CN110132634A - 一种面向星球采样的动能侵彻穿透采样器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及地球卫星或其他深空探测飞行器技术领域，特别涉及一种面向星球采样的动能侵彻穿透采样器。包括采样撞击段、弹体、样品弹射系统及遮挡端盖，其中弹体为中空结构，采样撞击段和遮挡端盖分别设置于弹体的前后端，样品弹射系统设置于弹体内，用于收集星球表面样品，通过采样撞击段撞击星球表面，依靠进入弹体内采样通道的样品流的压力使样品弹射系统突破遮挡端盖，被挤压出弹体，使其弹射到地面上。本发明的侵彻性能突出，燃料消耗少，降低了采样成本，适应未来深空星球采样的需求。

Description

一种面向星球采样的动能侵彻穿透采样器
技术领域
本发明涉及地球卫星或其他深空探测飞行器技术领域，特别涉及一种面向星球采样的动能侵彻穿透采样器。
背景技术
阿波罗计划众所周知，它是第一个将人类送上另一颗星球的探索系列计划，提供了迄今为止数量最多的返回星球样本。从1969年夏天到1972年冬天，阿波罗号的宇航员们聚集在一起，返回超过了300公斤月球样本。当美国宇航局雇佣人类从月球上收集材料时，苏联的“月球”计划研制成功第一个自动化采集系统，但是数量要少得多。载人阿波罗任务每一次能够带回几十公斤的样品，但载人航天任务的成本要高得多，以低成本的方式获得可观的样本仍然是一个值得关注的重要问题。
阿波罗和月球计划都采用了软着陆技术，需要花费相当多的燃料才能安全抵达月球表面，一旦收集工作完成，还需要额外的推进剂才能返回。前期的试验验证会大幅增加任务的预算，而且要求任务完美的执行，以确保敏感仪器的生存。
穿透探测是一种高效的探测方式，以较少资源成本便可侵彻到天体内部，可完成多种探测任务，在深空探测领域具有广泛的应用前景。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种面向星球采样的动能侵彻穿透采样器，以收集坚固的星球地质材料样本，无需任何钻孔设备，从而减少总质量和推进剂预算。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种面向星球采样的动能侵彻穿透采样器，包括采样撞击段、弹体、样品弹射系统及遮挡端盖，其中弹体为中空结构，所述采样撞击段和遮挡端盖分别设置于所述弹体的前后端，所述样品弹射系统设置于所述弹体内，用于收集星球表面样品，通过所述采样撞击段撞击星球表面，依靠进入弹体内采样通道的样品流的压力使样品弹射系统突破遮挡端盖，被挤压出弹体，使其弹射到地面上。
所述样品弹射系统包括样品回收筒，所述样品回收筒一端为开口结构，可在弹体内轴向滑动。
所述样品弹射系统还包括弹簧和阻流托，其中弹簧套设于所述样品回收筒上、且一端与所述样品回收筒的尾端连接，所述弹簧的另一端与所述阻流托连接，所述阻流托可在所述样品回收筒上沿轴向滑动。
所述弹体包括弹体外罩、缓冲填充层及样品导流管，其中弹体外罩套设于样品导流管的外侧，所述弹体外罩和样品导流管之间设有缓冲填充层。
所述缓冲填充层采用铝基复合泡沫铝填充。
所述弹体外罩和样品导流管的材质采用碳纤维材料。
所述弹体的横截面为椭圆形结构。
所述采样撞击段包括采样头，所述采样头为中空的锥形结构，且横截面为椭圆形，所述采样头上设有至少一个与其内腔连通的样品进流孔。
所述采样头与所述弹体的前端螺纹连接，且在所述采样头与所述弹体之间设有调整环。
所述遮挡端盖与所述样品弹射系统相对应的部分为可被所述样品弹射系统突破的薄壁。
本发明的优点及有益效果是：本发明以收集坚固的星球地质材料样本为目的，采用高速动能侵彻穿透器采集样品，以一定的初速度撞击星球便面，与传统采样相比无需任何钻孔设备，从而减少总质量和推进剂预算。不需要钻探设备降低了任务的复杂性，增加了任务成功的机率。通常300到600m/s的穿透器就可以冲入岩石，深度为1到2m，具体取决于穿透器和岩石的硬度。采样弹撞击星球表面时，依靠进入导流通道的样品流的压力将采样桶挤压出弹体，使其弹射到地面上，等待被回收。
本发明的穿透器采用椭圆形弹体设计，其侵彻性能更突出。本采样方法消耗能源少，可大幅度降低成本比。本采样器的设计传感器相对较少，降低了任务的复杂程度，使采样任务的成功率提高。
附图说明
图1为本发明的轴测图；
图2为本发明的爆炸视图；
图3为本发明的剖面图；
图4为本发明的采样撞击段的结构示意图；
图5为本发明的弹体的结构示意图；
图6为本发明的采样弹射系统的结构示意图；
图7为本发明的遮挡端盖的结构示意图；
图8(a)-8(e)为本发明的采样原理示意图。
图中：1为采样撞击段，2为弹体，3为样品弹射系统，4为遮挡端盖，5为采样头，6为样品进流孔，7为调整环，8为缓冲填充层，9为弹体外罩，10为样品导流管，11为阻流托，12为弹簧，13为样品回收筒，14为样品导流通道，15为薄壁，16为采样区，17为沉头孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1-3所示，本发明提供的一种面向星球采样的动能侵彻穿透采样器，包括采样撞击段1、弹体2、样品弹射系统3及遮挡端盖4，其中弹体2为中空结构，采样撞击段1和遮挡端盖4分别设置于弹体2的前后端，样品弹射系统3设置于弹体2内，用于收集星球表面样品，通过采样撞击段1撞击星球表面，依靠进入弹体2内采样通道的样品流的压力使样品弹射系统3突破遮挡端盖4，被挤压出弹体2，使其弹射到地面上。
如图3-4所示，采样撞击段1包括采样头5，采样头5位于采样撞击段1的顶端，采样头5为中空的锥形结构，且横截面为椭圆形，该形状的设计相对于传统圆锥形弹头，拥有更好的侵彻性能，可有效的增加侵彻深度。采样头5上设有至少一个与其内腔连通的样品进流孔6。采样头5与弹体2的前端螺纹连接，且在采样头5与弹体2之间设有调整环7，通过调整环7调节连接位置。
本发明的实施例中，采样头5上对称设有两个与其内腔连通的样品进流孔6，在采样头5撞击地面时，样品可通过样品进流孔6进入弹体2内，完成初始采样。
如图3、图5所示，弹体2包括弹体外罩9、缓冲填充层8及样品导流管10，其中弹体外罩9套设于样品导流管10的外侧，弹体外罩9和样品导流管10之间设有缓冲填充层8。
本发明的实施例中，缓冲填充层8采用铝基复合泡沫铝填充，弹体外罩9和样品导流管10的材质采用碳纤维材料。弹体2的横截面为椭圆形结构。采样头5以螺纹连接的形式与弹体2端部的螺纹孔相连，由于弹体2的形状为椭圆形，与采样头5的断面形状相同，为保证连接的可靠性，在弹体2与采样头5间增加调整环7确保采样任务的顺利进行。
铝基复合泡沫铝填充层位于弹体外罩9与样品导流管10之间，材料可以承受超过1kN/cm2的力，可以降级撞击带来的变形与振动，保护内部样品导流通道14不被破坏，确保样品回收筒13的顺利弹出。样品导流管10位于最内层，具有导流作用，引导样品流的流向，并将样品回收筒13弹射到地面。
如图3、图6所示，样品弹射系统3包括样品回收筒13，样品回收筒13一端为开口结构，可在弹体2内轴向滑动。
样品弹射系统3还包括弹簧12和阻流托11，其中弹簧12套设于样品回收筒13上、且一端与样品回收筒13的尾端连接，弹簧12的另一端与阻流托11连接，阻流托11可在样品回收筒13上沿轴向滑动。
样品回收筒13位于样品导流通道14内，采样弹撞击时，进入样品导流通道14的样品流部分进入样品回收筒13，在积聚满整个样品回收筒13时，将其弹射到地面。弹簧12与阻流托11套装在样品回收筒13上，阻流托11在阻挡样品流的同时压缩弹簧12，弹簧12抵住样品回收筒13的末端，保证样品回收筒13可冲破遮挡端盖4，弹射到地面上。
如图7所示，遮挡端盖4与样品弹射系统3相对应的部分为可被样品弹射系统3突破的薄壁15。本发明的实施例中，薄壁15采用铝片，其厚度为0.1-0.2mm。
遮挡端盖4为薄壁结构，位于弹体2的末端，两侧有用于连接的沉头孔17，其薄壁15的设计可确保收购到足够的样品量的同时，样品回收筒13可冲破其薄壁15弹射到地面。
为满足深空探测采样的需求，其工作原理，如图8(a)-8(e)所示，动能侵彻采样弹以300m/s到600m/s的初始速度撞击星球表面，侵彻深度约为1m到2m，撞击时样品通过样品进流孔6进入样品导流通道14内，依靠进入样品导流通道14内的样品流的压力将样品挤压入样品回收筒13，随着样品量的增加，最后样品回收筒13冲破遮挡端盖4的薄壁15，弹射到地面上，等待被回收。
本发明的样品回收筒有足够的强度来承受来自向上流动的样品的压力，而被弹射出弹体，暴露在星球表面，随后被回收。为确保样本回收筒确实可靠的被弹射到星球表面，设置了弹簧弹射系统。样品回收筒可以收集到足够的样品，在弹体末端安装有薄壁件遮挡端盖，待样品足够后将薄壁冲破，样品回收筒即可被弹射到星球表面。
本发明以收集坚固的星球地质材料样本为目的，采用高速动能侵彻穿透器采集样品，以一定的初速度撞击星球便面，与传统采样相比无需任何钻孔设备，从而减少总质量和推进剂预算。不需要钻探设备降低了任务的复杂性，增加了任务成功的机率。通常300到600m/s的穿透器就可以冲入岩石，深度为1到2m，具体取决于穿透器和岩石的硬度。采样弹撞击星球表面时，依靠进入导流通道的样品流的压力将采样桶挤压出弹体，使其弹射到地面上，等待被回收。
本发明的穿透器采用椭圆形弹体设计，其侵彻性能更突出。本采样方法消耗能源少，可大幅度降低成本比。本采样器的设计传感器相对较少，降低了任务的复杂程度，使采样任务的成功率提高。
以上所述仅为本发明的实施方式，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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种面向星球采样的动能侵彻穿透采样器，其特征在于，包括采样撞击段(1)、弹体(2)、样品弹射系统(3)及遮挡端盖(4)，其中弹体(2)为中空结构，所述采样撞击段(1)和遮挡端盖(4)分别设置于所述弹体(2)的前后端，所述样品弹射系统(3)设置于所述弹体(2)内，用于收集星球表面样品，通过所述采样撞击段(1)撞击星球表面，依靠进入弹体(2)内采样通道的样品流的压力使样品弹射系统(3)突破遮挡端盖(4)，被挤压出弹体(2)，使其弹射到地面上。
2.根据权利要求1所述的面向星球采样的动能侵彻穿透采样器，其特征在于，所述样品弹射系统(3)包括样品回收筒(13)，所述样品回收筒(13)一端为开口结构，可在弹体(2)内轴向滑动。
3.根据权利要求2所述的面向星球采样的动能侵彻穿透采样器，其特征在于，所述样品弹射系统(3)还包括弹簧(12)和阻流托(11)，其中弹簧(12)套设于所述样品回收筒(13)上、且一端与所述样品回收筒(13)的尾端连接，所述弹簧(12)的另一端与所述阻流托(11)连接，所述阻流托(11)可在所述样品回收筒(13)上沿轴向滑动。
4.根据权利要求1所述的面向星球采样的动能侵彻穿透采样器，其特征在于，所述弹体(2)包括弹体外罩(9)、缓冲填充层(8)及样品导流管(10)，其中弹体外罩(9)套设于样品导流管(10)的外侧，所述弹体外罩(9)和样品导流管(10)之间设有缓冲填充层(8)。
5.根据权利要求4所述的面向星球采样的动能侵彻穿透采样器，其特征在于，所述缓冲填充层(8)采用铝基复合泡沫铝填充。
6.根据权利要求4所述的面向星球采样的动能侵彻穿透采样器，其特征在于，所述弹体外罩(9)和样品导流管(10)的材质采用碳纤维材料。
7.根据权利要求1所述的面向星球采样的动能侵彻穿透采样器，其特征在于，所述弹体(2)的横截面为椭圆形结构。
8.根据权利要求1所述的面向星球采样的动能侵彻穿透采样器，其特征在于，所述采样撞击段(1)包括采样头(5)，所述采样头(5)为中空的锥形结构，且横截面为椭圆形，所述采样头(5)上设有至少一个与其内腔连通的样品进流孔(6)。
9.根据权利要求8所述的面向星球采样的动能侵彻穿透采样器，其特征在于，所述采样头(5)与所述弹体(2)的前端螺纹连接，且在所述采样头(5)与所述弹体(2)之间设有调整环(7)。
10.根据权利要求1所述的面向星球采样的动能侵彻穿透采样器，其特征在于，所述遮挡端盖(4)与所述样品弹射系统(3)相对应的部分为可被所述样品弹射系统(3)突破的薄壁(15)。
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