一种辅助外星球矿物取样的聚能装药结构

技术领域

本发明涉及工程爆破、外星球矿物取样技术领域，尤其涉及一种辅助外星球矿物取样的聚能装药结构，具体涉及一种在外星球上利用炸药柱爆炸、聚能、破碎效应粉碎坚固矿物并收集有效小样本的聚能装药结构结构。

背景技术

通常在地球表面进行的矿物取样是指从矿体、矿山等按一定规格或重量要求采取一定数量的矿物样品，通过分析、试验、鉴定来对矿石及岩石进行矿物学、矿相学及岩石学的研究，以查明矿石及围岩的矿物成分及含量，共生组合、结构构造、矿物粒级和嵌布特征、矿物化学成分及次生变化等，对查明矿石质量，配置矿石加工技术，了解矿床开采条件等具有非常重要的意义。

而对外行星表面矿物进行取样及研究对于探索外星球表面基本矿石环境，了解外星球矿物环境历史演化乃至未来的矿物开采工作具有重要意义。一般在地球表面的矿物取样方法较多，包括刻槽法、拣块法、刻线法、网格法、打眼法、全巷法、剥离法、钻探法等。但在真空无氧、低重力的外星球特殊环境中，有人或无人探测机械功率与载荷有限，操作与行动受到较大限制，很难像在地表一样灵活地对坚硬大块矿物进行有效的取样操作。

在地球表面由于可方便、灵活地采用各型大功率机械装备，较少使用爆炸的方式进行矿物取样工作，但在外行星表面等真空无氧、低重力的特殊环境中，采用自携氧的小型炸药柱破碎大块矿物后再进行收集取样工作是一种有效的途径。

爆破作业是指利用炸药的爆炸能量对介质做功,以达到预定工程目标的作业，已成为矿物开采中一种非常常用的手段，广泛地应用于煤矿、石料等开采作业中，经过多年来的研究与工程实践，已经形成了一整套完整的前期考察，施工方案，操作流程，安全规范等爆破开采系列技术标准。

但将地表使用的爆破开采技术直接应用于外星球表面的矿物取样工作中不仅会造成原矿物的彻底粉碎，碎块颗粒向四周分散后不利于收集取样，且会给外星球表面活动的人员和器械造成极大的安全隐患，还将有可能彻底改变较大范围内的外星球环境，不利于后续科研考察。因此需要设计一种辅助外星球矿物采样工作的小型炸药柱结构，既可以局部破碎矿物，在原位置处留下大量无污染的有效矿物小样本，实现原位取样，同时对周围环境影响较小，消除对人员和器械的安全隐患。

聚能装药结构是一种在装药凹槽内表面衬有药型罩的装药结构，又称成型装药，其将装药爆炸后凹槽附近炸药能量传递给药型罩，并向轴线汇聚形成具有极强局部侵彻与破坏威力的聚能金属射流。以聚能装药结构为核心的爆炸装置可以在较小装药量条件下，不依赖装置自身的动能或速度对坚固的矿物、岩层等形成较深穿孔和一定破坏，同时对发射、起爆环境没有过高要求，适用范围广，应用方式灵活，在工程作业中已得到大量应用，包括勘探时在土层和岩石上打孔，打捞沉船时切割船体；在野外切割钢板、钢梁；在石油、天然气开采中广泛应用的聚能射孔弹。普通轴向聚能装药结构可以在小药量条件下利用聚能效应对坚固矿物破碎开孔，对周围环境影响和安全隐患也较小，但同时会造成矿物碎块向四周飞散，不利于后续收集采样工作，故还需重新设计特殊的聚能装药结构以辅助外星球表面矿物取样工作。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种辅助外星球矿物取样的聚能装药结构，能够在低重力、真空无氧环境中利用较少的炸药爆炸驱动形成环形射流来侵彻坚硬矿物，同时，驱动飞片破碎大块矿物便于取样。

本发明的技术方案为：一种辅助外星球矿物取样的聚能装药结构，包括：起爆机构，壳体，炸药柱，环形药型罩，飞片和缓冲体；

所述壳体为阶梯轴状圆管，其两端分别开口，炸药柱同轴装填在壳体大端的内部空腔中，使炸药柱一端抵触在壳体的内底面上、另一端通过环形药型罩与壳体的端部压紧配合，且环形药型罩的凸面压紧在炸药柱的端部；环形药型罩中心端面与炸药柱之间安装有飞片，飞片与炸药柱之间设置缓冲体，用于对飞片缓冲；壳体小端内部设置起爆机构，用于起爆炸药柱；其中，所述环形药型罩包括：环形凹槽和一体连接在环形凹槽中心的圆形端面，且环形凹槽的横截面为月牙形，其与圆形端面相连的一端为内侧，与壳体相连的一端为外侧，使环形凹槽内侧的壁厚大于外侧的壁厚。

优选地，所述飞片和缓冲体均为圆形片状结构，其与环形药型罩、炸药柱及壳体同轴。

优选地，所述飞片和缓冲体等直径，且轴向高度分别为设定值。

优选地，所述炸药柱采用高能注装炸药。

优选地，所述壳体的材料采用高分子非金属材料。

优选地，所述环形药型罩采用高密度塑性金属材料。

优选地，所述缓冲体采用惰性材料。

优选地，所述飞片的材料采用高密度金属材料。

有益效果：

本发明设计的聚能装药结构质量较轻，用于火箭搭载时载荷小；结构简洁，加工工艺性较好，且成本低；附带毁伤小，安全性好；采用环形药型罩，利用炸药柱爆炸后产生的爆轰波驱动环形药型罩压垮、变形，从而产生具有强烈切割作用的环形射流，对坚硬的大块矿物进行环形切割，留下较深的环形凹坑，同时环形凹坑中留存有原矿物；再利用爆轰波驱动飞片，尾随环形射流动能撞击、破碎环形凹坑中留存的原矿物，由于环形凹坑坑壁的阻挡作用，在飞片作用下进一步破碎的小块矿物将留存于环形凹坑中，而不会四散飞离，以便于后续的收集采样，达到较好辅助外星球表面矿物采用工作的目的，辅助完成以往不能完成的在真空无氧、低重力的特殊环境中对坚硬矿物取样的工作；同时，一发聚能装药结构即可完成一次取样工作，简单高效。

附图说明

图1为本发明聚能装药结构的结构示意图。

图2为本发明中壳体的结构示意图。

图3为本发明中环形药型罩的结构示意图。

图4为本发明中带缓冲体的飞片结构的示意图。

图5为本发明中炸药柱的结构示意图。

图6为本发明中聚能装药结构爆炸驱动形成的环形射流及飞片的示意图。

图7为本发明中的取样目标的示意图。

图8为本发明中环形射流侵彻取样目标后形成的环形凹坑的示意图。

图9为本发明中环形射流、飞片依次侵彻取样目标后环形凹坑和漏斗坑，并在漏斗坑中留存小样本的示意图。

其中，1-起爆机构，2-壳体，3-炸药柱，4-环形药型罩，5-飞片，6-缓冲体。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种辅助外星球矿物取样的聚能装药结构，能够在低重力、真空无氧环境中利用较少的炸药爆炸驱动形成环形射流来侵彻坚硬矿物，同时，驱动飞片破碎大块矿物便于取样。

如图1所示，该聚能装药结构包括：起爆机构1，壳体2，炸药柱3，环形药型罩4，飞片5和缓冲体6。

该聚能装药结构的连接关系为：如图2所示，壳体2为阶梯轴状圆管，其两端分别开口，炸药柱3同轴装填在壳体2大端的内部空腔中，使炸药柱3一端抵触在壳体2的内底面上、另一端通过环形药型罩4与壳体2的端部压紧配合，且环形药型罩4的凸面压紧在炸药柱3的端部；环形药型罩4中心端面与炸药柱3之间同轴安装有飞片5(即飞片5安装在环形药型罩4的底端，飞片5为圆形片状结构，其与环形药型罩4、炸药柱3及壳体2同轴)，飞片5与炸药柱3之间设置缓冲体6(为圆形片状结构)，用于调整驱动飞片5的速度，对飞片5缓冲；壳体2小端内部设置起爆机构1，用于起爆炸药柱3；其中，如图3所示，环形药型罩4包括：环形凹槽和一体连接在环形凹槽中心的圆形端面，且环形凹槽的横截面为月牙形，其与圆形端面相连的一端为环形凹槽的内侧，与壳体2相连的一端为环形凹槽的外侧，使环形凹槽内侧的壁厚大于外侧的壁厚，用于保证爆轰波对环形药型罩4的作用力大致相等。

进一步地，如图4所示，缓冲体6和飞片5等直径，且轴向高度分别为设定值，以保证对作用于飞片5上的爆轰波进行设定量的衰减。

进一步地，如图5所示，炸药柱3采用成熟可靠的注装工艺注塑而成，其材料采用TNT炸药(其为高能注装炸药)。

进一步地，壳体2的材料采用对周围附带毁伤小的高分子聚乙烯塑料(其为一种高分子非金属材料)，从而减小附带毁伤。

进一步地，环形药型罩4采用声速高、塑性好的紫铜材料(其为一种高密度塑性金属材料)。

进一步地，缓冲体6采用惰性高分子材料(其为一种惰性材料)，有助于延缓炸药柱3作用于飞片5的爆轰压力。

进一步地，飞片5的材料采用常见的Q235钢(其为一种高密度金属材料)。

该聚能装药结构的工作原理为：一般对矿物样本需要测量其颗粒大小和成分含量，本实施例对取样目标(如图7所示，取样目标为大型坚硬矿物)的大小并未做严格要求，聚能装药结构在设定的口径下，主要考虑在火箭搭载时载荷尽可能小和低附带毁伤；

聚能装药结构在距离取样目标一定炸高处安全起爆后，炸药柱3开始爆轰，壳体2膨胀破碎，爆轰波首先作用于环形药型罩4，如图6所示，利用爆轰波驱动环形药型罩4压垮、变形并形成环形射流，该环形射流首先对取样目标进行环形切割，形成设定深度的环形凹坑(如图8所示)，凹坑中心留有较大的原矿物；同时，爆轰波依次作用于缓冲体6和飞片5，如图9所示，经过缓冲体6衰减的爆轰波驱动飞片5尾随环形射流(由于缓冲体6降低了爆轰波对飞片5的作用力，飞片5只发生较小的塑性变形，并以较低速度尾随环形射流)，沿轴向撞击环形凹坑中心留存的原矿物，致使原矿物破碎，破碎之后的矿物向环形凹坑的四周飞散，但由于受到环形凹坑坑壁的阻挡，最终留存于环形凹坑中，并形成有效的矿物小样本的漏斗坑，后续的收集取样只需利用器械拾取漏斗坑中的矿物小样本即可。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。