一种月球钻探取样钻头及其钻具的制作方法

1.本发明涉及月球地质勘探钻具技术领域，更具体的说是涉及一种月球钻探取样钻头及其钻具。


背景技术：

2.月球环境下的钻取采样对于月球探测具有重要科学意义。随着各国探月计划的实施，对于月球更深部探测愈发突显。但由于月球处于高真空、微重力、昼夜温差悬殊等极端环境，存在如下主要钻进难点：
3.1)需要钻头既能够适应月壤的钻进取样，又要高效、高可靠钻进大尺度月岩；
4.2)低钻进作用力，受火箭运载能力、月面低重力环境的约束，钻取采样机构及其着陆器系统须进行轻量化设计，继而可提供的钻进能力有限，用于破碎月层的作用力低，这为月层的高效能钻进增加了难度；
5.3)环境条件恶劣，受月球真空、温度、辐射环境等因素的限制，月球表面缺少空气对流，又没有钻进辅助冷却介质，仅靠导热率极低的月壤介质进行传导散热，散热条件极差，严重影响了月层的钻进效率。
6.目前国内外使用的月球钻探取心钻头是采用镶焊硬质合金的方法，以硬质合金为切削齿破碎岩石，其方式最大的缺点是切削效率低，且岩屑排出困难，其主要表现为硬质合金由于形状原因无法与螺旋槽相对应连接，岩屑很难通过螺旋槽排除孔外，且硬质合金作为切屑齿当碰上6级以上的岩石切削效率低，增加工作时间，在星球上处于无水、高真空、微重力、日夜温差悬殊的极端环境，长时间的工作加上岩屑排出困难会增加钻进故障，加大风险。
7.因此，如何提供一种开发高效率、岩屑排泄通畅，且适用于月球钻探取心的钻头及其钻具，以满足月球钻探取心需求，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供了一种月球钻探取样钻头及其钻具，旨在解决上述技术问题。
9.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
10.一种月球钻探取样钻头，包括接头，和与所述接头固定的钻头体：
11.所述钻头体的冠部端面固定有薄壁阻隔环，和环绕所述薄壁阻隔环布置的多个外锥形螺旋刀翼，所述钻头体的外侧壁开设有多个螺旋排屑槽。
12.通过上述技术方案，本发明通过高比压外锥形螺旋刀翼、薄壁阻隔环等结构设计，外锥形螺旋刀翼设计可实现对月层的切削，薄壁阻隔环可使钻头体快速切入地层，利用螺旋排屑槽的结构配合，有利于岩屑快速排出，能够有效提高月球钻探取心效率，为深空月球探测提供了新的思路。
13.优选的，在上述一种月球钻探取样钻头中，所述薄壁阻隔环远离所述钻头体的唇
面镶嵌有大颗粒表镶金刚石，金刚石与薄壁设计可使钻头体快速切入地层。
14.优选的，在上述一种月球钻探取样钻头中，所述薄壁阻隔环的内表面加工有棱槽，所述棱槽内镶嵌大颗粒天然表镶金刚石。棱槽内镶嵌大颗粒天然表镶金刚石，一方面用以保证内直径尺寸，另一方面可降低月样进入钻头的摩擦阻力。
15.优选的，在上述一种月球钻探取样钻头中，所述薄壁阻隔环的外表面镶嵌有大颗粒金刚石凸起，所述外锥形螺旋刀翼内侧镶嵌有金刚石，所述大颗粒金刚石凸起的外径与所述外锥形螺旋刀翼内侧的第一排所述金刚石搭接，以实现钻头唇面径向尺寸的全覆盖切削。
16.优选的，在上述一种月球钻探取样钻头中，所述外锥形螺旋刀翼的唇面和切削前端均镶嵌排布有大颗粒天然表镶金刚石，可实现地层快速磨削，钻头整体呈现大水路刀翼式结构，具有更高钻进比压，可实现坚硬月岩的快速钻进切削。
17.优选的，在上述一种月球钻探取样钻头中，所述外锥形螺旋刀翼的外锥面镶嵌布设有金刚石聚晶和大颗粒天然表镶金刚石，用以防止钻头缩径。
18.优选的，在上述一种月球钻探取样钻头中，所述外锥形螺旋刀翼沿所述钻头体的周向的长度方向的外形呈中间厚、两端薄；所述外锥形螺旋刀翼的数量为2-4个。外锥形设计可有效解决钻头唇面过厚，动力不足导致的难压入问题，螺旋外形可使月屑顺利排至钻头体外侧的螺旋槽。
19.本发明还提供了一种月球钻探取样钻具，包括上述的月球钻探取样钻头，所述接头与上部的中空螺旋钻具连接。
20.通过上述技术方案，本发明与常规取样钻头不同，钻头刀翼与接头中部的钻头钢体部位非圆柱体，而是设计多组螺旋排屑槽以实现与上部中空螺旋钻具的适应性排屑组接。
21.优选的，在上述一种月球钻探取样钻具中，所述接头外表面加工有长螺距螺纹，能够与上部中空螺旋钻具快速连接。
22.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种月球钻探取样钻头及其钻具，钻头体设有薄壁阻隔环，环体内径设计内保径棱槽，用以保证内直径尺寸，同时可降低岩芯进入阻力；薄壁阻隔环外侧嵌有金刚石凸起，以实现钻头唇面径向尺寸的全覆盖切削。钻头体的冠部由二至四组外锥形螺旋刀翼组成，刀翼唇面和切削前端排布大颗粒天然表镶金刚石，用以切磨月层。外锥面布设金刚石聚晶和大颗粒金刚石防止钻头缩径。为实现与上部中空螺旋钻具的适应性排屑组接，钻头刀翼与接头中部设计多组螺旋排屑槽。本发明通过高比压外锥形螺旋刀翼、薄壁阻隔环等结构设计，能够有效提高月球钻探取心效率，为深空月球探测提供了新的思路。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
24.图1附图为本发明提供的月球钻探取样钻头的结构示意图。
25.其中：
26.1-接头；
27.11-长螺距螺纹；
28.2-钻头体；
29.21-薄壁阻隔环；22-外锥形螺旋刀翼；23-螺旋排屑槽。
具体实施方式
30.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、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例1：
32.参见附图1，本发明实施例公开了一种月球钻探取样钻头，包括接头1，和与接头1固定的钻头体2：
33.钻头体2的冠部端面固定有薄壁阻隔环21，和环绕薄壁阻隔环21布置的多个外锥形螺旋刀翼22，钻头体2的外侧壁开设有多个螺旋排屑槽23。
34.在本实施例中，薄壁阻隔环21的壁厚一般尺寸为2-3.5mm。
35.为了进一步优化上述技术方案，薄壁阻隔环21远离钻头体2的唇面镶嵌有大颗粒表镶金刚石。
36.为了进一步优化上述技术方案，薄壁阻隔环21的内表面加工有棱槽，棱槽内镶嵌大颗粒天然表镶金刚石。
37.为了进一步优化上述技术方案，薄壁阻隔环21的外表面镶嵌有大颗粒金刚石凸起，外锥形螺旋刀翼22内侧镶嵌有金刚石，大颗粒金刚石凸起的外径与外锥形螺旋刀翼22内侧的第一排金刚石搭接。
38.为了进一步优化上述技术方案，外锥形螺旋刀翼22的唇面和切削前端均镶嵌排布有大颗粒天然表镶金刚石。
39.为了进一步优化上述技术方案，外锥形螺旋刀翼22的外锥面镶嵌布设有金刚石聚晶和大颗粒天然表镶金刚石。
40.为了进一步优化上述技术方案，外锥形螺旋刀翼22的数量为2-4个。
41.为了进一步优化上述技术方案，外锥形螺旋刀翼22沿钻头体2的周向的长度方向的外形呈中间厚、两端薄。
42.实施例2：
43.本发明实施例公开了一种月球钻探取样钻具，包括实施例1的月球钻探取样钻头，接头1与上部的中空螺旋钻具连接。
44.为了进一步优化上述技术方案，接头1外表面加工有长螺距螺纹11。
45.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
46.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种月球钻探取样钻头，包括接头(1)，和与所述接头(1)固定的钻头体(2)，其特征在于：所述钻头体(2)的冠部端面固定有薄壁阻隔环(21)，和环绕所述薄壁阻隔环(21)布置的多个外锥形螺旋刀翼(22)，所述钻头体(2)的外侧壁开设有多个螺旋排屑槽(23)。2.根据权利要求1所述的一种月球钻探取样钻头，其特征在于，所述薄壁阻隔环(21)远离所述钻头体(2)的唇面镶嵌有大颗粒表镶金刚石。3.根据权利要求1或2所述的一种月球钻探取样钻头，其特征在于，所述薄壁阻隔环(21)的内表面加工有棱槽，所述棱槽内镶嵌大颗粒天然表镶金刚石。4.根据权利要求3所述的一种月球钻探取样钻头，其特征在于，所述薄壁阻隔环(21)的外表面镶嵌有大颗粒金刚石凸起，所述外锥形螺旋刀翼(22)内侧镶嵌有金刚石，所述大颗粒金刚石凸起的外径与所述外锥形螺旋刀翼(22)内侧的第一排所述金刚石搭接。5.根据权利要求1所述的一种月球钻探取样钻头，其特征在于，所述外锥形螺旋刀翼(22)的唇面和切削前端均镶嵌排布有大颗粒天然表镶金刚石。6.根据权利要求1或5所述的一种月球钻探取样钻头，其特征在于，所述外锥形螺旋刀翼(22)的外锥面镶嵌布设有金刚石聚晶和大颗粒天然表镶金刚石。7.根据权利要求1所述的一种月球钻探取样钻头，其特征在于，所述外锥形螺旋刀翼(22)的数量为2-4个。8.根据权利要求1所述的一种月球钻探取样钻头，其特征在于，所述外锥形螺旋刀翼(22)沿所述钻头体(2)的周向的长度方向的外形呈中间厚、两端薄。9.一种月球钻探取样钻具，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的月球钻探取样钻头，所述接头(1)与上部的中空螺旋钻具连接。10.根据权利要求9所述的一种月球钻探取样钻具，其特征在于，所述接头(1)外表面加工有长螺距螺纹(11)。

技术总结
本发明公开了一种月球钻探取样钻头及其钻具，涉及月球地质勘探钻具技术领域；钻头包括接头和与接头固定的钻头体：钻头体的冠部端面固定有薄壁阻隔环，和环绕薄壁阻隔环布置的多个外锥形螺旋刀翼，钻头体的外侧壁开设有多个螺旋排屑槽；钻具包括上述的钻头，接头与上部的中空螺旋钻具连接。本发明通过高比压外锥形螺旋刀翼、薄壁阻隔环等结构设计，外锥形螺旋刀翼设计可实现对月层的切削，薄壁阻隔环可使钻头体快速切入地层，利用螺旋排屑槽的结构配合，有利于岩屑快速排出，与常规取样钻头不同，钻头刀翼与接头中部的钻头钢体部位非圆柱体，而是设计多组螺旋排屑槽以实现与上部中空螺旋钻具的适应性排屑组接，为深空月球探测提供了新的思路。供了新的思路。供了新的思路。


技术研发人员：沈立娜 蔡家品 李春 吴海霞 卢猛 赵义 刘海龙 张建元 梁秋平
受保护的技术使用者：北京探矿工程研究所
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/9/23