Page 216 - 《振动工程学报》2026年第2期

532 振 动 工 程 学 报 第 39 卷

NASA 下属的喷气推进实验室（JPL）设计了一款超 月面做定向运动，通过在机具外表面加工各向异形
声波钻探采样器。在声波频率下，这款采样器由超 结构，增强了月壤的单向运移效果，使得月壤颗粒更
声波压电驱动器驱动中间的自由质量块，进而冲击 易排出掘进孔外，减小了机具的掘进阻力，提高了采
[6]
钻头来进行采样 。苏联成功实施了 3 次月壤钻进 样器的掘进效率。
采样返回任务，探测器型号分别是 Luna16、Luna20 双体振贯采样器通过电磁力驱动，使得振动组 I
[7]
和 Luna24 。Luna16 和 Luna20 钻探采样装置设置在 和Ⅱ 相互交错作用于月壤，对月壤水冰造成冲击，月
摆杆式展开机械臂上，由回转和进尺电机、空心钻 壤颗粒在冲击作用下沿机具表面的环形槽向上运
具及辅助装置组成，Luna16 和 Luna20 只采用了简单 动，机具得以贯入月壤。月壤的共振频率为 30~50 Hz，
钻杆直插式取心技术，月壤样品的取芯率较低，样品 拟选取采样器的工作频率为 30~50 Hz。在机具贯入
[8]
质量较低 。Luna24 在着陆器外布置滑轨，为采样 月壤的情况下，采样器的采样方式有两种，一种是机
系统提供钻进力，克服了机构臂钻压力不足的缺点； 具的外表面环形槽会装容月壤，另一种是月壤颗粒
取心装置采用了无滑差内翻式软袋取心方式，并在 进入机具容腔，实现采样。采样器工作原理如图 1
空心钻具中加入了样品保持芯管，结合缠绕封装容 所示。m 1 、m 2 ，F 1 、F 2 分别为振动组 I、振动组 II 的质
器及卡样装置，不仅有效地防止了月壤样品掉落，还 量和掘进力，K 为两个振动组的连接刚度。

[9]
保持了样品的原始层理信息 。
陈化智等 [10] 研究了一种手持式冲击贯入采样
(驱动单元)
器，驱动电机驱动圆柱凸轮转动，推动激振块向上运 振动组Ⅰ
振动组Ⅱ
动，压紧激振弹簧，当运动到最高点后，激振弹簧释 K
m 1 m 2 F 1
放，激振块撞击到取心管上表面，实现一次冲击。丁 F 2
希仑等 [11] 为了使采样器能够同时满足不同深度层次
采样、反复采样的要求，设计了一种名为 MRDD 的
多杆深层采样器。这种采样器装备 4 根空心钻杆，
通过电磁铁与弹簧配合控制夹持器的开合，结合齿
轮箱、丝杠传动和定位器锁定，实现换杆操作。通 图 1 采样器工作原理图
Fig. 1 Working principle diagram of sampler
过逐根换接钻杆，采样器最大可实现约 1.5 m 深度的
月壤钻取采样。在完成采样任务后，执行与下潜任 当采样器接触到月壤表面时，采样器下侧开始
务相反的操纵即可将所有杆件放回原位。该采样器 输入激励，振动组 I 对月壤向下进行冲击，当振动组 I
的优点在于拼装组接式设计，且丝杆螺母控制精准， 驱动达到极限位置时，断开下侧激励，随后上侧开始
但是整体体积和质量较大。 输入激励，振动组 I 开始向上运动，振动组Ⅱ 则相对
本文设计了一种出力大、质量轻的磁力驱动式 振动组 I 开始向下运动，即振动组Ⅱ 对月壤开始冲
月壤采样器，将其装配到探测器上机械臂末端的采 击，当振动组Ⅱ 驱动达到极限位置时，断开上侧激
样工具包上，可用于月壤采样。本文主要内容包括 励，随后输入下侧激励，完成一个周期的采样工作。

采样器的工作原理分析、总体设计、关键零部件分
析和驱动力仿真分析。本文还搭建了试验台，通过 2 双 体 振 贯 采 样 器 结 构 设 计
改变电流幅值、频率、占空比，探究其对掘进频率的

影响，进而选出最优的输入参数。
2.1 总体设计

1 双 体 振 贯 采 样 器 工 作 原 理 为应对月球极区的高真空、低重力、极端低温
的环境，采样器结构应简单，以保证采样器长时间正
双体振贯采样器通过驱动两个质量体交错运动 常工作。受探测器空间的限制，采样器的尺寸应尽
产生高频冲击，实现对月壤水冰的掘进采样。相比 量小，本文设计的采样器轴向和径向最大尺寸分别
于传统的钻探采样，其面对含有水冰混合物的硬质 为 89 和 72 mm（不包括机具）。同时，月壤采样对采
月球冻土时，回转冲击力不够，需要很大的钻压力才 样器的质量有着严苛的要求，质量过大会增加能量
会突破月壤颗粒之间的作用力，造成无法取样的困 的消耗，本文采样器质量设计为 1 kg 以内。由于采
境。本文设计的磁力驱动采样器，保证了一定的冲 样器被固定在机械臂末端工具包上，工作时会对机
击驱动力，并且掘进采样时的高频交错动态冲击贯 械臂产生反力作用，反力作用越大，能量消耗越大，
入过程，可以通过与硬质月球冻土产生共振，进而更 因此本文拟采用弹簧进行柔性支撑。
易进行掘进贯入。月壤颗粒在高频振动的作用下向 线圈通电后，在软铁骨架导磁作用下形成磁场，