CN111114844B - 一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置，属于深空探测技术领域，特别是涉及一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置。解决了探测器如何在情况复杂的小行星表面安全着陆的问题。它包括小行星探测器主体外壳、探测器支架、环式阻尼缓冲单元和刺入固定锚。它主要用于小行星探测器的着陆缓冲。

Description

一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置

技术领域

本发明属于深空探测技术领域，特别是涉及一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置。

背景技术

随着深空探测技术的发展，小行星探测已成为当前地外天体探测的热点。探测器在小行星表面的安全着陆，即探测器在星表稳定姿态并停留一段时间，是实施包括对小行星物质采样返回在内的多项科学探测任务的重要基础。

目前，世界各国对探测器在小行星表面软着陆的实施方式多为“一触即走”的方式，如日本的隼鸟号探测器与与美国的欧西里斯号探测器，此种方式中探测器在小行星表面进行短暂接触仅停留几秒钟，并未实现真正意义上的着陆，难以实现具有较大科研价值的为附着和采样返回。如何让探测器在微重力环境下快速稳定，并在情况复杂的小行星表面安全着陆成为了各国在深空探测领域的共同难题，我国至今未曾开展过探测器在小行星表面着陆的科学任务，同时对于此项技术的研究也几乎属于空白。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置，它包括小行星探测器主体外壳、探测器支架、环式阻尼缓冲单元和刺入固定锚，所述环式阻尼缓冲单元通过探测器支架与小行星探测器主体外壳底面固定连接，所述刺入固定锚包括安装架、转位电机、伸缩杆外轴、伸缩杆内轴、连接件、电机座、钻进电机、锚杆和刺入头部所述安装架固定安装在小行星探测器主体外壳底面中部，所述转位电机与安装架固定连接，所述转位电机的输出轴与伸缩杆外轴上端固定连接，所述伸缩杆外轴内部安装有伸缩杆内轴，所述电机座通过连接件与伸缩杆内轴末端相连，所述钻进电机固定安装在电机座上，所述钻进电机输出轴与锚杆顶端固定，所述锚杆底端为锥台型结构且锥台型结构侧面沿圆周方向均布两个L型槽口，所述刺入头部包括锚尖基体、锚栓、锁定弹簧、锁定栓和爆炸物，所述锚尖基体顶端为锥孔结构且锥孔侧面沿圆周方向均布两个圆孔结构，所述锚尖基体顶端的每个圆孔结构内均安装有锁定弹簧和锁定栓，所述锚尖基体中部为空腔结构且在空腔壁体沿圆周方向均布四个圆孔结构，所述锚尖基体中部的每个圆孔结构内均安装锚栓，所述锚尖基体中部空腔结构内填充爆炸物，所述锚杆底端的锥台结构与锚尖基体顶端的锥孔结构配合连接。

更进一步的，所述探测器支架数量为三个。

更进一步的，所述环式阻尼缓冲单元包括金属橡胶空心环、外夹持件和内夹持件，所述金属橡胶空心环为金属橡胶材质的空心结构，所述金属橡胶空心环上端面沿圆周方向均布有三个缺口结构，所述外夹持件和内夹持件固定连接在金属橡胶空心环的三个缺口结构上，所述外夹持件和内夹持件与探测器支架固定连接。

更进一步的，所述金属橡胶空心环的中心轴与小行星探测器主体外壳竖直方向中心线重合。

更进一步的，所述一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置还包括换接刺入单元，所述换接刺入单元包括换接刺入头、软塞和换接夹持件，所述换接刺入头与刺入固定锚中刺入头部的结构、尺寸和连接关系均相同，所述软塞两个锁定栓之间，所述换接夹持件中部与换接刺入头相连，所述换接夹持件端部与小行星探测器主体外壳底面固定连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用环式阻尼结构进行探测器在小行星表面的着陆缓冲，其结构简单与小行星表面接触后受力情况好、缓冲吸能效率高，能实现探测器在小行星表面为重力环境下的快速稳定；本发明的环式阻尼结构的材料为金属橡胶，对小行星表面超高低温环境的适应能力强；采用刺入锚定的方式在探测器与小行星之间建立固定联系，其锚固可靠、锚固力大，保证了探测器在附着阶段的稳定性；本发明环式阻尼结构在无外力作用下可自主恢复原始形状与性能，刺入锚定机构可换接，因此可实现探测器在小行星表面多点附着以扩大探测范围。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置结构示意图

图2为本发明所述的环式阻尼缓冲单元结构示意图

图3为本发明所述的刺入固定锚结构及工作状态示意图

图4为本发明所述的换接刺入单元结构示意图

图5为本发明所述的一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置工作状态示意图

1:小行星探测器主体外壳，2:探测器支架，3:环式阻尼缓冲单元，4:刺入固定锚，5:换接刺入单元，3-1:金属橡胶空心环，3-2:外夹持件，3-3:内夹持件，4-1:安装架，4-2:转位电机，4-3:伸缩杆外轴，4-4:伸缩杆内轴，4-5:连接件，4-6:电机座，4-7:钻进电机，4-8:锚杆，4-9:锚尖基体，4-10:锚栓，4-11:锁定弹簧，4-12:锁定栓，4-13:爆炸物，5-1:换接刺入头，5-2:软塞，5-3:换接夹持件

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。

参见图1-5说明本实施方式，一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置，它包括小行星探测器主体外壳1、探测器支架2、环式阻尼缓冲单元3和刺入固定锚4，所述环式阻尼缓冲单元3通过探测器支架2与小行星探测器主体外壳1底面固定连接，所述刺入固定锚4包括安装架4-1、转位电机4-2、伸缩杆外轴4-3、伸缩杆内轴4-4、连接件4-5、电机座4-6、钻进电机4-7、锚杆4-8和刺入头部所述安装架4-1固定安装在小行星探测器主体外壳1底面中部，所述转位电机4-2与安装架4-1固定连接，所述转位电机4-2的输出轴与伸缩杆外轴4-3上端固定连接，所述伸缩杆外轴4-3内部安装有伸缩杆内轴4-4，所述电机座4-6通过连接件4-5与伸缩杆内轴4-4末端相连，所述钻进电机4-7固定安装在电机座4-6上，所述钻进电机4-7输出轴与锚杆4-8顶端固定，所述锚杆4-8底端为锥台型结构且锥台型结构侧面沿圆周方向均布两个L型槽口，所述刺入头部包括锚尖基体4-9、锚栓4-10、锁定弹簧4-11、锁定栓4-12和爆炸物4-13，所述锚尖基体4-9顶端为锥孔结构且锥孔侧面沿圆周方向均布两个圆孔结构，所述锚尖基体4-9顶端的每个圆孔结构内均安装有锁定弹簧4-11和锁定栓4-12，所述锚尖基体4-9中部为空腔结构且在空腔壁体沿圆周方向均布四个圆孔结构，所述锚尖基体4-9中部的每个圆孔结构内均安装锚栓4-10，所述锚尖基体4-9中部空腔结构内填充爆炸物4-13，所述锚杆4-8底端的锥台结构与锚尖基体4-9顶端的锥孔结构配合连接。

锚杆4-8底端的每个L型槽口上均分为锁定位置与脱离位置，刺入固定锚4中锚杆4-8与锚尖基体4-9连接关系可分为锁定状态与脱离脱离状态，当锚杆4-8底端L型槽口以锁定位置对准锁定栓4-12时，在锁定弹簧4-11的作用下锁定栓4-12顶端进入锚杆4-8底端L型槽口内并被槽口卡位，此时锚尖基体4-9通过锁定栓4-12与锚杆4-8进行锁定；当锚杆4-8底端L型槽口以脱离位置对准锁定栓4-12时，锚杆4-8底端L型槽口对锁定栓4-12的卡位约束消失，此时锚尖基体4-9与锚杆4-8进行脱离。刺入固定锚4的工作状态可分为非锚定状态与锚定状态；当锚尖基体4-9中部空腔结构的火工制品4-13未引爆时，锚栓4-10全部位于锚尖基体4-9内部，此时刺入固定锚4处于非锚定状态；当锚尖基体4-9中部空腔结构的火工制品4-13引爆后，锚栓4-10在高压气体的推动下从锚尖基体4-9内部射出横向刺入小行星岩层，此时刺入固定锚4处于锚定状态。

本发明可实现探测器在小行星表面着陆后的快速稳定并在探测器与小行星表面建立可靠的固定连接。本发明按具体作用过程可表述为着陆缓冲阶段和刺入锚固阶段。

在探测器着陆前，刺入固定锚4在转位电机4-2的驱动下转位以贴紧小行星探测器主体外壳1的底面，此时刺入固定锚4的主轴线与小行星探测器主体外壳1的底面平行，由伸缩杆外轴4-3与伸缩杆内轴4-4共同形成气动伸缩杆处于收缩状态，锚杆4-8与锚尖基体4-9连接关系处于锁定状态，同时刺入固定锚4也处于为非锚定状态。

首先本发明进入着陆缓冲阶段，此时探测器相对于小行星以一定的垂直速度与水平速度着陆，探测器上的姿控发动机将给探测器提供指向星表的较小推力并维持该推力一段时间，同时本发明的环式阻尼缓冲单元3中金属橡胶空心环3-1将与星表发生接触并相互之间产生力的作用，在星表反作用力下金属橡胶空心环3-1在某些部位将产生较大压缩或拉伸变形并在作用力减小的方向进行弹性恢复，而金属橡胶空心环3-1的弹性恢复阶段的力-变形量曲线会滞后于弹性变形阶段的力-变形量曲线，因此在弹性变形至弹性恢复的一个循环内将消耗一定的能量。由于金属橡胶空心环3-1为连续体结构且体积较大，同时在金属橡胶空心环3-1可形成较为连续的摩擦力，因此环式阻尼缓冲单元3的缓冲吸能效率高；在金属橡胶空心环3-1发生多次弹性变形至弹性恢复的过程即可将探测器的残余能量完全消耗掉，此时探测器在小行星表面的姿态稳定。

随后本发明进入刺入锚固阶段，当探测器在小行星表面的姿态稳定后，刺入固定锚4中转位电机4-2启动以驱动刺入固定锚4转位到竖直位置并保持此位置，此时伸缩杆内轴4-4在压缩空气的驱动下沿轴向相对于伸缩杆外轴4-3向下滑动，同时钻进电机4-7正转从而带动锚杆4-8、锚尖基体4-9高速旋转，在伸缩杆内轴4-4与钻进电机4-7的共同作用下，锚杆4-8携带刺入头部钻入小行星星表以下，当钻进深度达到一定程度后，伸缩杆内轴4-4与钻进电机4-7均停止运动，此时引燃爆炸物4-13，四个锚栓4-10在高压气体的推动下从锚尖基体4-9内部射出横向刺入小行星岩层，从而刺入固定锚4将探测器锚固在小行星表面，并形成一定的锚固力以支持后续包括采样在内的科学探测任务，此时探测器姿控发动机的推力消失。

本发明所述探测器支架2数量为三个，所述环式阻尼缓冲单元3包括金属橡胶空心环3-1、外夹持件3-2和内夹持件3-3，所述金属橡胶空心环3-1为金属橡胶材质的空心结构，所述金属橡胶空心环3-1上端面沿圆周方向均布有三个缺口结构，所述外夹持件3-2和内夹持件3-3固定连接在金属橡胶空心环3-1的三个缺口结构上，所述外夹持件3-2和内夹持件3-3与探测器支架2固定连接，所述金属橡胶空心环3-1的中心轴与小行星探测器主体外壳1竖直方向中心线重合。

本发明所述的一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置还包括换接刺入单元5，所述换接刺入单元5包括换接刺入头5-1、软塞5-2和换接夹持件5-3，所述换接刺入头5-1与刺入固定锚4中刺入头部的结构、尺寸和连接关系均相同，所述软塞5-2两个锁定栓之间，所述换接夹持件5-3中部与换接刺入头5-1相连，所述换接夹持件5-3端部与小行星探测器主体外壳1底面固定连接。

本发明可实现探测器在小行星表面的多次附着，从而使探测器进行远距离的多点探测以获得更大的科研成果。当探测器完成对星表某一探测区域的所有科学探测任务后刺入固定锚4中钻进电机4-7反转90度，此时由锚尖基体4-9通过锚栓4-10被固定在星壤内部，则锚杆4-8在钻进电机4-7的驱动下相对锚尖基体4-9转过90度，锚杆4-8底端L型槽口将以脱离位置对准锁定栓4-12，于是锚杆4-8底端L型槽口对锁定栓4-12的卡位约束消失从而锚尖基体4-9与锚杆4-8进行脱离，之后伸缩杆内轴4-4在压缩空气的驱动下沿轴向相对于伸缩杆外轴4-3向上滑动，进而将锚杆4-8从星壤内部拔出；当锚杆4-8脱离星壤后伸缩杆内轴4-4继续上移一段距离使锚杆4-8到达合适位置，随后转位电机4-2朝向换接钻进单元5的方向转动90度使脱离了锚尖基体4-9的刺入固定锚4再次贴紧小行星探测器主体外壳1的底面并使锚杆4-8底端的锥台结构对准换接刺入头5-1顶端的锥孔结构，同时锚杆4-8底端L型槽口以锁定位置面向锁定栓4-12，接着伸缩杆内轴4-4相对于伸缩杆外轴4-3向前滑动以推动锚杆4-8底端的锥台结构顶开软塞5-2从而与刺入头5-1顶端的锥孔结构配合，此时锚杆4-8将与刺入头5-1实现锁定，最后换接夹持件5-3松开使刺入头5-1释放；通过以上过程刺入固定锚4重新处于非锚定状态并可执行下次锚固操作。此后探测器起飞脱离星表，环式阻尼缓冲单元3中的金属橡胶空心环3-1在所受作用力消失后其弹性变形将完全恢复到初始状态，从而为下次探测器在小行星表面的着陆缓冲做准备。

以上对本发明所提供的一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置，其特征在于：它包括小行星探测器主体外壳(1)、探测器支架(2)、环式阻尼缓冲单元(3)和刺入固定锚(4)，所述环式阻尼缓冲单元(3)通过探测器支架(2)与小行星探测器主体外壳(1)底面固定连接，所述刺入固定锚(4)包括安装架(4-1)、转位电机(4-2)、伸缩杆外轴(4-3)、伸缩杆内轴(4-4)、连接件(4-5)、电机座(4-6)、钻进电机(4-7)、锚杆(4-8)和刺入头部，所述安装架(4-1)固定安装在小行星探测器主体外壳(1)底面中部，所述转位电机(4-2)与安装架(4-1)固定连接，所述转位电机(4-2)的输出轴与伸缩杆外轴(4-3)上端固定连接，所述伸缩杆外轴(4-3)内部安装有伸缩杆内轴(4-4)，所述电机座(4-6)通过连接件(4-5)与伸缩杆内轴(4-4)末端相连，所述钻进电机(4-7)固定安装在电机座(4-6)上，所述钻进电机(4-7)输出轴与锚杆(4-8)顶端固定，所述锚杆(4-8)底端为锥台型结构且锥台型结构侧面沿圆周方向均布两个L型槽口，所述刺入头部包括锚尖基体(4-9)、锚栓(4-10)、锁定弹簧(4-11)、锁定栓(4-12)和爆炸物(4-13)，所述锚尖基体(4-9)顶端为锥孔结构且锥孔侧面沿圆周方向均布两个圆孔结构，所述锚尖基体(4-9)顶端的每个圆孔结构内均安装有锁定弹簧(4-11)和锁定栓(4-12)，所述锚尖基体(4-9)中部为空腔结构且在空腔壁体沿圆周方向均布四个圆孔结构，所述锚尖基体(4-9)中部的每个圆孔结构内均安装锚栓(4-10)，所述锚尖基体(4-9)中部空腔结构内填充爆炸物(4-13)，所述锚杆(4-8)底端的锥台结构与锚尖基体(4-9)顶端的锥孔结构配合连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置，其特征在于：所述探测器支架(2)数量为三个。

3.根据权利要求2所述的一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置，其特征在于：所述环式阻尼缓冲单元(3)包括金属橡胶空心环(3-1)、外夹持件(3-2)和内夹持件(3-3)，所述金属橡胶空心环(3-1)为金属橡胶材质的空心结构，所述金属橡胶空心环(3-1)上端面沿圆周方向均布有三个缺口结构，所述外夹持件(3-2)和内夹持件(3-3)固定连接在金属橡胶空心环(3-1)的三个缺口结构上，所述外夹持件(3-2)和内夹持件(3-3)与探测器支架(2)固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置，其特征在于：所述金属橡胶空心环(3-1)的中心轴与小行星探测器主体外壳(1)竖直方向中心线重合。

5.根据权利要求1所述的一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置，其特征在于：所述一种基于环式阻尼和刺入锚固的小行星表面附着装置还包括换接刺入单元(5)，所述换接刺入单元(5)包括换接刺入头(5-1)、软塞(5-2)和换接夹持件(5-3)，所述换接刺入头(5-1)与刺入固定锚(4)中刺入头部的结构、尺寸和连接关系均相同，所述软塞(5-2)位于两个锁定栓之间，所述换接夹持件(5-3)中部与换接刺入头(5-1)相连，所述换接夹持件(5-3)端部与小行星探测器主体外壳(1)底面固定连接。

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