月面钻取式自动采样机构的设计与分析

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1、中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2012年12月第6期月面钻取式自动采样机构的设计与分析庞或刘志全李新立(中国空间技术研究院，北京100094)摘要月面自动采样机构是月球探测的重要工具之一，对实现月壤采样起着关键作用，是中国月球探测任务中急需解决的关键问题。文章提出了一种用于深层月壤样品采集的、具有同轴双管单动钻具和柔性取样袋的钻取式自动采样机构设计方案，详细阐述了采样机构的功能、组成与原理。通过对采样过程的力学特性进行分析，得到钻杆螺旋叶片升角为14。、轴向进给速度为5．7mm／s和回转角速度为13．1r

2、ad／s时钻进效果最优；且为获取1m深度月壤，钻杆直径不能小于7mm。利用土力学仿真分析软件ABAQUS建立了月壤和钻具的力学模型，对钻具钻入月壤过程进行了动力学仿真，结果为钻进阻力约300N、钻进阻力矩7．5N·m。关键词钻取采样机构月壤月球探测DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2012．06．0031引言月球探测的目的之一是获取月球地质信息、探明月球资源分布。为达到这一目的，人类采用了多种月面自动采样机构对月球土壤和岩石样品进行采集与分析。苏联和美国的火星、月球探测项目中均有自动采样机构成功应用的实例。20世纪70年代，NAS

3、A在海盗号(Ⅵking)火星探测任务中，应用了铲挖式自动采样机构成功获取到火星表层土壤样品[1]。近年来，香港理工大学研制的可自动开合的钳式机构，在机械臂的配合下能够拾起星表岩石块[z]。英国HoneybeeRobotic公司研制的研磨式的采样机构，可通过研磨岩石获得粉末状岩石成分∽j。这些采样机构动作灵活，适用于以目标搜寻为目的或结合路径规划的多点采样的巡视探测任务。然而，这些机构只能获得星体表层样品，采样能力有限。而星体表层样品受冷热交变和太阳风粒子作用等环境的影响较大，其携带的科学研究信息难以反映深层样本的信息。为了获取更加丰富有效的星体信息，需要

4、设法采集原始的、没有被破坏的深层样本(如岩石表层下几厘米深的部分或垂直深入星体表面超过1m的土壤样本)[4]，因此必须研制具有深层样品采样能力的自动采样机构。中国在该方面的研究尚处于起步阶段。基于我国深空探测任务的需求，在综合分析和比较国内外多种自动采样机构现状和应用特点的基础上口]，本文提出一种可获取保持层理特性的深层月壤样品的钻取式自动采样机构方案，为中国月球探测自动采样机构的工程实现提供技术支持。2月面钻取式自动采样机构方案2．1钻取式自动采样机构的功能与组成月面钻取式自动采样机构的功能包括钻入月壤、提取月壤和结构支撑。为了实现这些功能，采样机构由

5、钻进机构、钻进加载机构、样品提取机构和支撑构架四部分组成，如图1所示。收稿日期：201107一04。收修改稿日期：201207—112012年12月中国空间科学技术图1月面钻取式自动采样机构的功能及组成Fig．1FunctionandconfigurationforIheautomaticdriIlingsamplingmechanism钻进机构用于驱动钻具(含钻杆和钻头)作回转运动。钻进加载机构为钻具提供轴向钻进力，驱动钻具向月壤内钻进。样品提取机构用于实现将采集到的月壤样品提取出来。支撑构架为各部件的安装提供支撑，同时将钻进过程中产生的反作用力传递到

6、探测器平台。钻取式自动采样机构在月球探测器上的布局如图2所示。符

7、；lli2．2钻进机构方案图2钻取式自动采样机构钻进机构主要由驱动电机、齿轮副、钻具、轴承和在月球探测器上的布局联轴器等组成，如图3(a)所示。为了减小回转钻进过程h妻姜haL箸1：：}l：：篡1銮。慧鉴gla嚣?1ing中振动、冲击对钻孔底部月壤采样效果的影响，将钻杆设计成由内钻杆和外钻杆组成的双管单动取心钻杆，即在钻进过程中，外钻杆转动而内钻杆相对月壤样品不转动。内钻杆为薄壁空心钻杆，用来保存保持层理特性的月壤样品，见图3(b)。为了避免钻孔时岩土碎屑堵塞钻孔，将外钻杆设计为强度刚度较

8、高的空心钻杆，且外钻杆的外侧带有螺旋叶片，以便孔底碎屑及热量沿螺旋叶片排出。空心轴一端与齿轮固联，另一端与外钻杆根部通过联轴器固联。电机通过齿轮副带动空心轴转动，从而带动外钻杆旋转。外钻杆与内钻杆间有推力球轴承，轴承外圈与外钻杆固联，内圈与内钻杆固联。钻头与外钻杆相固联。当电机带动外钻杆和钻头旋转时，内钻杆内充满月壤样品而不发生转动，只承受轴向力。导轨空心轴、＼l岬一

9、、jC丁哐、)1U外钻杆心弱睡E惑鞋藿p联轴器内钻杆、r77：＼推力球轴承(a)传动原理震性取样袋图3钻进机构Fig．3DrilIingmechanism(b)钻杆剖面外钻杆、，肉钻杆钮吐

10、u■LLLLLLL醚蛀姓18中国空间科学技术2012年12月2．3钻进加载机构方