CN102866036B - 小行星取样器的自嵌入式锚固装置 - Google Patents
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Abstract
一种小行星取样器的自嵌入式锚固装置，所述小行星取样器包括着陆腿，自嵌入式锚固装置包括着陆腿以及锚固机构。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，可以带动切割刀片高速旋转。
Description
技术领域
本发明涉及一种行星取样器的锚固装置，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。根据我国的既定探测目标，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，小行星取样首先要解决取样器在钻进过程中的反作用力问题。这就需要在取样器提供30N连续反推力的这段时间内，通过一种装置将取样器锚固在小行星表面。
目前国内外均没有专门针对小行星的锚固装置。地球上钻探用锚固装置体积庞大，功耗很大，不适用于小行星探测。2004年欧空局发射的罗塞塔号彗星探测器上有一个子探测器菲莱登陆器，菲莱登陆器将于2014年登陆彗星67P/Churyumov–Gerasimenko并锚固在彗核上。菲莱登陆器使用三个带可伸缩倒刺的钻钉来实现取样器的固定。这种钻钉一旦到达指定深度，就会展开钻钉后端的倒刺，将取样器固定在彗核上。这种固定方式只适用于硬度不大的彗核，对于摩氏硬度大于6.5的小行星则无法展开钻钉上的倒刺。国内考虑最多的是一种锚钉装置，该锚钉前段带有倒钩后端连接钢丝，一旦多个锚钉都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。对于无法确知其坚硬表面物质构成的小行星来说，这种锚固装置可靠性差，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，这种锚固装置为一次性使用装置，使用后无法回收再使用，几乎不能实现重复锚固，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装置，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装置，所述小行星取样器包括着陆腿，其特征为：所述自嵌入式锚固装置包括着陆腿以及锚固机构，锚固机构设在着陆腿的末端，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，可以带动切割刀片高速旋转。在切割电机启动的同时，控制第一关节电机和第二关节电机可以完成切割刀片对小行星的切割和嵌入，实现了自嵌入的功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）本发明装置利用第一关节电机和第二关节电机带动切割刀片靠近小行星，在切割电机的协同工作下，使切割刀片对小行星实施切割并逐渐嵌入小行星中，通过这种自嵌入式装置实现了取样器的锚固；（2）本发明装置通过将锚固机构安装在着陆腿上，最大限度地提高了取样器的空间利用率，从而实现了锚固装置的体积小、重量轻；（3）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；（4）由于切割产生的反向推力小，三个切割机构又在同一平面内成120°分布，且同时进行切割，在水平方向产生的切割力又可以抵消，因此本发明装置进行锚固所需要小行星取样器提供的推力很小；（5）本发明装置通过锚固机构的展开与收缩，能够轻松实现重复锚固、多次锚固，这是其他锚固装置所不具有的。
附图说明
图1为本装置的总体结构示意图。
图2为本装置的锚固机构示意图。
图3为本装置的第一关节的结构示意图。
图4为本装置的第二关节的结构示意图1。
图5为本装置的第二关节的结构示意图2。
图6为本装置的切割刀片与联轴器连接的示意图。
具体实施方式
一种小行星取样器的自嵌入式锚固装置，所述小行星取样器1包括着陆腿2，所述自嵌入式锚固装置包括着陆腿2以及锚固机构3，锚固机构3设在着陆腿2的末端，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，可以带动切割刀片9高速旋转。所述小行星取样器的自嵌入式锚固装置，在切割电机8启动的同时，控制第一关节电机4和第二关节电机6可以完成切割刀片9对小行星的切割和嵌入，实现了自嵌入的功能。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，小行星取样器主体1下面依靠三个着陆腿2支撑，在三个着陆腿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。如图2所示，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，可以带动切割刀片9高速旋转。
第一关节电机4和第二关节电机6均选择蜗轮蜗杆减速电机，电机具有自锁功能，输出扭矩为2N.m，空载转速为1.2r/min。切割电机8选用高速空心杯电机，最大连续输出扭矩0.026N.m，空载转速为9550 r/min，额定功率20W。
如图2所示，第一关节电机4上有四个定位孔，通过着陆腿上的四个安装孔10可以固定在小行星取样器着陆腿2上。如图3所示，第一关节电机4出轴与第一关节运动臂5末端的安装孔、轴承11内孔同轴且过盈配合，第一关节运动臂5末端的两侧分别与两个安装在小行星取样器着陆腿2上的轴承11的一侧相重合。第一关节电机4可以带动第一关节运动臂5以第一关节电机4出轴为中心做圆周旋转运动。
如图4所示，第二关节电机6上有四个定位孔，通过第一关节运动臂5上的四个安装孔12可以固定在第一关节运动臂5上。第二关节运动臂7由切割电机外罩13和联轴器外罩14两部分组成，切割电机外罩13上有四个螺纹孔，联轴器外罩14上有四个定位孔，切割电机外罩13与联轴器外罩14通过四个螺钉15紧密连接在一起。如图5所示，第二关节电机6出轴与切割电机外罩13末端的安装孔、轴承17内孔同轴且过盈配合，切割电机外罩13末端的两侧分别与两个安装在第一关节运动臂5上的轴承17的一侧相重合。第二关节电机6可以带动第二关节运动臂7以第二关节电机6出轴为中心做圆周旋转运动。
如图5所示，切割电机8出轴与联轴器17紧密相连，联轴器18另一端与切割轴19相连。在联轴器外罩14的前端，安装有双面轴承固定座20以及两个轴承固定卡21。双面轴承固定座20的上下面上各有两个螺孔，联轴器外罩14的上下面上有四个安装孔，如图4所示，通过四个螺钉16将双面轴承固定座20牢固地安装在联轴器外罩14的前端。
如图6所示，双面轴承固定座20的前后面上均有一个轴承安装孔，可以将两个轴承22安装在里面。双面轴承固定座21上还有四个螺孔，轴承固定卡22上有四个相应的安装孔，通过四个螺栓23和螺帽24，将双面轴承固定座20与轴承固定卡21相连，同时亦将两个轴承22固定。切割轴19一端直径为5mm，另一端直径为3mm。切割轴19直径为5mm的一端穿过双面轴承固定座20、两个轴承固定卡21和两个轴承22，切割轴19直径为3mm的一端与切割刀片9相连。利用切割轴两端直径大小造成的一个台阶，通过螺帽25和垫片26可以将切割刀片9固定在切割轴19上。
Claims (1)
1.一种小行星取样器的自嵌入式锚固装置，其特征为：所述自嵌入式锚固装置包括着陆腿（2）以及锚固机构（3），锚固机构（3）设在着陆腿（2）的末端，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），可以带动切割刀片（9）高速旋转。
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