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集成式取芯和研磨工具是现有的岩石研磨工具和微型取芯器设计的混合体 ， 取芯和研磨工具是一种安装在臂上的独立设备 ， 一旦定位和预加载 ， 无需额外的臂驱动 ， 取芯和研磨工具是一种精密机器人设备 ， 能够获取、保留和转移岩芯和松散材料 。 它还可以研磨和刷洗岩石和土壤表面 ， 更换钻头和末端执行器 ， 以有效地执行取芯/研磨操作 。 工具外壳内部的低质量和紧凑的传动装置提供了工具机构的所有驱动 。 “蝶形”表面接触和工具稳定组件连接到工具外壳的底部 。 这种机制允许手臂加载取芯和研磨工具以获得刚度和稳定性 ， 并反应在取芯或研磨到岩石而不是手臂时产生的扭矩和侧向载荷 。
【?太空钻井的取芯和研磨工具】
取芯钻头本质上是一个空心管 ， 带有定制设计的碳化钨切割齿和沿钻头外侧的凹槽 ， 用于岩屑运输 。 研磨机的功能与火星探测车岩石磨损工具基本相同 ， 可产生比研磨钻头尺寸大得多的研磨直径 ， 从而实现低功率、力和扭矩操作 。 研磨器没有硬安装到取芯和研磨工具外壳上 。 相反 ， 它是一种被动末端执行器 ， 包括用于其旋转轴和公转轴的传动装置 ， 以及磨头和刷子 ， 但没有电机 。 磨损器末端执行器在连接时使用取芯和研磨工具外壳内的电机来驱动旋转和旋转轴传动 。 取芯钻头和研磨器末端执行器连接并锁定在取芯和研磨工具的中心管上 ， 这样可以在切割时有效地将力和扭矩传递到钻头 。
对于取芯和磨损操作 ， 取芯和研磨工具由流动站臂放置在岩石或土壤目标上 。 当“蝶形”组件上的开关触发时 ， 会感应到接触 。 然后 ， 臂为结构刚度建立预载 ， 工具向岩石延伸 ， 通过其内部z轴找到表面 ， 取芯或磨损致动器被激活 ， 工具在扭矩和力反馈控制下 ， 继续将钻头伸入岩石中 。 借助磨损末端执行器 ， 该工具可穿透岩石表面至指定深度或指定持续时间 ， 然后后退并用其刷子清洁磨损表面 。 使用取芯钻头 ， 该工具将岩石穿透至指定深度 ， 折断并保留岩芯 ， 从孔中缩回 ， 然后在机械臂定位后 ， 将岩芯弹出到样品存储箱中 。
在其他条件不变的情况下 ， 在低压环境中钻孔会产生显着不同的穿透率和累积深度 。 在地球标准温度和压力下的取心钻头测试产生了40-60厘米每小时的最大钻进率和20-25厘米的累积钻孔深度 ， 然后钻进率降至5厘米每小时以下 。 当在5托、二氧化碳环境中重复这些测试时 ， 观察到最大穿透率超过120厘米每小时 ， 并且在测试因时间限制而停止之前 ， 单个取芯钻头达到117厘米 。 假设线性下降并排除灾难性故障 ， 钻头可能已经达到200厘米 ， 然后穿透率降至5厘米每小时以下 ， 这标志着使用寿命的结束 。
这种现象被认为是由于在测试玄武岩中保留了微量的水 ， 尽管努力将其去除 。 由于截留的水分在取芯过程中暴露出来 ， 它立即转变为气相 。 由此产生的体积膨胀包含足够的能量将细碎屑从钻孔中放出——在相对低的大气中 ， 细小颗粒受到的阻力较小 ， 因此可以传播得更远 。 在5托的所有11次试验中都观察到恒定的岩屑羽流 。 通过如此高效的排屑 ， 取芯钻头的切削元件可以自由地将所有压力施加到岩石上 ， 钻孔过程变得更加高效 。
显然 ， 火星上不能指望被困水的相变 。 这种现象应该在未来的测试设置中消除 ， 或者通过将大气压力提高到不会发生瞬时蒸发的点 ， 或者使用完全干燥的测试样品 。 然而 ， 这些测试的结果令人鼓舞 ， 因为它们表明了排屑优化的潜在好处 。 以前的钻头开发计划主要侧重于材料选择和旨在将应力集中在岩石上的几何形状 ， 而排屑功能在很大程度上尚未开发 ， 如果未来对取芯钻头设计的改进甚至可以逐步提高排屑效率 ， 那么这些测试表明 ， 穿透和寿命性能的提高可能是显着的 。
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