一种电场辅助颗粒运移的星球钻探采样装置的制作方法

1.本发明涉及一种星球钻探采样装置，具体涉及一种电场辅助颗粒运移的星球钻探采样装置，本发明属于地外天体采样探测技术领域技术领域。

背景技术：

2.为了解星球原始的物质组成、外来物质、形成时间等重要信息，研究地外天体的地形地貌组成、构造变形以及形成和演化历史，需要通过钻探采样的方式获取星球地下的样品。
3.传统钻进模式采用“螺旋排屑+回转切削”的方式，其功耗大、质量大、钻进效率在较大程度上受排屑效率的影响等缺点限制了其在航天探测中的应用。
4.发明中涉及到的一些背景技术原理如下：
5.(1)压电变压器升压原理(见说明书附图图三)
6.由于系统的供电模块无法提供排屑电场的万伏激励电压，需要采用升压模块。介于压电变压器相对于传统的绕组变压器具有的体积小、重量轻、耐高温、耐辐射、抗电磁干扰、高可靠性特点。升压模块采用压电变压器。
7.压电变压器由两个部分组成，驱动部分和发电部分。驱动部分在输入端的交变低电压的激励下，根据逆压电效应将电能转化为机械能，实现沿长度方向的伸缩振动，从而激励压电变压器的右端的发电部分，根据正压电效应实现将机械能转化为电能。由于驱动部分和发电部分的极化方向不同和压电振子的长度远大于厚度，故输入端的阻抗远小于输出端的阻抗，致使输出端的电压幅值远大于输出端的值，从而达到升压的目的。
8.(2)电场激励原理
9.极化后的介质在电场中会沿着电势降低的方向运动，但电场力是短程力，大小随其距场源的距离急剧下降，单峰电场无法使颗粒进行长程运移。当正负电势体在同一平面沿同一直线交替排列时，空间中会出现正负交替的电场势阱，(如说明书附图图四所示)。
10.阶段一：颗粒在未进入电场前通过极化响应的方式对外显电性束缚电荷并向电场势能降低的方向运动，(如说明书附图图五所示)；
11.阶段二：
12.当颗粒运动至势阱中心时，
13.a颗粒本身在惯性作用下向前运动；
14.b通过低电导率的包覆层获得电极的电荷自由电荷与高电势体接触时获得正电荷，与低电势体接触时获得负电荷，颗粒获得与电极极性相同的电荷并运动至下一个电势阱区域内。
15.在下一个电势阱区域内颗粒因获得与上一电极极性相同的电荷而排斥，与下一电极极性相反而吸引，因此颗粒继续向前运动；
16.阶段三：
17.当颗粒运动至下一势阱中心时，
18.a颗粒首先仍在惯性作用下向前运动；
19.b其次颗粒通过接触中和掉与上一势阱中心接触时所带的电荷；
20.c最后颗粒带上与该势阱中心极性相同的电荷并进入下一势阱区域。
21.重复上述过程，颗粒即可按任意预设轨迹长距离运动。
22.(3)低功耗低反力钻进原理
23.传统的回转切削+螺旋排屑的钻进模式中，切削功耗仅占总体功耗的30％，大部分的功耗消耗在螺旋排屑及为配合螺旋排屑而损失的能量上，且这一比例随钻进深度的增加而进一步增大。

技术实现要素：

24.本发明为解决传统钻进模式功耗大、质量大、钻进效率在较大程度上受排屑效率的影响等缺点限制了其在航天探测中的应用的问题，进而提供了一种电场辅助颗粒运移的星球钻探采样装置。
25.本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
26.本发明包括回转驱动部件、电压转换模块、高压滑环、碎屑弹射版、正极励场电路、零参考电势体、薄壁光杆取芯管、薄壁取芯钻头和采样组件，所述回转驱动部件、碎屑弹射版和薄壁光杆取芯管由上至下依次连接，薄壁光杆取芯管的下端设有薄壁取芯钻头，多个正极励场电路和多个零参考电势体交替设置在薄壁光杆取芯管上，每两个正极励场电路之间设有一个零参考电势体，电压换换模块安装在回转驱动部件的下部，高压滑环组件与电压转换模块连接，所述采样组件位于薄壁光杆取芯管的一侧，所述采样组件与电压转换模块连接。
27.进一步地，所述采样组件包括热控模块、样品处理舱、电场采样槽、气体传输管道、机电接口和支架，支架的上端设有机电接口，支架的下端设有热控模块，气体传输管道插装在支架内，气体传输管道的上端延伸至机电接口的上端，气体传输管道的下端与样品处理舱连接，电场采样槽位于薄壁光杆取芯管与支架之间，电场采样槽向右下方倾斜设置，电场采样槽的右端穿过支架的侧壁与样品处理舱连通。
28.进一步地，电场采样槽包括槽体、多个正极励场电路和多个零参考电势体，多个正极励场电路和多个零参考电势体间隔设置在槽体上。
29.进一步地，电压转换模块中由压电变压器提供排屑电场的万伏激励电压。
30.进一步地，高压滑环的内圈固定在薄壁光杆取芯管上，并与薄壁光杆取芯管上的正极励场电路相连。
31.进一步地，薄壁光杆取芯管包括绝缘薄膜层、导电极片层、绝缘衬底层和钻体层，绝缘薄膜层、导电极片层、绝缘衬底层和钻体层由外至内依次设置。
32.进一步地，绝缘薄膜层的厚度为0.1mm。
33.进一步地，导电极片层的厚度为0.1mm。
34.进一步地，薄壁取芯钻头直径尺寸大于薄壁光杆取芯管。
35.本发明的有益效果是：
36.1、本发明通过电场排屑机制的引入使钻具结构简化，尺寸减小，解决了钻进与排屑间最佳转速的不匹配问题，改善钻进规程，使钻的效能提高，功耗降低，反力减小；
37.2、电场的引入与传统的螺旋排屑相比，节省占比达50％的排屑功耗，而额外的电场排屑功耗仅为几瓦，大大降低钻进功耗；
38.3、电场排屑无需与孔壁接触，削减了钻体与孔壁间的摩擦力矩及摩擦功耗；
39.4、薄壁取芯钻头使钻具切削刃有效切削长度减小，从而降低切削反力，减小切削功耗，进一步降低切削功耗及切削反力矩。
附图说明
40.图1是本发明的整体结构示意图；
41.图2是本发明中薄壁光杆取芯管的结构示意图；
42.图3是压电变压器原理图；
43.图4是电场势阱平面阵列仿真分析图；
44.图5是颗粒在电场激励下的响应原理。
45.图中：1-回转驱动部件、2-电压转换模块、3-高压滑环组件、4-碎屑弹射版、5-正极励场电路、6-零参考电势体、7-薄壁光杆取芯管、8-薄壁取芯钻头、9-热控模块、10-样品处理舱、11-电场采样槽、12-气体传输管道、13-机电接口、14-绝缘薄膜层、15-导电极片层、16-绝缘衬底层、17-钻体层。
具体实施方式
46.具体实施方式一：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述一种电场辅助颗粒运移的星球钻探采样装置包括回转驱动部件1、电压转换模块2、高压滑环组件3、碎屑弹射版4、正极励场电路5、零参考电势体6、薄壁光杆取芯管7、薄壁取芯钻头8和采样组件，所述回转驱动部件1、碎屑弹射版4和薄壁光杆取芯管7由上至下依次连接，薄壁光杆取芯管7的下端设有薄壁取芯钻头8，多个正极励场电路5和多个零参考电势体6交替设置在薄壁光杆取芯管7上，每两个正极励场电路5之间设有一个零参考电势体6，电压换换模块2安装在回转驱动部件1的下部，高压滑环组件3与电压转换模块2连接，所述采样组件位于薄壁光杆取芯管7的一侧，所述采样组件与电压转换模块2连接
47.具体实施方式二：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述采样组件包括热控模块9、样品处理舱10、电场采样槽11、气体传输管道12、机电接口13和支架14，支架14的上端设有机电接口13，支架14的下端设有热控模块9，气体传输管道12插装在支架14内，气体传输管道12的上端延伸至机电接口13的上端，气体传输管道12的下端与样品处理舱10连接，电场采样槽11位于薄壁光杆取芯管7与支架14之间，电场采样槽11向右下方倾斜设置，电场采样槽11的右端穿过支架14的侧壁与样品处理舱10连通。
48.其它组成以连接关系与具体实施方式二相同。
49.具体实施方式三：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述电场采样槽11包括槽体、多个第二正极励场电路11-2和多个第二零参考电势体11-1，多个正极励场电路11-2和多个零参考电势体11-1间隔设置在槽体的外表面上。
50.电场采样槽11设有u型槽，通过该u型槽作为电场采样槽11与样品处理舱10之间的过渡通道，由电场采样槽11采集到的样品经过过渡通道转运至样品处理舱10中；电场采样槽11的外部设置有与薄壁光杆取芯管7上相同的间隔布置的正极励场电路和零参考电势
体，通过其产生的电场势阱发生阵列运移样品。
51.其它组成以连接关系与具体实施方式一或二相同。
52.具体实施方式四：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述电压转换模块2中由压电变压器提供排屑电场的万伏激励电压。
53.其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
54.具体实施方式五：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述高压滑环3的内圈固定在薄壁光杆取芯管7上，并与薄壁光杆取芯管7上的正极励场电路5相连。
55.高压滑环组件3的外圈固定不动，连接高压激励电源，提供高压激励电源；内圈固定在取芯管上，并与取芯管上的正极励场电路相连，构成电场势阱发生阵列；钻进切屑在钻头处被电场极化后在沿电势降低方向运动，在电场势阱发生阵列中重复经历极化加转移的过程，可按任意预设轨迹进行长距离运移。
56.其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
57.具体实施方式六：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述薄壁光杆取芯管7包括绝缘薄膜层14、导电极片层15、绝缘衬底层16和钻体层17，绝缘薄膜层14、导电极片层15、绝缘衬底层16和钻体层17由外至内依次设置。
58.薄壁光杆取芯管7采用4层结构，最外层为0.1mm厚的聚酰亚胺做绝缘包覆层，次外层采用0.1mm导电银漆做电极，用于产生梯度分布电场阵列，次内层采用环氧树脂做绝缘衬底，与最内层取芯管的钻体层相绝缘，避免干扰电场分布。
59.其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
60.具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述绝缘薄膜层14的厚度为0.1mm。
61.其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
62.具体实施方式八：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述导电极片层15的厚度为0.1mm。
63.其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
64.具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述薄壁取芯钻头8直径尺寸大于薄壁光杆取芯管7。薄壁光杆取芯钻头8前段切削位置由多个凸起的切削刃构成，以钻具回转一圈为例，其他钻具大多以单切削刃或双切削刃构成，就单切削刃来说，需要其完成一整圈的有效切削，就双切削刃来说，需要每个切削刃完成1/2圈的有效切削；切削刃越多，单个切削刃的有效切削长度就越短。薄壁取芯钻头8直径尺寸略大于薄壁光杆取芯管7，使得薄壁光杆取芯管7不与钻孔孔壁接触产生摩擦，减少产生额外的力矩和功耗。
65.其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。
66.工作原理：
67.在钻具做好钻进前所有准备后，由回转驱动部件1提供由薄壁光杆取芯管7和薄壁光杆取芯钻头8组成的钻进单元回转切削的动力，在钻进单元上间隔布置有正极励场电路5以及零参考电势体6，由电压转换模块2以及高压滑环组件3提供高压电源，组成电场势阱发生阵列，钻进过程产生的钻进切屑在钻头处被电场极化，在电场势阱发生阵列产生的梯度电场中沿预设方向运移，当钻进切屑运移至薄壁取芯管7上端时，部分钻进切屑受碎屑弹射板4电场排斥作用弹射至远离钻体的位置，避免排出的碎屑堆积在钻体根部而二次回流入
钻孔；另一部分钻进切屑通过同样具有电场势阱发生阵列的电场采样槽11进入样品处理舱10中，进入样品处理舱10中的样本受热控模块9加热，其中的挥发分沿气体传输管道12进入与机电接口13连接的分析仪器中进行组成分析，完成整个钻探采样过程。
68.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

技术特征：

1.一种电场辅助颗粒运移的星球钻探采样装置，其特征在于：所述一种电场辅助颗粒运移的星球钻探采样装置包括回转驱动部件(1)、电压转换模块(2)、高压滑环组件(3)、碎屑弹射版(4)、正极励场电路(5)、零参考电势体(6)、薄壁光杆取芯管(7)、薄壁取芯钻头(8)和采样组件，所述回转驱动部件(1)、碎屑弹射版(4)和薄壁光杆取芯管(7)由上至下依次连接，薄壁光杆取芯管(7)的下端设有薄壁取芯钻头(8)，多个正极励场电路(5)和多个零参考电势体(6)交替设置在薄壁光杆取芯管(7)上，每两个正极励场电路(5)之间设有一个零参考电势体(6)，电压换换模块(2)安装在回转驱动部件(1)的下部，高压滑环(3)与电压转换模块(2)连接，所述采样组件位于薄壁光杆取芯管(7)的一侧，所述采样组件与电压转换模块(2)连接。2.根据权利要求1所述的一种电场辅助颗粒运移的星球钻探采样装置，其特征在于：所述采样组件包括热控模块(9)、样品处理舱(10)、电场采样槽(11)、气体传输管道(12)、机电接口(13)和支架(14)，支架(14)的上端设有机电接口(13)，支架(14)的下端设有热控模块(9)，气体传输管道(12)插装在支架(14)内，气体传输管道(12)的上端延伸至机电接口(13)的上端，气体传输管道(12)的下端与样品处理舱(10)连接，电场采样槽(11)位于薄壁光杆取芯管(7)与支架(14)之间，电场采样槽(11)向右下方倾斜设置，电场采样槽(11)的右端穿过支架(14)的侧壁与样品处理舱(10)连通。3.根据权利要求2所述的一种电场辅助颗粒运移的星球钻探采样装置，其特征在于：电场采样槽(11)包括槽体、多个第二正极励场电路(11-2)和多个零参考电势体(11-1)，多个正极励场电路(11-2)和多个零参考电势体(11-1)间隔设置在槽体的外表面。4.根据权利要求1所述的一种电场辅助颗粒运移的星球钻探采样装置，其特征在于：电压转换模块(2)中由压电变压器提供排屑电场的万伏激励电压。5.根据权利要求1所述的一种电场辅助颗粒运移的星球钻探采样装置，其特征在于：高压滑环(3)的内圈固定在薄壁光杆取芯管(7)上，并与薄壁光杆取芯管(7)上的正极励场电路(5)相连。6.根据权利要求1所述的一种电场辅助颗粒运移的星球钻探采样装置，其特征在于：薄壁光杆取芯管(7)包括绝缘薄膜层(14)、导电极片层(15)、绝缘衬底层(16)和钻体层(17)，绝缘薄膜层(14)、导电极片层(15)、绝缘衬底层(16)和钻体层(17)由外至内依次设置。7.根据权利要求6所述的一种电场辅助颗粒运移的星球钻探采样装置，其特征在于：绝缘薄膜层(14)的厚度为0.1mm。8.根据权利要求6所述的一种电场辅助颗粒运移的星球钻探采样装置，其特征在于：导电极片层(15)的厚度为0.1mm。9.根据权利要求1所述的一种电场辅助颗粒运移的星球钻探采样装置，其特征在于：薄壁取芯钻头(8)直径尺寸大于薄壁光杆取芯管(7)。

技术总结

一种电场辅助颗粒运移的星球钻探采样装置，涉及一种星球钻探采样装置，本发明为解决传统钻进模式功耗大、质量大、钻进效率在较大程度上受排泄效率的影响等缺点限制了其在航天探测中的应用的问题，本发明的回转驱动部件、碎屑弹射版和薄壁光杆取芯管由上至下依次连接，薄壁光杆取芯管的下端设有薄壁取芯钻头，多个正极励场电路和多个零参考电势体交替设置在薄壁光杆取芯管上，每两个正极励场电路之间设有一个零参考电势体，电压换换模块安装在回转驱动部件的下部，高压滑环组件与电压转换模块连接，所述采样组件位于薄壁光杆取芯管的一侧，所述采样组件与电压转换模块连接。本发明解决了钻进与排屑间最佳转速的不匹配问题，功耗降低，反力减小。反力减小。反力减小。