一种空间环境土壤采样装置及其方法

技术领域

本发明涉及空间环境地层钻进采样领域，尤其涉及一种空间环境土壤采样装置及其方法。

背景技术

近年来，我国航天事业发展迅猛，尤其在外星球探测研究尤为活跃。而接下来的发展离不开空间外星球土壤和岩石的采样和分析。利用合适的机器获取外星球原位样品并加以分析对我国的航天事业发展尤为重要。而由于现有的情况和实践结果看，外星球表面地质情况复杂，钻进取样中有许多难题：(1)岩石复杂硬岩破碎较为困难，出现“钻不动”的现象；(2)排屑不畅通影响影响钻进速度；(3)外星球取样所能携带的设备有限；(4)样品大多为碎屑完整度不高。如何破解困扰与障碍，改进和完善外星球复杂地层钻进取样已经成为我国顺利开展外星球探测亟待解决的一项关键技术。由于外星球探测任务的特殊性，研制作业稳定、功能全面、续航能力强的新型自动取样装置势在必行又迫在眉睫。

发明内容

为解决空间环境复杂地层钻进取样所存在的技术问题，本发明提供了一种空间环境土壤采样装置及其方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种空间环境土壤采样装置，主要包括采样模块、二氧化碳循环模块和样品回收模块；所述采样模块包括钻头、多功能高压喷头、钻芯、控制器、钻杆、液压钻卡盘、旋转输水器、可旋转桩座、固定桩和稳定桩；所述二氧化碳循环模块包括可升降密封罩、吸收罩、二氧化碳过滤装置、二氧化碳液化装置、储存罐和压力泵；所述样品回收装置包括机械臂、备用钻芯、传送带和样品储存仓。

优选地，所述二氧化碳过滤装置、二氧化碳液化装置、储存罐、压力泵、旋转输水器和多功能高压喷头依次通过保温保压管连接；压力泵可对液态二氧化碳加压形成液态二氧化碳射流，然后经多功能高压喷头射出；所述二氧化碳过滤装置分为过滤箱和岩屑储存箱；过滤箱和岩屑储存箱之间设置有可开合隔板且通过保温保压管连接。

优选地，所述液压钻卡盘安装在固定桩上，液压钻卡盘可沿固定桩上下移动和定位，液压钻卡盘可驱动钻杆与钻头旋转并推进钻杆与钻头进行钻进；所述固定桩铰接在可旋转桩座上；固定桩可绕可旋转桩座转动，进而可带动钻头和钻杆转动以改变自身位置便于机械臂取芯；所述钻头在钻进过程中，固定桩与可旋转桩座是锁定状态，不发生相对运动。

优选地，所述钻头的钻芯是可替换的；钻头钻芯连接处设置有钻头卡口，钻芯上部设置有钻芯卡口；钻头卡口和钻芯卡口相互连接。

优选地，所述储存罐中的液态二氧化碳是可通过吸收罩、过滤装置、二氧化碳液化装置循环回收的；所述过二氧化碳过滤装置中的过滤液也可以循环使用；所述可升降密封罩设置在钻杆外围，可升降密封罩包围着钻杆；同时可升降密封罩可以将地面和采样装置包围成一封闭空间，以防止二氧化碳流失。

优选地，所述升降密封罩底部设置有橡胶边缘，以实现和地面的紧密接触。

优选地，所述多功能高压喷头上部设置有射流喷头控制器；所述多功能高压喷头设置由两路射流出口，钻进方向出口和钻进垂直方向出口；射流喷头控制器设置有两个工作位置，可分别使多功能高压喷头向钻进方向或钻进垂直方向射出高压射流。

优选地，采样装置底部设置有履带车轮和稳定桩；采样装置设置有供钻杆穿出的出口，钻杆出口处设置有可往复开启与关闭的舱门。

优选地，所述吸收罩设置于可升降密封罩和地面以及采样装置形成的封闭空间内，吸收罩另一端通过保温保压管经压力泵连接于二氧化碳过滤装置的杂质输入管。

优选地，所述机械臂下部设置有至少1个备用钻芯，备用钻芯上部设置有密封盖；备用钻芯一侧设置有可推动备用钻芯的推杆；机械臂和备用钻芯之间设置有传送带；传送带一端上部设置有样品储存仓；所述钻芯的底部与密封盖相适应，密封盖可与钻芯的底部连接以形成封闭空间以密闭保存样品。

一种空间环境土壤采样方法，其基于一种空间环境土壤采样装置，包括以下步骤：

步骤1：采样装置到达采样地点放下稳定桩，放下可升降密封罩；

步骤2：打开舱门开始钻探工作，多功能高压喷头沿钻进方向射出液态二氧化碳射流辅助钻进；同时吸收罩开始工作，吸收排出的岩屑和二氧化碳，经过二氧化碳过滤装置和二氧化碳液化装置制备液态二氧化碳存输送到储存罐中，岩屑将会留在岩屑储存箱中；

步骤3：钻头钻芯装满样品后多功能高压喷头钻进方向射流关闭，多功能高压喷头沿钻进垂直方向射出高压射流以切断样品，将钻芯中的样品与外星球底层分离；

步骤4：液压钻卡盘沿固定桩上升以使钻头进入采样装置内部，可旋转桩座旋转并下降将钻芯的底部与密封盖对接，逆时针转动钻头使密封盖封闭钻芯底部，顺时针旋转钻头使钻头与钻芯分离；进一步升高钻头，机械手臂将装有样品的封闭钻芯放上传送带进而将样品输送样品储存仓储存；

步骤5：钻头下降，使备用钻芯的钻芯卡口与钻头卡口对接，逆时针旋转钻头，使钻芯卡口与钻头卡口连接，完成钻芯替换；

步骤6：关闭舱门，收起稳定桩和密封罩，进行下一处采样任务。

本发明有以下设计特点：

1.本发明使用液态二氧化碳射流辅助破岩，能在外星球表面复杂硬岩进行钻探取样，二氧化碳汽化又起到了冷却钻头和排出岩屑的作用提高了钻进效率；带二氧化碳回收循环模块解决了外星球钻探取样过程中携带设备量有限的问题，为在外星球长时间采样提供可能。

2.特殊的多功能高压喷头使射流可以从钻井方向和与钻进垂直方向两个方向射出，使射流完成辅助钻进和切割样品的功能；钻头为取芯钻头，且其内部有可直接替换的“芯”方便样品的回收。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为钻头的结构示意图；

图3为多功能高压喷头沿钻进方向喷射时示意图；

图4为多功能高压喷头沿钻进垂直方向喷射时示意图；

图5为钻芯与钻头连接示意图；

图6为二氧化碳过滤装置结构示意图；

图7为备用钻芯示意图。

图中：1为履带车轮、2为稳定桩、3为吸收罩、4为钻头、5为压力泵、6为可升降密封罩、7为舱门、8为升降台、9为二氧化碳液化装置、10为二氧化碳过滤装置、11为可旋转桩座、12为备用钻芯、13为样品储存仓、14为传送带、15为推杆、16为钻杆、17为旋转输水器、18为液压钻卡盘、19为储存罐、20为压力泵、21为保温保压管、22为固定桩、23为机械臂，4-1为钻芯、4-2为保温保压管、4-3为控制器、4-4为多功能高压喷头、4-5为钻头钻芯连接处，4-1-1为钻芯卡口、4-1-2为钻芯底部螺纹、4-5-1为钻头卡口、10-1为杂质输入管、10-2为过滤箱、10-3为过滤液、10-4为气体过滤装置、10-5为可开合隔板、10-6为岩屑储存箱、10-7为过滤网、10-8为液体过滤装置、10-9为压力泵，12-1为密封盖、12-2为钻芯。

具体实施方式

下面结合附图1-7，对发明的技术方案作进一步具体的说明。

参见图1-7，一种空间环境土壤采样装置，主要包括取样模块、二氧化碳循环模块和样品回收模块；所述取样模块包括钻头(4)、多功能高压喷头(4-4)、钻芯(4-1)、喷头控制器(4-3)、钻杆(16)、液压钻卡盘(18)、旋转输水器(17)、可旋转桩座(11)、固定桩(22)和稳定桩(2)；所述二氧化碳循环模块包括可升降密封罩(6)、吸收罩(3)、二氧化碳过滤装置(10)、二氧化碳液化装置(9)、储存罐(19)和压力泵(20)；所述样品回收装置包括机械臂(23)、备用钻芯(12)、传送带(14)和样品储存仓(13)；所述二氧化碳液化装置(9)、储存装置(19)、二氧化碳过滤装置(10)、旋转输水器(17)和多功能高压喷头(4-4)由保温保压管道连接，压力泵(20)为多功能高压喷头(4-4)提供压力射出高压射流；所述二氧化碳过滤装置(10)分为过滤箱(10-2)和岩屑储存箱(10-6)，两箱由可开合隔板(10-5)和保温保压管连接；所述液压钻卡盘(18)安装在固定桩(22)上，其连接处有动滑轮带动旋转和推进钻杆(16)与钻头(4)；所述固定桩(22)安装在可旋转桩座(11)上带动钻头(4)和钻杆(16)绕固定桩(22)旋转；所述钻头(4)的钻芯(4-1)是可替换的；所述储存罐(19)中的液态二氧化碳是可通过吸收罩(3)、过滤装置(10)、和二氧化碳液化装置(9)循环使用的无需外界补充；所述过二氧化碳过滤装置(10)中的过滤液(10-3)可循环使用无需外界补充。

所述多功能高压喷头装置有一控制开关可使高压射流从钻进方向和钻进垂直方向射出，钻进时钻进方向喷嘴开启，垂直方向喷嘴关闭，钻进完成时钻进方向喷嘴关闭，垂直方向喷嘴开启，高压射流将样品切断；喷射出来的液态二氧化碳由于压强变小汽化将岩屑排出，同时液态二氧化碳汽化也起到了给钻头降温的作用；吸收罩将岩屑与二氧化碳吸收回来进入二氧化碳过滤装置；所述二氧化碳过滤装置分为两个主要部分：过滤箱和岩屑储存箱两箱之间有可开合隔板，过滤箱中有过滤液，携带岩屑的气态二氧化碳通过过滤液再通过气体过滤装置变为纯净的气态二氧化碳进入二氧化碳液化装置，当过滤液饱和时，隔板打开，饱和过滤液进入岩屑储存装置进行过滤，岩屑留在岩屑储存箱，过滤液再次由压力泵吸入过滤箱。取样完成之后，液压卡盘上升到一定高度后桩座旋转，进行钻芯替换和样品收集。这样此采样装置就可以收集碎屑与整块两种外星球岩石样品。所述的升降密封罩罩底为橡胶，钻进前密封罩下降形成密闭空间方便二氧化碳和岩屑的回收。所述可替换钻芯与钻头为卡口连接，逆时针转动时卡口锁定，顺势针则会解开卡口。

采样过程为：放下稳定桩(2)增加钻进时的稳定性，放下可升降密封罩(6)；打开舱门(7)开始工作钻探，多功能高压喷头(4-4)沿钻井方向射流打开横向射流关闭液态二氧化碳射流辅助钻进；同时吸收罩(3)开始工作吸收排出的岩屑和二氧化碳，经过二氧化碳过滤装置(10)和二氧化碳液化装置(9)制备液态二氧化碳存输送到储存罐(19)中，岩屑将会留在岩屑储存箱(10-6)；钻头(4)钻芯(4-1)装满样品后多功能高压喷头(4-4)钻进方向射流关闭，横向射流开启切断样品将钻芯(4-1)中的样品与外星球底层分离；液压钻卡盘(18)沿固定桩(22)上升钻头进入采样装置体内，可旋转桩座(11)开始旋转；旋转到一定位置开始下降与密封盖(12-1)对接，逆时针转动钻头使密封盖(12-1)封闭钻芯(4-1)底部，顺时针旋转钻头使钻头(4)与钻芯(4-1)分离，升高钻头(4)机械手臂(23)将装有样品的封闭钻芯放入传送带(14)上将样品输送进样品储存仓(13)储存；升降台(8)升高，钻头(4)下降，使钻芯卡口(4-1-1)与钻头卡口(4-5-1)对接逆时针旋转固定卡口，完成钻芯(4-1)替换；收起稳定桩(2)与可升降密封罩(6)关闭舱门(7)行驶至其他取样点取样。

以上所述为本发明的较佳实施案例，并不用以限制本发明，在不脱离本发明精神和范围和前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进应包含在本发明的保护范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及同等物界定。