CN102866035B - 一种小行星取样器的自嵌入式锚固方法 - Google Patents
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Abstract
一种小行星取样器的自嵌入式锚固方法，在小行星取样器的三个着陆腿的末端设置锚固机构，所述锚固机构包括第一关节和第二关节，第一关节包括第一关节电机和第一关节运动臂，第一关节电机固定在相应的着陆腿上，第一关节电机的输出转轴与第一关节运动臂的一端连接，第二关节包括第二关节电机和第二关节运动臂，第二关节电机固定在第一关节运动臂的另一端上，第二关节电机的输出转轴与第二关节运动臂的一端连接，在第二关节运动臂的另一端设有切割电机，在切割电机的输出转轴上连接有切割刀片。第一关节电机、第二关节电机和切割电机协同工作，可以使切割刀片对小行星实施切割并嵌入小行星，此时，小行星取样器就被锚固在小行星上。
Description
技术领域
本发明涉及一种行星取样器的锚固方法，尤其是涉及无重力环境下小行星取样器的锚固，属于空间技术及测控技术领域。
背景技术
国际上太阳系深空探测活动方兴未艾，小行星探测已成为主要发展方向。日本、美国、中国等国都相继计划开展小行星的深度原位取样分析和取样返回。根据我国的探测目标，目标小行星表面为高硬度的石头，摩氏硬度大于6.5，且目标小行星上重力加速度十分微弱，可以忽略不计。因此取样器所依附的主体在小行星上的重力将十分微小，其能够提供给取样器的用于钻进土壤等粉尘物的压力也几乎为零。这意味着取样器在进行钻进小行星表面取样的过程中，会受到小行星表面的反作用力而脱离小行星。同时，在深空工作的小行星取样器的电源一般依靠太阳能提供，因此供电功率有限，取样器能够提供的30N连续反推力只能维持很短的时间。一旦失去此反推力，取样器将在小行星表面无法继续工作。因此，首先要解决取样器在钻进时的反作用力问题。这就需要在取样器提供30N连续反推力的这段时间内，通过一种方法将取样器锚固在小行星表面。
目前国内外没有专门针对小行星的锚固方法。受目标小行星表面硬度大以及锚固装置功耗低、体积小、工作时间短的技术限制，在地球上使用的功耗大、锚固装置体积庞大的锚固方法不适用于太空作业。国内考虑最多的方法，是通过取样器上发射多个锚钉钉入小行星坚硬表面，该锚钉前段带有倒钩后端连接钢丝，一旦锚钉钉入小行星坚硬表面，就收紧钢丝从而达到锚固取样器的目的。但是这种方法最大的问题是可靠性差，对于无法确知其坚硬表面物质构成的小行星来说，有可能会出现小行星坚硬表面脆性大而无法将锚钉顺利钉入小行星表面的情况。这对于深空作业的探测器来说是无法接受的。同时，该方法不方便甚至不能重复锚固，无法满足灵活取样性的要求。
发明内容
本发明设计了一种灵活轻巧、功耗低、锚固效率高的小行星取样器的自嵌入式锚固方法，特别是适用于微重力环境下小行星取样器的锚固。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种小行星取样器的自嵌入式锚固方法：
首先，将小行星取样器置于带取样的小行星表面，在小行星取样器主体的三个着陆腿的末端设置锚固机构，所述锚固机构包括第一关节和第二关节，第一关节包括第一关节电机和第一关节运动臂，第一关节电机固定在相应的着陆腿上，第一关节电机的输出转轴与第一关节运动臂的一端连接，第二关节包括第二关节电机和第二关节运动臂，第二关节电机固定在第一关节运动臂的另一端上，第二关节电机的输出转轴与第二关节运动臂的一端连接，在第二关节运动臂的另一端设有切割电机，在切割电机的输出转轴上连接有切割刀片。启动第一关节电机和第二关节电机，使切割刀片触及小行星表面，启动切割电机，在第一关节电机、第二关节电机和切割电机同时工作下，切割刀片对小行星实施切割并嵌入小行星，当切割刀片嵌入小行星的深度h达到7~15毫米时，第一关节电机、第二关节电机和切割电机停止，至此完成锚固。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）本发明方法利用第一关节电机、第二关节电机和切割电机的协同工作，使切割刀片对小行星实施切割并嵌入小行星，通过这种自嵌入方法实现了取样器的锚固；（2）本发明采用自嵌入式方法将切割刀片切入小行星坚硬表面，其操作简单易行，适用面广，可以在不同硬度物质上完成锚固工作，可靠性高，这在航天领域极为重要；（3）本发明方法通过控制锚固机构的展开与收缩，能够轻松实现重复锚固、多次锚固，这是其他锚固方法所不具有的；（4）本发明工作时间短，可以在1～2分钟内完成小行星取样器锚固，同时，切割法的功耗比较低，因此消耗的总能量很少。
附图说明
图1为本发明方法的工作流程图。
图2为本发明方法的结构示意图。
图3为本发明方法的锚固机构示意图。
图4为切割刀片开始切割时锚固机构的几何结构图。
图5为切割刀片结束切割时锚固机构的几何结构图。
具体实施方式
一种小行星取样器的自嵌入式锚固方法：
首先，将小行星取样器置于带取样的小行星表面，在小行星取样器主体1的三个着陆腿2的末端设置锚固机构3，所述锚固机构3包括第一关节和第二关节，第一关节包括第一关节电机4和第一关节运动臂5，第一关节电机4固定在相应的着陆腿2上，第一关节电机4的输出转轴与第一关节运动臂5的一端连接，第二关节包括第二关节电机6和第二关节运动臂7，第二关节电机6固定在第一关节运动臂5的另一端上，第二关节电机6的输出转轴与第二关节运动臂7的一端连接，在第二关节运动臂7的另一端设有切割电机8，在切割电机8的输出转轴上连接有切割刀片9，
然后，启动第一关节电机4和第二关节电机6，使切割刀片9触及小行星表面，启动切割电机8，在第一关节电机4、第二关节电机6和切割电机8同时工作下，切割刀片9对小行星实施切割并嵌入小行星，当切割刀片9嵌入小行星的深度h达到7~15毫米时，第一关节电机4、第二关节电机6和切割电机8停止，至此完成锚固。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
如图2和图3所示，一种切割式小行星取样器锚固方法，小行星取样器主体1上具有可以维持一段时间的推力系统，在小行星取样器主体1的三个着陆腿2的末端设置锚固机构3，所述锚固机构3包括第一关节和第二关节，第一关节包括第一关节电机4和第一关节运动臂5，第一关节电机4固定在相应的着陆腿2上，第一关节电机4的输出转轴与第一关节运动臂5的一端连接，第二关节包括第二关节电机6和第二关节运动臂7，第二关节电机6固定在第一关节运动臂5的另一端上，第二关节电机6的输出转轴与第二关节运动臂7的一端连接，在第二关节运动臂7的另一端设有切割电机8，在切割电机8的输出转轴上连接有切割刀片9。
具体的锚固步骤如下：
步骤1. 小行星取样器主体1选择在较为平坦的小行星表面着陆，三个小行星取样器着陆腿2接触到小行星表面；
步骤2. 待小行星取样器的推力系统工作后，三个锚固机构3开始同步运动。第一关节和第二关节开始展开，第一关节电机4和第二关节电机6带动第一关节运动臂5和第二关节运动臂7运动，使切割刀片9靠近小行星坚硬表面；
步骤3. 当切割刀片9触及小行星表面时，启动切割电机8，此时，如图4所示，在切割平面内，第一关节运动臂5到达水平位置，着陆腿2与小行星表面之间夹角固定为 ，第一关节运动臂5与着陆腿2之间夹角为
，第二关节运动臂7与第一关节运动臂5之间夹角为
，切割刀片9的刀面与第二关节运动臂7之间夹角为直角，切割刀片9的刀面与小行星表面之间夹角为
。
步骤4. 控制第一关节电机4和第二关节电机6，使得切割刀片9不断深入小行星中。在切割刀片9对小行星进行切割的同时，第一关节电机4和第二关节电机6将切割刀片9逐渐嵌入小行星中。
步骤5.当切割刀片9切入小行星坚硬表面一定深度h后，如图5所示，此时在切割平面内，第一关节运动臂5与着陆腿2之间夹角为，第二关节运动臂7与第一关节运动臂5之间夹角为
，切割刀片9的刀面与第二关节运动臂7之间夹角为直角，切割刀片9的刀面与小行星表面之间夹角为
。停止第一关节电机4、第二关节电机6和切割电机8，三个锚固机构3已经将小行星取样器锚固在小行星上，形成的锚固力足以完成取样需求。
当取样完成或者需要变换取样地点时，只需第一关节电机4、第二关节电机6和切割电机8协同工作，将切割刀片9抬离小行星即可。
Claims (1)
1.一种小行星取样器的自嵌入式锚固方法，其特征为：
首先，将小行星取样器置于待取样的小行星表面，待小行星取样器的推力系统工作后开始进行锚固操作，在小行星取样器主体（1）的三个着陆腿（2）的末端设置锚固机构（3），所述锚固机构（3）包括第一关节和第二关节，第一关节包括第一关节电机（4）和第一关节运动臂（5），第一关节电机（4）固定在相应的着陆腿（2）上，第一关节电机（4）的输出转轴与第一关节运动臂（5）的一端连接，第二关节包括第二关节电机（6）和第二关节运动臂（7），第二关节电机（6）固定在第一关节运动臂（5）的另一端上，第二关节电机（6）的输出转轴与第二关节运动臂（7）的一端连接，在第二关节运动臂（7）的另一端设有切割电机（8），在切割电机（8）的输出转轴上连接有切割刀片（9），
然后，启动第一关节电机（4）和第二关节电机（6），使切割刀片（9）触及小行星表面，启动切割电机（8），在第一关节电机（4）、第二关节电机（6）和切割电机（8）同时工作下，切割刀片（9）对小行星实施切割并嵌入小行星，当切割刀片（9）嵌入小行星的深度h达到7～15毫米时，第一关节电机（4）、第二关节电机（6）和切割电机（8）停止，至此完成锚固。
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