍內進行的通常變化和替換都應包含在本實用新型的保護范 圍內。
權利要求1.一種月球土壤采樣器，包括外殼，其特征在于所述外殼內部設有動力部分和換桿部分；動力部分包括順次連接的升降電機、傳動齒輪、滾珠絲杠、絲杠螺母及與絲杠螺母固連的連接盤，連接盤內部設有連接盤傳動齒輪、其外部設有與連接盤傳動齒輪相連的旋轉電機和接頭、連接盤上貫穿有與滾珠絲杠相平行的導軌，所述接頭的上端設有棱錐、下端設有凸塊；換桿部分包括齒輪箱、與其相連的轉軸，設于轉軸上的雙爪卡具、設于轉軸末端并互相連接的端面齒盤定位器及單爪卡具，雙爪卡具上設有外螺旋內空心式的鉆桿，所述接頭與鉆桿采用凸凹卡扣式連接，相應的鉆桿之間也采用凸凹卡扣式連接，所述雙爪卡具為四個、相應的鉆桿也是四個、并且其中的一個鉆桿上設有鉆頭。
2. 根據(jù)權利要求1所述的月球土壤采樣器，其特征在于所述傳動齒輪、連接盤傳動齒輪及齒輪箱均采用正齒齒輪傳動。
3. 根據(jù)權利要求1所述的月球土壤采樣器，其特征在于所述雙爪卡具及單爪卡具均采用電磁鐵與彈簧聯(lián)合驅動。
4. 根據(jù)權利要求1所述的月球土壤采樣器，其特征在于所述鉆桿下端內部設有防脫 器，所述防脫器為半球形殼體，其上設有貫通縫。
5. 根據(jù)權利要求1所述的月球土壤采樣器，其特征在于所述鉆頭的直徑略大于所述 鉆桿的直徑。
6. 根據(jù)權利要求l-5任一所述的月球土壤采樣器，其特征在于所述接頭的凸塊上方 設有扭矩傳感器。
專利摘要本實用新型提供了一種月球土壤采樣器，屬于空間資源探測領域，它包括外殼及設于其內的動力部分和換桿部分，動力部分包括順次連接的升降電機、傳動齒輪、滾珠絲杠、絲杠螺母、連接盤、旋轉電機、接頭和導軌，換桿部分包括齒輪箱、與齒輪箱相連的轉軸、設于轉軸上的雙爪卡具、設于轉軸末端并互相連接的端面齒盤定位器及單爪卡具，雙爪卡具上設有外螺旋內空心式的鉆桿。因此本實用新型具有體積小、重量輕、能耗小，同時能夠自動深層采樣，采集到從月球表面到所采深度的全部土壤樣品、并且可使所采樣品基本保持原樣且便于回收的優(yōu)點。
文檔編號G01N1/08GK201096647SQ20072017285
公開日2008年8月6日 申請日期2007年8月30日 優(yōu)先權日2007年8月30日
發(fā)明者丁希侖, 尹忠旺, 李可佳 申請人:北京航空航天大學