CN109580273A - 一种适用于小行星的碎岩装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于小行星的碎岩装置，包括：冲击组件、回转组件、进给组件、控制组件、支撑壳体；冲击组件和回转组件固定在进给组件的活动部上，支撑壳体固定在进给组件的固定部上，控制组件固定在支撑壳体的外部；冲击组件冲击力的方向垂直于由回转组件预置的裂缝，且冲程穿过回转组件预置的裂缝；进给组件在控制组件的控制下移动冲击组件和回转组件；支撑壳体用于防止碎岩过程中产生的岩石粉末及碎块飞溅。针对小行星碎岩要求反作用力小的特点，提供一种适用于小行星的碎岩装置，采用高速回转切削预置裂纹扩展边界与低反力冲击相结合的方式，可满足小行星碎岩的特殊需求，同时获取块状及粉末状样品。

Description

一种适用于小行星的碎岩装置

技术领域

本发明涉及一种适用于小行星的碎岩装置，属于行星采样技术领域。本装置同样适用于其他深空探测及民用领域的有低反力碎岩需求的场合。

背景技术

小行星是人类了解太阳系起源演变的重要载体，同时含有丰富的贵金属、稀有元素等，对小行星进行碎岩、获取岩石样品用于研究具有重要的科学意义。小行星体积与质量很小，致使表面重力很小，约比地球小4—5个数量级，在几乎没有重力的小行星上，要实现长期着陆非常困难，而采样施加的力可能将探测器推离小行星，这一特征决定了要在小行星上碎岩必须具有反作用力小的特点。

针对小行星采样，目前主要有如下方法：专利CN104034557B提出了一种钻取与抓铲组合式采样器，可获取表层与深层样本，但抓铲不适合碎岩，钻取则只能获取粉末状样品，且反力较大；专利CN107966315A提出了一种钻取与扇片组合式采样器，其主要靠钻取产生粉末状样品，靠扇片高速旋转收集样品，该方法反力同样较大，且扇片仅适用于收集样品而不能用于碎岩；专利CN102879219B提出了一种弹射撞击式采样器，该采样器采用与日本隼鸟号相同的原理采样，即通过发射弹射球体撞击小行星表面产生溅射尘粒加以收集，该方法虽然反力小，但是随机性大，采样量少，且不可重复，若需多次采样需消耗资源较多；

目前地面上针对碎岩应用较多的为冲击方式，如专利CN201620289312.3提出的一种修桥用电动冲击钻，包括电源箱、散热器、冲击减震器、减速器、冲击钻手柄和冲击电机；所述冲击钻手柄安装在电源箱的上方，所述电源箱的右表壁上安装有电源插口且冲击电机的下方安装有减速器，所述减速器的下方设置有冲击减震器，所述冲击减震器的右侧设置有紧固螺母板，且冲击减震器的下方设置有冲击头。本实用新型的有益效果是：该修桥用电动冲击钻结构设计合理，体积适中，使用时操作简单，机体设置有两个手柄，通过两个手柄更能掌控冲击钻的后坐力，同时该冲击钻可在冲击电钻和普通电钻之间进行切换，机体设置有多个安装卡头，电动冲击钻结设置有散热器，在高强度的作业中延长了电动冲击钻的使用寿命。地面常规冲击钻对岩石破碎很有效，但同样具有反作用力大的弊端，不适合用于小行星碎岩，且冲击功不是直接作用到冲击头上，传递过程中有一定的损失。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种适用于小行星的碎岩装置，解决了传统的钻取、冲击等碎岩方式反作用力大、不适用于小行星碎岩的问题。

一种适用于小行星的碎岩装置，包括：冲击组件、回转组件、进给组件、控制组件、支撑壳体；

所述进给组件包括活动部和固定部，所述冲击组件和回转组件固定在进给组件的活动部上，所述支撑壳体固定在进给组件的固定部上，所述控制组件固定在支撑壳体的外部；

所述回转组件用于以一定的角度和转速在地表岩石预置裂缝；

所述冲击组件用于冲击地表岩石上由回转组件预置的裂缝，所述冲击组件冲击力的方向垂直于由回转组件预置的裂缝，且冲程穿过回转组件预置的裂缝；

所述控制组件用于通过控制进给组件改变回转组件与地表岩石的位置关系，以及改变冲击组件与所述预置裂缝的位置关系；

所述进给组件在控制组件的控制下移动冲击组件和回转组件；

所述支撑壳体用于防止碎岩过程中产生的岩石粉末及碎块飞溅。

所述回转组件包括砂轮，所述控制组件通过控制进给组件改变回转组件与地表岩石的位置关系，具体为：

控制进给组件使回转组件以一定角度切割地表岩石预置裂缝，所述裂缝深度小于回转组件砂轮的半径，然后反向移动所述回转组件使回转组件退让移开所述预置的裂缝。

所述控制组件通过控制进给组件改变冲击组件与所述预置裂缝的位置关系，具体为：

控制进给组件使冲击组件以与所述预置裂缝垂直的方向向下冲击裂缝，直至所述冲程穿过所述预置裂缝得到碎岩样块。

所述冲击组件包括：转轮、提拉绳、支架、过轮、冲击电机、提拉头、上滑动轴承、壳体、冲轴、弹簧、下滑动轴承、冲头；

所述支架的一端通过轴承固定有转轮，支架的另一端通过轴承固定有过轮，支架的另一端固定在壳体头部，支架的另一端固定有用于驱动过轮转动的冲击电机；提拉绳的一端与所述过轮固定，提拉绳的另一端固定有提拉头；提拉头、冲轴、冲头依次固定连接，所述弹簧套在所述冲轴外，所述弹簧和冲轴放置在所述壳体内；所述壳体为空心圆柱，上滑动轴承固定在壳体的头部，下滑动轴承固定在壳体的尾部，所述冲轴设置有台阶面，所述弹簧的一端固定连接上滑动轴承，所述弹簧的另一端固定连接冲轴的台阶面；初始安装状态时，冲轴的台阶面贴合所述下滑动轴承的端面，所述上滑动轴承和下滑动轴承配合使用使冲轴沿弹簧的轴线移动。

所述提拉绳提拉所述提拉头的方向与所述冲轴的轴线同轴。

所述初始安装状态时，所述弹簧的压缩量为零。

所述回转组件包括：回旋电机、延长轴；

所述回旋电机、延长轴、砂轮、依次连接，所述回旋电机固定连接在所述进给组件的活动部上，所述回旋电机用于驱动所述砂轮以一定转速旋转，所述转速的取值范围为800～1200rpm。

所述进给组件的活动部采用滑块实现，所述进给组件的固定部采用丝杠导轨和进给电机实现；

所述滑块、丝杠导轨、电机依次连接，所述滑块用于固定冲击组件和回转组件，所述滑块在电机驱动下沿丝杠导轨滑动；所述支撑壳体与所述丝杠导轨固定连接。

所述支撑壳体为薄壁壳体，所述薄壁壳体包括上端面和下端面，所述下端面周向向外设置有凸缘，所述凸缘用于与地表岩石贴合；所述支撑壳体固定在丝杠导轨上，所述砂轮和冲头位于支撑壳体的壳体内部用于防止碎岩过程中产生的岩石粉末及碎块飞溅。

所述支撑壳体上端面与下端面夹角为θ，所述夹角为θ使回转组件以一定的角度在地表岩石预置裂缝，所述θ的取值范围为10°-30°。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明采用先回转切削预置裂缝再冲击碎岩的组合方式，可大大降低岩石破碎所需的冲击功量级，并可同时获取粉末状与块状样品；

2)本发明冲击方向与预置裂纹垂直相贯，可使岩石破碎裂纹最短，进而使冲击功量级降到最低；

3)本发明在冲击功量级一定的情况下，采用低刚度、大压缩量的弹簧设计，并保证弹簧初始安装时压缩量为0，可实现最大程度的低反力冲击；

4)本发明采用冲轴直冲式冲击方式，可使冲击功最大程度地传递到岩石上，从而使冲击功损失达到最小；

5)本发明各驱动机构均采用电机驱动，可重复开展碎岩动作，工作可靠性高；

6)本发明冲击点的位置可沿进给方向调整，若某一点的冲击效果不理想，可以改变位置后再次尝试，大大提高了碎岩的成功率；

7)本发明整个碎岩装置也可由探测器或机械臂改变地点后多次进行碎岩作业，保证碎岩的成功率和可靠性。

附图说明

图1为本发明碎岩装置结构图；

图2为本发明碎岩装置局部剖视图；

图3为本发明冲击组件剖视图；

图4为本发明回转组件结构图；

图5为本发明进给组件结构图；

图6为本发明支撑壳体结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

一种适用于小行星的碎岩装置，如图1和图2所示，包括：冲击组件1、回转组件2、进给组件3、控制组件4、防护板5、支撑壳体6；

所述进给组件3包括活动部和固定部，所述冲击组件1和回转组件2固定在进给组件3的活动部上，所述支撑壳体6固定在进给组件3的固定部上，所述控制组件4固定在支撑壳体6的外部；所述回转组件2用于以一定的角度和转速在地表岩石预置裂缝；所述冲击组件1用于冲击地表岩石上由回转组件2预置的裂缝，所述冲击组件1冲击力的方向垂直于由回转组件2预置的裂缝，且冲程穿过回转组件2预置的裂缝；所述控制组件4用于通过控制进给组件3改变回转组件2与地表岩石的位置关系，以及改变冲击组件1与所述预置裂缝的位置关系；所述进给组件3在控制组件4的控制下移动冲击组件1和回转组件2；所述支撑壳体6用于防止碎岩过程中产生的岩石粉末及碎块飞溅。防护板5与冲击组件1和回转组件2固定，并与支撑壳体6上表面贴合，防护板5用于遮挡支撑壳体6上的让位槽，并与支撑壳体6一起防止碎岩过程中产生的岩石粉末及碎块飞溅。

如图4所示，回转组件2包括：回旋电机201、延长轴202、砂轮203；所述回旋电机201、延长轴202、砂轮203、依次连接，所述回旋电机201固定连接在所述进给组件3的活动部上，所述回旋电机201用于驱动所述砂轮203以一定转速旋转，所述转速的取值范围为800～1200rpm。所述回转组件2用于以一定角度(10°-30°)、对地表岩石预置裂缝，砂轮203的回转轴与进给方向垂直。

控制组件4通过控制进给组件3改变回转组件2与地表岩石的位置关系，具体为：控制进给组件3使回转组件2以一定角度切割地表岩石预置裂缝，所述裂缝深度小于回转组件2砂轮203的半径，然后反向移动所述回转组件2使回转组件2退让移开所述预置的裂缝。

控制组件4通过控制进给组件3改变冲击组件1与所述预置裂缝的位置关系，具体为：控制进给组件3使冲击组件1以与所述预置裂缝垂直的方向向下冲击裂缝，直至所述冲程穿过所述预置裂缝得到碎岩样块。

所述控制组件4首先控制冲击组件1冲头回缩让位并启动回转组件2高速旋转，之后通过进给组件3控制回转组件2以一定角度在地表岩石预置裂缝；再之后控制进给组件3反向运动，使回转组件2与冲击组件1回退，直至使所述冲击组件1的冲头轴线与预置裂缝相贯；最后控制冲击组件1冲击地表岩石。

如图3所示，冲击组件包括：转轮101、提拉绳102、支架103、过轮104、冲击电机105、提拉头106、上滑动轴承107、壳体108、冲轴109、弹簧111、下滑动轴承112、冲头113；

支架103的一端通过轴承固定有转轮101，支架103的另一端通过轴承固定有过轮104，支架103的另一端固定在壳体108头部，支架103的另一端固定有用于驱动过轮104转动的冲击电机105；提拉绳102的一端与所述过轮104固定，提拉绳102的另一端固定有提拉头106；提拉头106、冲轴109、冲头113依次固定连接，所述弹簧111套在所述冲轴109外，所述弹簧111和冲轴109放置在所述壳体108内；所述壳体108为空心圆柱，上滑动轴承107固定在壳体108的头部，下滑动轴承112固定在壳体108的尾部，所述冲轴109设置有台阶面，所述弹簧111的一端固定连接上滑动轴承107，所述弹簧111的另一端固定连接冲轴109的台阶面；初始安装状态时，冲轴109的台阶面贴合所述下滑动轴承112的端面，所述上滑动轴承107和下滑动轴承112配合使用使冲轴109沿弹簧111的轴线移动。提拉绳102提拉所述提拉头106的方向与所述冲轴109的轴线同轴。

如图5所示，进给组件3的活动部采用滑块301实现，所述进给组件3的固定部采用丝杠导轨302和进给电机303实现；

所述滑块301、丝杠导轨302、电机303依次连接，所述滑块301用于固定冲击组件1和回转组件2，所述滑块301在电机303驱动下沿丝杠导轨302滑动；所述支撑壳体6与所述丝杠导轨302固定连接。

如图6所示，支撑壳体6为薄壁壳体，所述薄壁壳体包括上端面和下端面，所述下端面周向向外设置有凸缘，所述凸缘用于与地表岩石贴合；所述支撑壳体6固定在丝杠导轨302上，所述砂轮203和冲头113位于支撑壳体6的壳体内部用于防止碎岩过程中产生的岩石粉末及碎块飞溅。如图2所示，支撑壳体6上端面与下端面夹角为θ，所述夹角为θ使回转组件2以一定的角度在地表岩石预置裂缝，所述θ的取值范围为10°-30°。上端面开有回转组件2与冲击组件1直线进给时让位用的豁槽；上端面上部同时与防护板5贴合，保证在直线进给时对豁槽的遮挡，从而保证整个腔体的密闭性。

冲击电机105驱动冲头114压缩弹簧111，冲击电机105断电释放冲头114，冲头114在弹簧111作用下沿与所述弹簧111压缩方向相反的方向冲击，完成一次冲击碎岩，如此反复。弹簧111特性为低刚度、大压缩量，实现低反力冲击；初始安装状态时，所述弹簧111的压缩量为零，实现低反力冲击。冲击组件1通过转轮101绳系提拉方式积蓄弹性势能，实现大压缩量驱动；冲击组件1采用冲轴109直冲式实现冲击功损失最小。分析如下：

岩石破碎前后区别是增加了新的表面，获得新表面所需能量和破碎功成正比。直冲式碎岩要实现岩石破碎原则上需形成贯穿整块岩石的裂纹表面才能实现，而预置裂缝再碎岩仅需形成贯穿裂缝的裂纹表面即可，可大大减少新裂纹表面，因此所需破碎功也大大减少。即预置裂纹可大幅降低破碎冲击功量级。

根据能量守恒，冲击时的冲击功等于弹簧所释放的弹性势能：

E＝0.5*k*(x₀-x₂)²-0.5*k*(x₀-x₁)² (1)

根据能量守恒，反弹时冲击反弹能会转化为弹簧的弹性势能：

W＝0.5*k*(x₀-x₃)²-0.5*k*(x₀-x₁)² (2)

当反弹达到最大时，F达到最大值，此时F等于弹簧力：

F_max＝k*(x₀-x₃) (3)

由公式(2)和公式(3)可得：

F_max＝sqrt(2*k*W+k²*(x₀-x₁)²) (4)

其中，E为冲击功；W为冲击反弹能；F为冲击反弹能所引起的最终作用到壳体上的反力；k为弹簧刚度；x₀为弹簧自由长度；x₁为弹簧初始安装长度；x₂为弹簧积蓄最大弹性势能时的长度；x₃为弹簧反弹最大时的长度。

破碎所需冲击功为：E＝K*a*tgθ，

其中，θ为砂轮面与水平面夹角；a为砂轮最大切削行程；E为冲击功；K为正比常数。E为冲击功；W为冲击反弹能；F为冲击反弹能所引起的最终作用到壳体上的反力；k为弹簧刚度；x₀为弹簧自由长度；x₁为弹簧初始安装长度；x₂为弹簧积蓄最大弹性势能时的长度；x₃为弹簧反弹最大时的长度；由公式(4)可知，在W一定的情况下，为使F_max最小，可使x₀＝x₁，且k尽量小；在上述前提下，公式(1)变为：E＝0.5*k*(x₀-x₂)²，在E一定的情况下，当k设计值小时，要求x₀-x₂设计值要大。

综上所述，在冲击功一定的前提下，弹簧按低刚度、大压缩量特性设计，并使弹簧初始安装时压缩量为0，可实现低反力冲击。

碎岩装置工作原理如下：

1)首先，碎岩装置在小行星表面着陆后，由探测器或机械臂等将其向小行星推送，在此过程中冲击组件1将冲头113上提至极限位置并保持，实现让位，同时启动回转组件2高速回转。直至支撑壳体6与小行星表面接触并压紧，碎岩装置就位完成。支撑壳体6可作为碎岩作业的支撑载体，同时会形成一块密闭的区域，防止后续作业过程中样品飞溅损失；

2)其次，回转组件2保持砂轮203的高速回转状态，并在进给组件3驱动下逐步切削岩石，直至进给到指定位置，此过程可获取粉末状样品同时预置裂缝；

3)然后，同样在进给组件3驱动下回转组件2回退，直至使冲击组件1的冲头113轴线与预置裂缝相贯，为冲击碎岩做好准备；

4)最后，冲击组件1开始工作，垂直于预置裂缝进行低反力冲击碎岩；

5)上述冲击过程中，若冲击效果不理想，可沿进给方向改变冲击点的位置进行重复尝试，整个碎岩装置也可由探测器或机械臂改变地点后多次进行碎岩作业，保证碎岩的成功率和可靠性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种适用于小行星的碎岩装置，其特征在于，包括：冲击组件(1)、回转组件(2)、进给组件(3)、控制组件(4)、支撑壳体(6)；

所述进给组件(3)包括活动部和固定部，所述冲击组件(1)和回转组件(2)固定在进给组件(3)的活动部上，所述支撑壳体(6)固定在进给组件(3)的固定部上，所述控制组件(4)固定在支撑壳体(6)的外部；

所述回转组件(2)用于以一定的角度和转速在地表岩石预置裂缝；

所述冲击组件(1)用于冲击地表岩石上由回转组件(2)预置的裂缝，所述冲击组件(1)冲击力的方向垂直于由回转组件(2)预置的裂缝，且冲程穿过回转组件(2)预置的裂缝；

所述控制组件(4)用于通过控制进给组件(3)改变回转组件(2)与地表岩石的位置关系，以及改变冲击组件(1)与所述预置裂缝的位置关系；

所述进给组件(3)在控制组件(4)的控制下移动冲击组件(1)和回转组件(2)；

所述支撑壳体(6)用于防止碎岩过程中产生的岩石粉末及碎块飞溅。

2.根据权利要求1所述的一种适用于小行星的碎岩装置，其特征在于，所述回转组件(2)包括砂轮(203)，所述控制组件(4)通过控制进给组件(3)改变回转组件(2)与地表岩石的位置关系，具体为：

控制进给组件(3)使回转组件(2)以一定角度切割地表岩石预置裂缝，所述裂缝深度小于回转组件(2)砂轮(203)的半径，然后反向移动所述回转组件(2)使回转组件(2)退让移开所述预置的裂缝。

3.根据权利要求2所述的一种适用于小行星的碎岩装置，其特征在于，所述控制组件(4)通过控制进给组件(3)改变冲击组件(1)与所述预置裂缝的位置关系，具体为：

控制进给组件(3)使冲击组件(1)以与所述预置裂缝垂直的方向向下冲击裂缝，直至所述冲程穿过所述预置裂缝得到碎岩样块。

4.根据权利要求1～3之一所述的一种适用于小行星的碎岩装置，其特征在于，所述冲击组件包括：转轮(101)、提拉绳(102)、支架(103)、过轮(104)、冲击电机(105)、提拉头(106)、上滑动轴承(107)、壳体(108)、冲轴(109)、弹簧(111)、下滑动轴承(112)、冲头(113)；

所述支架(103)的一端通过轴承固定有转轮(101)，支架(103)的另一端通过轴承固定有过轮(104)，支架(103)的另一端固定在壳体(108)头部，支架(103)的另一端固定有用于驱动过轮(104)转动的冲击电机(105)；提拉绳(102)的一端与所述过轮(104)固定，提拉绳(102)的另一端固定有提拉头(106)；提拉头(106)、冲轴(109)、冲头(113)依次固定连接，所述弹簧(111)套在所述冲轴(109)外，所述弹簧(111)和冲轴(109)放置在所述壳体(108)内；所述壳体(108)为空心圆柱，上滑动轴承(107)固定在壳体(108)的头部，下滑动轴承(112)固定在壳体(108)的尾部，所述冲轴(109)设置有台阶面，所述弹簧(111)的一端固定连接上滑动轴承(107)，所述弹簧(111)的另一端固定连接冲轴(109)的台阶面；初始安装状态时，冲轴(109)的台阶面贴合所述下滑动轴承(112)的端面，所述上滑动轴承(107)和下滑动轴承(112)配合使用使冲轴(109)沿弹簧(111)的轴线移动。

5.根据权利要求4所述的一种适用于小行星的碎岩装置，其特征在于，所述提拉绳(102)提拉所述提拉头(106)的方向与所述冲轴(109)的轴线同轴。

6.根据权利要求5所述的一种适用于小行星的碎岩装置，其特征在于，所述初始安装状态时，所述弹簧(111)的压缩量为零。

7.根据权利要求4所述的一种适用于小行星的碎岩装置，其特征在于，所述回转组件(2)包括：回旋电机(201)、延长轴(202)；

所述回旋电机(201)、延长轴(202)、砂轮(203)、依次连接，所述回旋电机(201)固定连接在所述进给组件(3)的活动部上，所述回旋电机(201)用于驱动所述砂轮(203)以一定转速旋转，所述转速的取值范围为800～1200rpm。

8.根据权利要求7所述的一种适用于小行星的碎岩装置，其特征在于，所述进给组件(3)的活动部采用滑块(301)实现，所述进给组件(3)的固定部采用丝杠导轨(302)和进给电机(303)实现；

所述滑块(301)、丝杠导轨(302)、电机(303)依次连接，所述滑块(301)用于固定冲击组件(1)和回转组件(2)，所述滑块(301)在电机(303)驱动下沿丝杠导轨(302)滑动；所述支撑壳体(6)与所述丝杠导轨(302)固定连接。

9.根据权利要求8所述的一种适用于小行星的碎岩装置，其特征在于，所述支撑壳体(6)为薄壁壳体，所述薄壁壳体包括上端面和下端面，所述下端面周向向外设置有凸缘，所述凸缘用于与地表岩石贴合；所述支撑壳体(6)固定在丝杠导轨(302)上，所述砂轮(203)和冲头(113)位于支撑壳体(6)的壳体内部用于防止碎岩过程中产生的岩石粉末及碎块飞溅。

10.根据权利要求9所述的一种适用于小行星的碎岩装置，其特征在于，所述支撑壳体(6)上端面与下端面夹角为θ，所述夹角为θ使回转组件(2)以一定的角度在地表岩石预置裂缝，所述θ的取值范围为10°-30°。