CN102879219A - 一种深空小行星样品采集探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深空小行星样品采集探测器，包括：探测器壳体、采样装置、保护装置、回收装置、隔热材料和控制单元；当小行星探测器即将着陆时，保护装置上的机械爪展开，电机驱动丝杠使柔性伸展材料伸长至极限长度，作为尘粒样品的输送管道和探测器的保护，然后采样装置发射弹射球体，经过保护装置的管道撞击小行星表面，溅射起的尘粒由保护装置的输送管道引导进入探测器的回收装置，进行隔离封装。本发明是具有小行星样品采集、回收、封装功能的集成装置，同时考虑了采样过程中对探测器自身的保护。

Description

一种深空小行星样品采集探测器

技术领域

本发明涉及航天探测技术领域，具体来说，涉及一种深空小行星样品采集探测器。

背景技术

小行星是围绕太阳运行的岩石或金属天体，它们的体积相当小，绝大多数分布在火星和木星轨道之间。小行星深空探测是空间探测活动新的发展方向，是科学家了解太阳系的起源、进化和生命原材料物质的重要研究领域。

小行星所处的环境和地球所处的环境有很大的差别，环境重力几乎为零，所以不能把在地球上所用的挖掘机械和采样机械完全运用到小行星上。同时，以现在人类所拥有的技术，不能把大量的样本带到地球上进行分析，所能做的是带回微量样本返回地球，或者是直接在小行星上对其进行分析。日本的隼鸟号于2003年发射升空，在小行星25143上进行采样，是第一个在小行星上成功采集样品并成功返回的国家，但是在执行任务过程中发生多次故障，与地面失去联系，在可靠性上需要进一步改善。本发明通过简单有效、并且利于自动化实现的各部分装置集成，保证小行星深空探测器执行任务的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种深空小行星样品采集探测器。

本发明采用的技术方案是：一种深空小行星样品采集探测器，由探测器壳体、采样装置、保护装置、回收装置、隔热材料和控制单元组成。所述探测器壳体构成整个采集探测器的主体框架，两块太阳能电池板固定于探测器壳体的两翼；保护装置固定于探测器壳体底部，保护装置的伸展方向垂直于探测器壳体的底面；采样装置固定于探测器壳体底部和保护装置之间，采样装置的弹射球体发射端口回转中心线朝下，与保护装置的回转中心线平行，但不重合，弹射球体的运动轨迹包络在保护装置的输送管道之中；回收装置固定于探测器壳体的内部，并且与保护装置相连接，回收装置最左端相连的探测器壳体外部安装有隔热材料，隔热材料与回收装置均为回转体，两者旋转中心线重合；控制单元置于探测器壳体内部，连接图像采集装置及红外传感器、采样装置、保护装置和回收装置，控制它们的运动动作。

上述采样装置包括：弹射端口、外壳、弹射球体存储管、驱动电机、气阀外壳、活塞、凸轮、扳机、扳机回复弹簧、底座伸出杆、底座活塞连接弹簧、底座、阀体、阀芯控制弹簧、阀芯、阻挡块、弹射球体、拱形杆和活塞O形密封圈等；所述弹射端口嵌套在外壳前端，弹射端口的内径与弹射球体相同，且经过抛光处理，使弹射球体在发射时受到较小的阻力；弹射端口垂直于外部探测器壳体底面，这样在发射时能够使弹射球体垂直撞击在小行星表面，产生出最大的冲击力；驱动电机、气阀外壳、活塞、凸轮、扳机、扳机回复弹簧、底座伸出杆、底座活塞连接、底座、阀体、阀芯控制弹簧、阀芯、阻挡块、弹射球体、拱形杆和活塞O形密封圈均固定在外壳内，凸轮与驱动电机的输出轴连接，扳机的一端与凸轮接触，扳机另一端的下部通过扳机回复弹簧连接外壳的内壁，扳机回复弹簧为扳机提供回复力；扳机另一端的上部与活塞下部的小槽相扣合，活塞的后部通过底座活塞连接弹簧与底座相连，活塞在气阀外壳内做直线往复运动，活塞前端沟槽安装有活塞O形密封圈，起气阀外壳和活塞之间的密封作用；阀体固定在气阀外壳内，阀体两侧各加工有沟槽，用于高压气体的通过；阀芯置于阀体内，一端由阀芯控制弹簧支撑，另一端穿过阀体；压缩液体存储罐固定于外壳下部，通过气阀外壳的底部开口与阀体相连接，提供高压气体源；拱形杆与活塞固定连接，弹射球体由阻挡块和拱形杆共同限位。

上述保护装置包括：漏斗构件、两个丝杠驱动电机、伸长机构安装底座、两个伸长丝杠副、保护管、仿生机械爪、底座、柔性输送管、缓冲弹簧和机械爪驱动电机等；所述伸长机构安装底座的上端与整个小行星探测器固连，下端对称安装有两个丝杠驱动电机，每个丝杠驱动电机的电机输出轴连接一伸长丝杠副，两个伸长丝杠副均由四节丝杠通过螺纹副串联连接而成，在两个丝杠电机的驱动下进行伸缩运动；第四节丝杠与缓冲弹簧的上端相连接，缓冲弹簧的下端与底座相连接；柔性输送管置于保护管内，柔性输送管的下端与底座（33）相连，漏斗构件与保护管固连，漏斗构件和伸长机构安装底座均通过螺钉固定与外部探测器；漏斗构件上端出口处通向探测器的回收装置，用于引导样品的回收；四个仿生机械爪周向均匀分布安装在底座上。

上述回收装置包括：回收舱、样品进管口、旋转隔离板、封装筒体、O形橡胶密封圈、连接弹簧、滑块、弹簧钢片、压缩弹簧和驱动电机等；所述旋转隔离板、封装筒体、O形橡胶密封圈、连接弹簧、滑块、弹簧钢片和压缩弹簧均置于回收舱内，所述回收舱的下端开有槽口，样品进管口的一端穿过该槽口后，与封装筒体相通；回收舱内壁在槽口左端处开有锥形槽，使滑块上弹簧钢片进入后卡紧；压缩弹簧位于回收舱最右端并支撑滑块的一端；滑块的外圆周均匀固定若干弹簧钢片，滑块的另一端通过连接弹簧支撑封装筒体，封装筒体内开有一圆柱形内腔，圆柱形内腔的下半部分均匀开有三个圆弧形截面的腔室，旋转隔离板置于圆柱形内腔，具有一个截面为圆弧形的开口，旋转隔离板与封装筒体相配合，可以形成三个相互独立的密闭空间，驱动电机安装在封装筒体的底部，其输出轴与旋转隔离板相连，O形橡胶密封圈安装在封装筒体外部的沟槽内。

上述控制单元包括：控制芯片、图像采集装置及红外传感器和人机交互界面等；控制单元由太阳能电池板供电，图像采集装置及红外传感器均与控制芯片相连，采集小行星地表图像及位置信号，用于判断对探测器所发出的指令；人机交互界面与控制芯片相连，用于研究人员在地面对探测器进行控制调试；控制单元与采样装置的驱动电机相连接，联合角度信号反馈，控制采样装置上的凸轮的旋转运动；控制单元与保护装置的伸长驱动电机相连接，联合速度信号反馈，控制保护装置的伸长丝杠副的伸展运动；控制单元与保护装置的机械爪驱动电机相连接，联合角度信号反馈，控制保护装置的仿生机械爪的旋转角度；控制单元与回收装置的旋转驱动电机相连接，联合角度信号反馈，控制回收装置的旋转隔离板的转动角度。

本发明的有益效果是：本发明的深空小行星样品采集探测器质量小，结构简单可靠，便于自动化实现，并且利用扩散原理克服“零重力”环境影响的微量样品采集装置，同时具有尘粒引导和探测器自身的保护，另外具有样品隔离封装回收功能，具有很高的可靠性。

附图说明

图1是本发明的样品采集探测器整体结构示意图；

图2是本发明的样品回收装置、采样装置和保护装置的连接示意图；

图3是本发明的采样装置在保护装置上的安装结构示意图；

图4是本发明的采样装置结构示意图；

图5是图4的局部放大图；

图6是图4的剖视图；

图7是图4的仿生机械爪及驱动电机连接示意图；

图8是本发明的保护装置结构示意图；

图9是图8的局部放大图；

图10是图8的局部放大图；

图11是本发明的回收装置结构示意图；

图12是图11的局部放大图；

图13是本发明的样品采集探测器探测器系统原理图；

图14是本发明的探测器样品采集控制流程图；

图中，探测器壳体1、采样装置2、保护装置3、回收装置4、样品进管口5、两个丝杠驱动电机6、两个伸长丝杠副7、隔热材料8、压缩液体存储罐9、弹射端口10、外壳11、弹射球体存储管12、驱动电机13、气阀外壳14、活塞15、凸轮16、扳机17、扳机回复弹簧18、底座伸出杆19、底座活塞连接弹簧20、底座21、阀体22、阀芯控制弹簧23、阀芯24、阻挡块25、弹射球体26、拱形杆27和活塞O形密封圈28、漏斗构件29、伸长机构安装底座30、保护管31、仿生机械爪32、底座33、柔性输送管34、缓冲弹簧35和机械爪驱动电机36、回收舱37、旋转隔离板38、封装筒体39、O形橡胶密封圈40、连接弹簧41、滑块42、弹簧钢片43、压缩弹簧44和驱动电机45和控制单元46。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

由图1-2可以看出，一种深空小行星样品采集探测器，主要包括：探测器壳体1、采样装置2、保护装置3、回收装置4、隔热材料8、和控制单元46等。

如图1-3所示，探测器壳体1构成整个采集探测器的主体框架，两块太阳能电池板固定于探测器壳体1的两翼；保护装置3固定于探测器壳体1底部，保护装置的伸展方向垂直于探测器壳体的底面；采样装置2固定于探测器壳体1底部和保护装置3之间，采样装置2的弹射球体发射端口10回转中心线朝下，与保护装置3的回转中心线平行，但不重合，弹射球体的运动轨迹包络在保护装置3的输送管道之中；回收装置4固定于探测器壳体1的内部，并且与保护装置3相连接，回收装置4最左端相连的探测器壳体1外部安装有隔热材料8，隔热材料8与回收装置4均为回转体，两者旋转中心线重合；控制单元5置于探测器壳体1内部，连接采样装置2、保护装置3和回收装置4，控制它们的运动动作。

上述采样装置2，如图4-7所示，包括：压缩液体存储罐9、弹射端口10、外壳11、弹射球体存储管12、驱动电机13、气阀外壳14、活塞15、凸轮16、扳机17、扳机回复弹簧18、底座伸出杆19、底座活塞连接弹簧20、底座21、阀体22、阀芯控制弹簧23、阀芯24、阻挡块25、弹射球体26、拱形杆27和活塞O形密封圈28等；所述弹射端口10嵌套在外壳11前端，弹射端口10的内径与弹射球体26相同，且经过抛光处理，使弹射球体26在发射时受到较小的阻力；弹射端口10垂直于外部探测器壳体底面，这样在发射时能够使弹射球体垂直撞击在小行星表面，产生出最大的冲击力；驱动电机13、气阀外壳14、活塞15、凸轮16、扳机17、扳机回复弹簧18、底座伸出杆19、底座活塞连接20、底座21、阀体22、阀芯控制弹簧23、阀芯24、阻挡块25、弹射球体26、拱形杆27和活塞O形密封圈28均固定在外壳11内，凸轮16与驱动电机13的输出轴连接，扳机17的一端与凸轮16接触，扳机17另一端的下部通过扳机回复弹簧18连接外壳11的内壁，扳机回复弹簧18为扳机17提供回复力；扳机17另一端的上部与活塞15下部的小槽相扣合，活塞15的后部通过底座活塞连接弹簧20与底座21相连，活塞15在气阀外壳14内做直线往复运动，活塞15前端沟槽安装有活塞O形密封圈28，起气阀外壳14和活塞15之间的密封作用；阀体22固定在气阀外壳14内，阀体22两侧各加工有沟槽，用于高压气体的通过；阀芯24置于阀体22内，一端由阀芯控制弹簧23支撑，另一端穿过阀体22；压缩液体存储罐9固定于外壳11下部，通过气阀外壳14的底部开口与阀体22相连接，提供高压气体源；拱形杆27与活塞15固定连接，弹射球体26由阻挡块25和拱形杆27共同限位。

上述保护装置3，如图8-10所示，包括：漏斗构件29、两个丝杠驱动电机6、伸长机构安装底座30、两个伸长丝杠副7、保护管31、仿生机械爪32、底座33、柔性输送管34、缓冲弹簧35和机械爪驱动电机36等；所述伸长机构安装底座30的上端与整个小行星探测器固连，下端对称安装有两个丝杠驱动电机6，每个丝杠驱动电机6的电机输出轴连接一伸长丝杠副7，两个伸长丝杠副7均由四节丝杠通过螺纹副串联连接而成，在两个丝杠电机6的驱动下进行伸缩运动；第四节丝杠与缓冲弹簧35的上端相连接，缓冲弹簧35的下端与底座33相连接；柔性输送管34置于保护管31内，柔性输送管34的下端与底座33相连，漏斗构件29与保护管31固连，漏斗构件29和伸长机构安装底座30均通过螺钉固定与外部探测器；漏斗构件29上端出口处通向探测器的回收装置4，用于引导样品的回收；四个仿生机械爪32周向均匀分布安装在底座33上。

上述回收装置4，如图11-12所示，包括：回收舱37、样品进管口5、旋转隔离板38、封装筒体39、O形橡胶密封圈40、连接弹簧41、滑块42、弹簧钢片43、压缩弹簧44和驱动电机45等；所述旋转隔离板38、封装筒体39、O形橡胶密封圈40、连接弹簧41、滑块42、弹簧钢片43和压缩弹簧44均置于回收舱37内，所述回收舱37的下端开有槽口，样品进管口5的一端穿过该槽口后，与封装筒体39相通；回收舱37内壁在槽口左端处开有锥形槽，使滑块42上弹簧钢片43进入后卡紧；压缩弹簧44位于回收舱37最右端并支撑滑块42的一端；滑块42的外圆周均匀固定若干弹簧钢片43，滑块42的另一端通过连接弹簧41支撑封装筒体39，封装筒体39内开有一圆柱形内腔，圆柱形内腔的下半部分均匀开有三个圆弧形截面的腔室，旋转隔离板38置于圆柱形内腔，具有一个截面为圆弧形的开口，旋转隔离板38与封装筒体39相配合，可以形成三个相互独立的密闭空间，驱动电机45安装在封装筒体39的底部，其输出轴与旋转隔离板38相连，O形橡胶密封圈40安装在封装筒体39外部的沟槽内。

上述控制单元46，如图13所示，包括：控制芯片、图像采集装置及红外传感器和人机交互界面等；控制单元由太阳能电池板供电，图像采集装置及红外传感器均与控制芯片相连，采集小行星地表图像及位置信号，用于判断对探测器所发出的指令；人机交互界面与控制芯片相连，用于研究人员在地面对探测器进行控制调试；控制单元46与采样装置2的驱动电机13相连接，联合角度信号反馈，控制采样装置2上的凸轮16的旋转运动；控制单元46与保护装置3的伸长驱动电机6相连接，联合速度信号反馈，控制保护装置3的伸长丝杠副7的伸展运动；控制单元46与保护装置3的机械爪驱动电机36相连接，联合角度信号反馈，控制保护装置3的仿生机械爪32的旋转角度；控制单元46与回收装置4的旋转驱动电机45相连接，联合角度信号反馈，控制回收装置4的旋转隔离板38的转动角度。

工作过程如下：如图14探测器样品采集控制流程图所示，太阳能电池板为小行星样品采集探测器提供能量；当小行星探测器即将着陆时，图像采集装置及红外传感器分析着陆地形并且判断采样地点是否合适，如果可以，保护装置3开始工作，根据采集的图像分析降落地形，给机械爪驱动电机36旋转使四个仿生机械爪32展开至不同角度，保护装置3的伸长驱动电机6驱动伸长丝杠副7，从而使柔性伸展材料伸长至极限长度，作为尘粒样品的输送管道和对探测器壳体1的保护；然后控制回收装置4，回收装置驱动电机45带动旋转隔离板38旋转一定角度，形成独立的隔离回收腔体；然后采样装置2开始工作，驱动电机13驱动凸轮16旋转，发射弹射球体26，经过保护装置3的柔性输送管34撞击小行星表面，溅射起的尘粒由保护装置3的漏斗构件29引导进入探测器的回收装置4；此时，样品采集的一个循环结束，探测器可以着陆于小行星表面其他地点，通过发射弹射球体26继续进行样品采集任务，回收装置4具有隔离封装的功能，避免小行星表面不同地点采集样品的混合污染，当最后一次样品采集任务结束时，回收装置4的样品进管口5向下平移，脱离回收舱37，回收装置4进行自动密封；最后，样品采集探测器上升进入小行星绕行轨道，准备返回地球，其中在进入地球大气层时，隔热材料保护回收装置内的小行星样品不受高温损伤；最终，小行星样品返回地球表面，由地面实验室接管研究。

Claims (5)

1.一种深空小行星样品采集探测器，其特征是：主要包括：探测器壳体（1）、采样装置（2）、保护装置（3）、回收装置（4）、隔热材料（8）和控制单元（46）等；所述探测器壳体（1）构成整个采集探测器的主体框架，两块太阳能电池板固定于探测器壳体（1）的两翼；保护装置（3）固定于探测器壳体（1）底部，保护装置的伸展方向垂直于探测器壳体的底面；采样装置（2）固定于探测器壳体（1）底部和保护装置（3）之间，采样装置（2）的弹射球体发射端口（10）回转中心线朝下，与保护装置（3）的回转中心线平行，但不重合，弹射球体的运动轨迹包络在保护装置（3）的输送管道之中，回收装置（4）固定于探测器壳体（1）的内部，并且与保护装置（3）相连接，回收装置（4）最左端相连的探测器壳体（1）外部安装有隔热材料（8），隔热材料（8）与回收装置（4）均为回转体，两者旋转中心线重合；控制单元（5）置于探测器壳体（1）内部，连接图像采集装置及红外传感器、采样装置（2）、保护装置（3）和回收装置（4），控制它们的运动动作。

2.根据权利要求（1）所述的深空小行星样品采集探测器，其特征在于，所述采样装置（2）包括：压缩液体存储罐（9）、弹射端口（10）、外壳（11）、弹射球体存储管（12）、驱动电机（13）、气阀外壳（14）、活塞（15）、凸轮（16）、扳机（17）、扳机回复弹簧（18）、底座伸出杆（19）、底座活塞连接弹簧（20）、底座（21）、阀体（22）、阀芯控制弹簧（23）、阀芯（24）、阻挡块（25）、弹射球体（26）、拱形杆（27）和活塞O形密封圈（28）等；所述弹射端口（10）嵌套在外壳（11）前端，弹射端口（10）的内径与弹射球体（26）相同，且经过抛光处理，使弹射球体（26）在发射时受到较小的阻力；弹射端口（10）垂直于外部探测器壳体底面，这样在发射时能够使弹射球体垂直撞击在小行星表面，产生出最大的冲击力；驱动电机（13）、气阀外壳（14）、活塞（15）、凸轮（16）、扳机（17）、扳机回复弹簧（18）、底座伸出杆（19）、底座活塞连接（20）、底座（21）、阀体（22）、阀芯控制弹簧（23）、阀芯（24）、阻挡块（25）、弹射球体（26）、拱形杆（27）和活塞O形密封圈（28）均固定在外壳（11）内，凸轮（16）与驱动电机（13）的输出轴连接，扳机（17）的一端与凸轮（16）接触，扳机（17）另一端的下部通过扳机回复弹簧（18）连接外壳（11）的内壁，扳机回复弹簧（18）为扳机（17）提供回复力；扳机（17）另一端的上部与活塞（15）下部的小槽相扣合，活塞（15）的后部通过底座活塞连接弹簧（20）与底座（21）相连，活塞（15）在气阀外壳（14）内做直线往复运动，活塞（15）前端沟槽安装有活塞O形密封圈（28），起气阀外壳（14）和活塞（15）之间的密封作用；阀体（22）固定在气阀外壳（14）内，阀体（22）两侧各加工有沟槽，用于高压气体的通过；阀芯（24）置于阀体（22）内，一端由阀芯控制弹簧（23）支撑，另一端穿过阀体（22）；压缩液体存储罐（9）固定于外壳（11）下部，通过气阀外壳（14）的底部开口与阀体（22）相连接，提供高压气体源；拱形杆（27）与活塞（15）固定连接，弹射球体（26）由阻挡块（25）和拱形杆（27）共同限位。

3.根据权利要求（1）所述深空小行星样品采集探测器，其特征在于，所述保护装置（3）包括：漏斗构件（29）、两个丝杠驱动电机（6）、伸长机构安装底座（30）、两个伸长丝杠副（7）、保护管（31）、仿生机械爪（32）、底座（33）、柔性输送管（34）、缓冲弹簧（35）和机械爪驱动电机（36）等；所述伸长机构安装底座（30）的上端与整个小行星探测器固连，下端对称安装有两个丝杠驱动电机（6），每个丝杠驱动电机（6）的电机输出轴连接一伸长丝杠副（7），两个伸长丝杠副（7）均由四节丝杠通过螺纹副串联连接而成，在两个丝杠电机（6）的驱动下进行伸缩运动；第四节丝杠与缓冲弹簧（35）的上端相连接，缓冲弹簧（35）的下端与底座（33）相连接；柔性输送管（34）置于保护管（31）内，柔性输送管（34）的下端与底座（33）相连，漏斗构件（29）与保护管（31）固连，漏斗构件（29）和伸长机构安装底座（30）均通过螺钉固定与外部探测器；漏斗构件（29）上端出口处通向探测器的回收装置（4），用于引导样品的回收；四个仿生机械爪（32）周向均匀分布安装在底座（33）上。

4.根据权利要求（1）所述深空小行星样品采集探测器，其特征在于，所述回收装置（4）包括：回收舱（37）、样品进管口（5）、旋转隔离板（38）、封装筒体（39）、O形橡胶密封圈（40）、连接弹簧（41）、滑块（42）、弹簧钢片（43）、压缩弹簧（44）和驱动电机（45）等；所述旋转隔离板（38）、封装筒体（39）、O形橡胶密封圈（40）、连接弹簧（41）、滑块（42）、弹簧钢片（43）和压缩弹簧（44）均置于回收舱（37）内，所述回收舱（37）的下端开有槽口，样品进管口（5）的一端穿过该槽口后，与封装筒体（39）相通；回收舱（37）内壁在槽口左端处开有锥形槽，使滑块（42）上弹簧钢片（43）进入后卡紧；压缩弹簧（44）位于回收舱（37）最右端并支撑滑块（42）的一端；滑块（42）的外圆周均匀固定若干弹簧钢片（43），滑块（42）的另一端通过连接弹簧（41）支撑封装筒体（39），封装筒体（39）内开有一圆柱形内腔，圆柱形内腔的下半部分均匀开有三个圆弧形截面的腔室，旋转隔离板（38）置于圆柱形内腔，具有一个截面为圆弧形的开口，旋转隔离板（38）与封装筒体（39）相配合，可以形成三个相互独立的密闭空间，驱动电机（45）安装在封装筒体（39）的底部，其输出轴与旋转隔离板（38）相连，O形橡胶密封圈（40）安装在封装筒体（39）外部的沟槽内。

5.根据权利要求（1）所述深空小行星样品采集探测器，其特征在于，所述控制单元（46）包括：控制芯片、图像采集装置及红外传感器和人机交互界面；控制单元（46）由太阳能电池板供电，图像采集装置及红外传感器均与控制芯片相连，采集小行星地表图像及位置信号，用于判断对探测器所发出的指令；人机交互界面与控制芯片相连，用于研究人员在地面对探测器进行控制调试；控制单元（46）与采样装置（2）的驱动电机（13）相连接，联合角度信号反馈，控制采样装置（2）上的凸轮（16）的旋转运动；控制单元（46）与保护装置（3）的伸长驱动电机（6）相连接，联合速度信号反馈，控制保护装置（3）的伸长丝杠副（7）的伸展运动；控制单元（46）与保护装置（3）的机械爪驱动电机（36）相连接，联合角度信号反馈，控制保护装置（3）的仿生机械爪（32）的旋转角度；控制单元（46）与回收装置（4）的旋转驱动电机（45）相连接，联合角度信号反馈，控制回收装置（4）的旋转隔离板（38）的转动角度。

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