一種月面環(huán)境下鉆具測試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空間資源探測領(lǐng)域，涉及一種月面環(huán)境下鉆具測試裝置，具體涉及一種真空高低溫環(huán)境下鉆具的鉆壓力、扭矩和溫度的測試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]自古以來，人們就對月球寄予了真情的遐想和詩意的贊美，三千年前的中國就有嫦娥奔月的傳說。月球歷來是人類天文活動(dòng)的首選目標(biāo)，也是人類走出地球搖籃，邁向浩瀚宇宙的第一步。登上月球，建立永久基地，是人類開發(fā)太空資源，拓展生存空間至關(guān)重要的開端。美國、蘇聯(lián)和日本已先后在月球登陸，采集月壤樣品并返回。
[0003]面對新一輪的探月熱潮，我國制定了三步走的嫦娥探月計(jì)劃:8卩“繞”、“落”、“回”，其中前兩步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。中國嫦娥探月工程三期的主要任務(wù)為發(fā)射無人月面著陸器，進(jìn)行鉆取采樣，并將采集的樣品返回地球進(jìn)行科學(xué)研究。根據(jù)項(xiàng)目規(guī)劃要求，著陸器攜帶的鉆取采樣鉆具需達(dá)到能夠鉆進(jìn)至少2m深的月壤并采集樣品。
[0004]地面環(huán)境的鉆采過程，預(yù)先都有對鉆采地質(zhì)層的初步勘探，選取適宜的鉆采底層。鉆采過程若出現(xiàn)卡鉆、燒鉆等故障，工作人員可以實(shí)時(shí)停止鉆進(jìn)，更換鉆具、排除故障。且鉆采的土樣中含有大量的水汽，鉆采對象熱導(dǎo)率較大，且可以通過注水等形式輔助散熱，鉆具產(chǎn)生的熱量能夠很好的傳遞與擴(kuò)散。
[0005]月表環(huán)境極為苛刻，空氣密度只有地球環(huán)境的1/1012，屬于超高真空環(huán)境。月表溫度正午時(shí)分可達(dá)130°C，午夜時(shí)分則低至-180°C，晝夜溫差可達(dá)300°C左右。月壤的溫度，隨著深度的增加，300_以下基本恒定在-30°C左右，屬于低溫環(huán)境。相比于地面環(huán)境的鉆采過程，月表環(huán)境下的鉆采過程中無法通過注水等形式輔助散熱，加之月面的高真空、月壤極差的導(dǎo)熱性和太陽輻射導(dǎo)致的惡劣工作環(huán)境，且鉆探取樣的月表地層充滿未知性，極有可能遭遇月巖，從而使得取樣過程中鉆具達(dá)到很高的溫度，致使結(jié)構(gòu)件破壞甚至燒鉆，造成鉆采取樣任務(wù)失敗。此外，過高的溫度也會對月壤產(chǎn)生不可知的影響，直接影響取樣質(zhì)量。
[0006]如何驗(yàn)證鉆具在月面環(huán)境中能夠可靠工作、順利完成鉆取采樣任務(wù)，已成為當(dāng)前急需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)鉆具在月面環(huán)境下穩(wěn)定可靠的工作、避免采樣失敗，提出了一種月面環(huán)境下鉆具測試裝置，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)模擬月球表面采樣環(huán)境的真空熱環(huán)境中進(jìn)行鉆取試驗(yàn)，測量、采集并分析鉆具在鉆進(jìn)過程中自身和周圍環(huán)境的溫度變化情況，摸索鉆進(jìn)工況的最大熱邊界，識別熱的傳播以及耗散途徑，可以為選擇合理的鉆具設(shè)計(jì)參數(shù)及鉆進(jìn)參數(shù)提供依據(jù)，為鉆進(jìn)規(guī)程研究提供參考。
[0008]本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置，包括導(dǎo)電滑環(huán)、鉆具光軸、光軸接頭、密封接頭、引線接頭、復(fù)合力傳感器、傳感器接頭、鉆桿接頭、鉆桿、鉆頭、熱電偶溫度傳感器。其中，導(dǎo)電滑環(huán)同軸套接在鉆具光軸上；鉆具光軸底端與光軸接頭、密封接頭、引線接頭、復(fù)合力傳感器、傳感器接頭、鉆桿接頭依次同軸連接。所述復(fù)合力傳感器具有鉆桿壓力測量與扭矩測量功能。
[0009]上述鉆桿內(nèi)部周向均布有熱電偶溫度傳感器；鉆頭上安裝有4個(gè)熱電偶傳感器，4個(gè)熱電偶傳感器分別位于鉆頭上4個(gè)測溫點(diǎn)處，令4個(gè)測溫點(diǎn)分別為I?4號測溫點(diǎn)，則:
[0010]I號測溫點(diǎn)位于鉆頭與鉆桿接觸點(diǎn)位置。
[0011]2號測溫點(diǎn)位于鉆進(jìn)對象與鉆頭的鉆孔壁面接觸點(diǎn)位置。
[0012]3號測溫點(diǎn)位于鉆頭外壁與鉆進(jìn)對象接觸點(diǎn)位置。
[0013]4號測溫點(diǎn)位于鉆頭的切削刃與鉆進(jìn)對象接觸點(diǎn)位置。
[0014]上述熱電偶溫度傳感器與復(fù)合力傳感器的信號線均通過導(dǎo)電滑環(huán)引出。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0016]1、本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置，可以實(shí)時(shí)的測量鉆具在真空熱環(huán)境下的鉆進(jìn)壓力、扭矩及溫升情況，并將采集的數(shù)據(jù)存儲起來；
[0017]2、本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置，熱電偶溫度傳感器布局全范圍涵蓋鉆具，熱電偶與鉆具直接接觸，可以全方位的反應(yīng)鉆具的溫升情況；
[0018]3、本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置，成功的避免鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，信號線會纏繞在鉆具光軸上的問題。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置接頭剖視及內(nèi)部走線方式示意圖；
[0021]圖3為本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置中光軸接頭與密封接頭對接方式示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置中密封接頭與引線接頭對接方式示意圖；
[0023]圖5為本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置中復(fù)合力傳感器與引線接頭對接方式示意圖；
[0024]圖6為本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置中傳感器接頭與復(fù)合力傳感器對接方式示意圖；
[0025]圖7為本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置中鉆桿接頭與傳感器接頭對接方式示意圖；
[0026]圖8為本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置中鉆頭上4處測溫點(diǎn)位置示意圖；
[0027]圖9為本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置鉆頭上熱電偶安裝孔開設(shè)位置示意圖；
[0028]圖10為本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置中熱電偶安裝工裝示意圖；
[0029]圖11為本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置中熱電偶安裝工裝伸入鉆桿時(shí)位置示意圖；
[0030]圖12為本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置中熱電偶安裝工裝貼合鉆桿時(shí)位置示意圖；
[0031]圖13為本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置的信號傳輸采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0032]圖14為本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置使用時(shí)安裝方式示意圖。
[0033]圖中:
[0034]1-導(dǎo)電滑環(huán)2-鉆具光軸3-光軸接頭
[0035]4-密封接頭5-引線接頭6-復(fù)合力傳感器
[0036]7-傳感器接頭8-鉆桿接頭9-鉆桿
[0037]10-鉆頭11-熱電偶溫度傳感器 12-航空插頭
[0038]13-光軸密封圈14-熱電偶安裝工裝
[0039]101-滑環(huán)轉(zhuǎn)子102-滑環(huán)定子103-撥叉
[0040]104-貴金屬301-環(huán)形突起
[0041 ]401-圓形凹槽402-環(huán)形凹槽403-圓形凸臺A
[0042]404-航空插頭安裝孔501-定位凹槽502-走線孔A
[0043]503-圓柱凸起A504-螺紋孔A601-中心孔
[0044]602-通孔A603-通孔B701-圓柱凸起B(yǎng)
[0045]702-通孔C704-圓形凸臺B801-螺紋孔B
[0046]802-凹進(jìn)臺階803-走線孔B1a-鉆頭孔壁
[0047]1b-切削刃1c-熱電偶安裝孔1d-過線槽
[0048]14a-熱電偶安裝槽
【具體實(shí)施方式】
[0049]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0050]本發(fā)明月面環(huán)境下鉆具測試裝置，包括導(dǎo)電滑環(huán)1、鉆具光軸2、光軸接頭3、密封接頭4、引線接頭5、復(fù)合力傳感器6、傳感器接頭7、鉆桿接頭8、鉆桿9、鉆頭10、熱電偶溫度傳感器11與航空插頭12，如圖1、圖2所示。
[0051]所述導(dǎo)電滑環(huán)I同軸套接在鉆具光軸2上，位于鉆具光軸2的頂端。導(dǎo)電滑環(huán)I為現(xiàn)有產(chǎn)品，具有滑環(huán)轉(zhuǎn)子101、滑環(huán)定子102、撥叉103與內(nèi)外兩層筒狀貴金屬104。其中，滑環(huán)轉(zhuǎn)子101同軸套在滑環(huán)定子102內(nèi)，可相對滑環(huán)定子102轉(zhuǎn)動(dòng)?；h(huán)轉(zhuǎn)子101與鉆具光軸2間相套，底端與鉆具光軸2周向固定?；h(huán)定子102頂部邊緣位置安裝有U型撥叉103，撥叉103的開口與固定在機(jī)架上的軸銷配合，使軸銷穿入撥叉103的開口，實(shí)現(xiàn)滑環(huán)定子102的周向定位。內(nèi)外兩層貴金屬104位于滑環(huán)轉(zhuǎn)子101與滑環(huán)定子102之間；內(nèi)層貴金屬104固定在滑環(huán)轉(zhuǎn)子101外壁上；內(nèi)層貴金屬104固定在滑環(huán)定子102內(nèi)壁上；通過內(nèi)外兩層貴金屬使得在滑環(huán)轉(zhuǎn)子101與滑環(huán)轉(zhuǎn)子102相對轉(zhuǎn)動(dòng)過程中能夠一直保持很好的接觸(接觸電阻為πιΩ級別)，使得熱電偶溫度傳感器11的信號線一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，且避免了鉆具光軸2轉(zhuǎn)動(dòng)過程中熱電偶溫度傳感器11的信號線纏繞在鉆具光軸2外表面。
[0052]所述鉆具光軸2為空心軸，外表精加工、光滑，可與磁流體進(jìn)行配合，用于動(dòng)密封，內(nèi)部空間可供信號線纜通過，鉆具內(nèi)各傳感器信號通過信號線纜傳輸至鉆具外部。鉆具光軸2底端