一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具的制作方法

1.本发明属于地外天体采样探测技术领域，特别是涉及一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具。

背景技术：

2.作为地球唯一的天然卫星，月球是距离地球最近的天体，因其独特的环境，一直是人类迈向浩瀚宇宙的首选目标。水一直是生命活动赖以维持的基础，自上世纪60年代watston k最早提出月球极区永久阴影区存在水冰假设开始，月球极区的月壤水冰探测已经成为各个航天大国竞相抢占的月球探索战略制高点。在历经几十年的遥感观测结果中科学家发现，在月壤表层、次表层以及剖面中存在含量不定的以冰与月壤的混合态、水冰或结合水形式等赋存方式存在的水-冰-壤的粘聚体组合。为了能够更加直接地获得月壤水冰物质形态、赋存形式以及月球水的来源机制，开展极区月壤水冰探测就尤为重要。
3.鉴于上述背景，月球极区“”水在各国风靡起来。2020年9月，nasa发布重返月球计划，针对月球水冰物质勘探任务，美国航天局(nasa)开发了viper钻探系统，其中trident钻具系统中的钻具钻头构型为锥面基体，其上切削刃形式为锯齿刃，钻头内设嵌入式温度传感。欧洲航天局(esa)与俄罗斯联邦航天局(rka)合作计划luna-27勘探永久阴影区的水冰，其上的proseed钻具系统钻具构型为锥面直线刃钻头，为提高其定心性能，在钻具最前端增加一小尺寸定心刃。proseed钻具上设有取样管，当钻具钻进达到目标深度后，取样管从钻头上深处继续钻进，并对相应钻进部分月壤切屑进行取样收集保存，完成一次取样后，取样管缩回钻具内，拔钻将样品进行运移。对于我们国家而言，继2020年嫦娥五号成功在月球表面取样带回1731g月壤后，将接续实施嫦娥七号极区原位探测认证任务，以探测极区永久阴影区水冰物质形态。
4.在与月球极区月壤水冰钻进采样钻具设计直接相关的科研领域，受限于月球环境的特殊性以及月壤水冰性质的不确定性，钻具构型设计优化方案尚未形成成熟理论，在诸多问题上，都是沿用了地球地质钻具的设计理念，采用经验方法进行设计，在使用中存在局限性，当面对不同钻进对象及恶劣钻进工况时其所能起到的作用就会大打折扣。
5.受月球极区低温真空环境限制，钻进采样工作时间较短，因此需要在较短时间内完成钻进采样任务，但面对的目标钻进对象(即月壤水冰)抗压强度更大，切削破碎难度更高，其不均匀性易导致钻具切削刃崩坏，其所具有的磨粒特性导致钻具易磨损。由于高保真采样的任务要求，在钻进过程中要求钻具对采集到的月壤样品中的水冰含量造成尽可能少的损失量，因此要求钻具在具有高效能钻进能力的同时，具有低质损特性完成高保真采样任务要求。

技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明旨在提出一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，以解决现有钻具无法实现月壤水冰采样的问题。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，它包括依次相连的阶梯型钻头、采样螺旋段钻杆、过渡螺旋段钻杆和排屑螺旋段钻杆，所述阶梯型钻头的切削刃布置为阶梯型，所述采样螺旋段钻杆为深槽低升角螺旋结构，所述过渡螺旋段钻杆的基体直径逐渐增大，所述排屑螺旋段钻杆为浅槽高升角螺旋结构。
8.更进一步的，所述阶梯型钻头包括依次相连的细径切削刃、大螺旋升角螺旋通道和粗径切削刃。
9.更进一步的，所述采样螺旋段钻杆包括采样螺旋段钻杆基体和采样螺旋段钻杆螺旋翼，所述采样螺旋段钻杆螺旋翼设置在采样螺旋段钻杆基体外侧。
10.更进一步的，所述过渡螺旋段钻杆包括过渡螺旋段钻杆基体和过渡螺旋段钻杆螺旋翼，所述过渡螺旋段钻杆螺旋翼设置在过渡螺旋段钻杆基体外侧。
11.更进一步的，所述排屑螺旋段钻杆包括排屑螺旋段钻杆基体和排屑螺旋段钻杆螺旋翼，所述排屑螺旋段钻杆螺旋翼设置在排屑螺旋段钻杆基体外侧。
12.更进一步的，所述采样螺旋段钻杆基体直径小于排屑螺旋段钻杆基体直径，所述过渡螺旋段钻杆基体直径逐渐增大，所述过渡螺旋段钻杆基体一端直径与采样螺旋段钻杆基体相同，另一端直径与排屑螺旋段钻杆基体相同。
13.更进一步的，所述采样螺旋段钻杆螺旋翼的螺旋升角小于排屑螺旋段钻杆螺旋翼的螺旋升角。
14.更进一步的，所述过渡螺旋段钻杆螺旋翼与采样螺旋段钻杆螺旋翼的尺寸参数相匹配。
15.更进一步的，所述排屑螺旋段钻杆后端设置有钻具接口。
16.更进一步的，所述钻具接口与钻具驱动机构相连。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种能够高效能钻进，低水冰损失的月壤水冰采样钻具，能够在较小负载完成月壤水冰的高保真采样工作，月壤水冰切屑中水冰含量损失较小。
18.阶梯型钻头的细径切削刃由于其尺寸小，能够较轻易地率先完成钻进突破工作，级粗径切削刃在钻进时围压消失，能够以较小负载完成扩孔钻进工作。在阶梯型钻头的细径切削刃完成快速钻进突破后，其产生的月壤水冰切屑经由大螺旋升角螺旋通道快速向上排出，避免经由多次螺旋进一步挤压破碎造成扰动，使得切屑样本内水冰含量减少；后由粗径切削刃完成扩孔钻进过程中，其不连续切削刃构型在钻进过程中尽可能的保证月壤水冰切屑能够以大颗粒团的形式存在，进一步采集到的样品品质。由采样螺旋段钻杆的深槽低升角螺旋结构完成采集样品保存工作，排屑螺旋段钻杆的浅槽高升角螺旋结构能够完成快速排屑工作。
附图说明
19.构成本发明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。在附图中：
20.图1为本发明所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具整体结构示意图；
21.图2为本发明所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具前端结构示意图；
22.图3为本发明所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具采样流程示意图。
23.1-阶梯型钻头，11-细径切削刃，12-大螺旋升角螺旋通道，13-粗径切削刃，2-采样螺旋段钻杆，21-采样螺旋段钻杆基体，22-采样螺旋段钻杆螺旋翼，3-过渡螺旋段钻杆，31-过渡螺旋段钻杆基体，32-过渡螺旋段钻杆螺旋翼，4-排屑螺旋段钻杆，41-排屑螺旋段钻杆基体，42-排屑螺旋段钻杆螺旋翼，5-钻具接口。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
25.参见图1-3说明本实施方式，一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，它包括依次相连的阶梯型钻头1、采样螺旋段钻杆2、过渡螺旋段钻杆3和排屑螺旋段钻杆4，阶梯型钻头1的切削刃布置为阶梯型，采样螺旋段钻杆2为深槽低升角螺旋结构，过渡螺旋段钻杆3的基体直径逐渐增大，排屑螺旋段钻杆4为浅槽高升角螺旋结构。
26.阶梯型钻头1对月壤水冰进行钻进突破；采样螺旋段钻杆2上的深槽低升角螺结构旋对钻进产生的月壤水冰切屑进行采集和保存；过渡螺旋段钻杆3基体直径尺寸适配采样螺旋段钻杆2和排屑螺旋段钻杆4；排屑螺旋段钻杆4上的浅槽高升角螺旋机构对钻进过程中产生的不被采集的钻进切屑进行快速排出。
27.阶梯型钻头1包括依次相连的细径切削刃11、大螺旋升角螺旋通道12和粗径切削刃13，排屑螺旋段钻杆4后端设置有钻具接口5，钻具接口5与钻具驱动机构相连，在钻具驱动机构给到钻具回转转矩动力后，阶梯型钻头1的细径切削刃11对月壤水冰进行钻进突破，产生的月壤水冰切屑经由大螺旋升角螺旋通道12进行输送，粗径切削刃13在细径切削刃11钻进突破的基础上进行扩孔钻进；钻进至合适位置后，采样螺旋段钻杆2上的深槽低升角螺旋结构对需要采集的月壤水冰切屑样本进行采集和保存；不被采集的钻进切屑经由过渡螺旋段钻杆3以及排屑螺旋段钻杆4快速排出。
28.采样螺旋段钻杆2包括采样螺旋段钻杆基体21和采样螺旋段钻杆螺旋翼22，采样螺旋段钻杆螺旋翼22设置在采样螺旋段钻杆基体21外侧。过渡螺旋段钻杆3包括过渡螺旋段钻杆基体31和过渡螺旋段钻杆螺旋翼32，过渡螺旋段钻杆螺旋翼32设置在过渡螺旋段钻杆基体31外侧。排屑螺旋段钻杆4包括排屑螺旋段钻杆基体41和排屑螺旋段钻杆螺旋翼42，排屑螺旋段钻杆螺旋翼42设置在排屑螺旋段钻杆基体41外侧。
29.采样螺旋段钻杆基体21直径小于排屑螺旋段钻杆基体41直径，过渡螺旋段钻杆基体31直径逐渐增大，过渡螺旋段钻杆基体31一端直径与采样螺旋段钻杆基体21相同，另一端直径与排屑螺旋段钻杆基体41相同。采样螺旋段钻杆螺旋翼22的螺旋升角小于排屑螺旋段钻杆螺旋翼42的螺旋升角。
30.采样螺旋段钻杆基体21直径较小，采样螺旋段钻杆螺旋翼22螺旋升角较小，使采样螺旋段钻杆2呈现为深槽低升角螺旋结构。过渡螺旋段钻杆基体31直径逐渐增大，过渡螺旋段钻杆螺旋翼32与采样螺旋段钻杆螺旋翼22的尺寸参数相匹配。排屑螺旋段钻杆基体41直径较大，排屑螺旋段钻杆螺旋翼42螺旋升角较大，使排屑螺旋段钻杆4呈现为浅槽高升角螺旋结构。
31.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有
的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

技术特征：

1.一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，其特征在于：它包括依次相连的阶梯型钻头(1)、采样螺旋段钻杆(2)、过渡螺旋段钻杆(3)和排屑螺旋段钻杆(4)，所述阶梯型钻头(1)的切削刃布置为阶梯型，所述采样螺旋段钻杆(2)为深槽低升角螺旋结构，所述过渡螺旋段钻杆(3)的基体直径逐渐增大，所述排屑螺旋段钻杆(4)为浅槽高升角螺旋结构。2.根据权利要求1所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，其特征在于：所述阶梯型钻头(1)包括依次相连的细径切削刃(11)、大螺旋升角螺旋通道(12)和粗径切削刃(13)。3.根据权利要求1所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，其特征在于：所述采样螺旋段钻杆(2)包括采样螺旋段钻杆基体(21)和采样螺旋段钻杆螺旋翼(22)，所述采样螺旋段钻杆螺旋翼(22)设置在采样螺旋段钻杆基体(21)外侧。4.根据权利要求3所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，其特征在于：所述过渡螺旋段钻杆(3)包括过渡螺旋段钻杆基体(31)和过渡螺旋段钻杆螺旋翼(32)，所述过渡螺旋段钻杆螺旋翼(32)设置在过渡螺旋段钻杆基体(31)外侧。5.根据权利要求4所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，其特征在于：所述排屑螺旋段钻杆(4)包括排屑螺旋段钻杆基体(41)和排屑螺旋段钻杆螺旋翼(42)，所述排屑螺旋段钻杆螺旋翼(42)设置在排屑螺旋段钻杆基体(41)外侧。6.根据权利要求5所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，其特征在于：所述采样螺旋段钻杆基体(21)直径小于排屑螺旋段钻杆基体(41)直径，所述过渡螺旋段钻杆基体(31)直径逐渐增大，所述过渡螺旋段钻杆基体(31)一端直径与采样螺旋段钻杆基体(21)相同，另一端直径与排屑螺旋段钻杆基体(41)相同。7.根据权利要求6所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，其特征在于：所述采样螺旋段钻杆螺旋翼(22)的螺旋升角小于排屑螺旋段钻杆螺旋翼(42)的螺旋升角。8.根据权利要求6所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，其特征在于：所述过渡螺旋段钻杆螺旋翼(32)与采样螺旋段钻杆螺旋翼(22)的尺寸参数相匹配。9.根据权利要求1所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，其特征在于：所述排屑螺旋段钻杆(4)后端设置有钻具接口(5)。10.根据权利要求9所述的一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，其特征在于：所述钻具接口(5)与钻具驱动机构相连。

技术总结

本发明提出了一种用于月壤水冰采样的阶梯型钻具，属于地外天体采样探测技术领域。解决了现有钻具无法实现月壤水冰采样的问题。它包括依次相连的阶梯型钻头、采样螺旋段钻杆、过渡螺旋段钻杆和排屑螺旋段钻杆，所述阶梯型钻头的切削刃布置为阶梯型，所述采样螺旋段钻杆为深槽低升角螺旋结构，所述过渡螺旋段钻杆的基体直径逐渐增大，所述排屑螺旋段钻杆为浅槽高升角螺旋结构。它主要用于月壤水冰采样。槽高升角螺旋结构。它主要用于月壤水冰采样。槽高升角螺旋结构。它主要用于月壤水冰采样。