CN111114850B - 基于冲击式超声波钻的三腿支撑小行星表面锚固装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于冲击式超声波钻的三腿支撑小行星表面锚固装置，该锚固装置的支架安装在探测器底部且支架的三个分支间隔120°均匀设置，支撑腿安装在支架的每个分支的尾端，支撑足垫设置于支撑腿的底部，用于提高支撑腿的着陆稳定性，支撑腿内部为中空结构，所述钻进锚固机构安装于支撑腿的内部且一端从支撑足垫穿出。解决了现有技术的小行星探测器着陆后无法稳定固定在小行星表面，以及由于小行星表面的引力非常小，探测器着陆和进行采样工作时容易弹起的问题，提出了一种基于冲击式超声波钻的三腿式支撑小行星表面锚固装置，三个锚固支撑腿间隔120°均匀布置构成力封闭结构，稳定性高，采取冲击式超声波钻反作用力小，探测器不易弹起。

Description

基于冲击式超声波钻的三腿支撑小行星表面锚固装置

技术领域

本发明涉及一种基于冲击式超声波钻的三腿支撑小行星表面锚固装置，属于小行星探测的表面附着领域。

背景技术

小行星探测已逐渐成为未来几年太空探测的主要发展方向。由于小行星具有形状不规则、表面形貌特征不确定和表面引力较小等特点，因此小行星探测器难以附着在小行星表面进行科学探测。目前发射的小行星探测器则大多采用绕飞、飞掠以及“一触即离”的形式对小行星进行探测，尚无探测器在小行星表面成功附着。虽然采用“一触即离”方式的日本隼鸟号探测器采到小行星表面样品并返回地球，但由于获取的样品数量非常少，无法对小行星的进行更详细的研究。而为了获取足够的小行星样品进行研究，探测器必须附着在小行星表面，由于小行星表面的引力非常小，探测器着陆和进行采样工作时容易弹起，因此就必须使用锚固机构将探测器固定在小行星表面，以保证探测器在进行采样工作时能够保持稳定，不会因为采样工作产生的反作用力而弹起。为解决现有小行星探测器着陆后无法固定在小行星表面的问题，提出了一种基于冲击式超声波钻的三腿式支撑小行星表面锚固装置。

发明内容

本发明目的是为解决现有技术的小行星探测器着陆后无法稳定固定在小行星表面，以及由于小行星表面的引力非常小，探测器着陆和进行采样工作时容易弹起的问题，提出了一种基于冲击式超声波钻的三腿式支撑小行星表面锚固装置。

本发明为达此目的，采用以下技术方案：

一种基于冲击式超声波钻的三腿支撑小行星表面锚固装置包括三个钻进锚固机构、支架、三个支撑腿和三个支撑足垫，所述支架包括三个分支，所述三个分支间隔120°均匀设置，所述支撑腿安装在支架的每个分支的尾端，所述支撑足垫设置于支撑腿的底部，用于提高支撑腿的着陆稳定性，所述支撑腿内部为中空结构，所述钻进锚固机构安装于支撑腿的内部且一端从支撑足垫穿出；

所述锚固钻进机构包括冲击式超声波钻钻进单元、联轴器/驱动电机和丝杠，所述驱动电机通过联轴器带动丝杠驱动冲击式超声波钻钻进单元完成钻进与锚固。

优选地，所述支撑腿内部设置有3条成120°均匀布置的沿支撑腿方向的凹槽导轨，所述钻进锚固机构安装于凹槽导轨上，所述凹槽导轨为钻进锚固机构的钻进过程起导向作用。

优选地，所述锚固钻进机构还包括丝杠螺母和电机支架，所述电机支架与驱动电机以及支撑腿的内壁固定连接，用于支撑驱动电机，所述丝杠通过丝杠螺母安装于冲击式超声波钻钻进单元和联轴器之间，所述驱动电机通过联轴器将动力传递给丝杠进而驱动冲击式超声波钻钻进单元。

优选地，所述冲击式超声波钻钻进单元包括钻杆、超声波钻前部外壳、压电陶瓷叠堆、超声波钻后盖、超声波钻支架后端盖、超声波钻移动支架、超声波钻变幅杆和超声波钻恢复弹簧，所述超声波钻支架后端盖与丝杠螺母通过螺钉固定连接，所述超声波钻支架后端盖的中心设置有通孔，所述丝杠穿过通孔穿入超声波钻变幅杆，所述超声波钻变幅杆外周套固有压电陶瓷叠堆，所述超声波钻后盖套固于超声波钻变幅杆的后端，并将压电陶瓷叠堆压紧，所述超声波钻变幅杆的前端外周安装有超声波钻前部外壳，所述超声波钻前部外壳的顶部设置有导向通孔，所述钻杆位于超声波钻变幅杆的前方并穿出导向通孔和支撑足垫，所述恢复弹簧安装在钻杆的根部与超声波钻前部外壳之间，所述移动支架与支撑腿内部的凹槽导轨配合连接，所述超声波钻前部外壳与超声波钻移动支架的前端固定连接，所述超声波钻后盖位于移动支架的内部，所述移动支架后端盖与移动支架固定连接。

优选地，所述移动支架的外部设置有导向块，所述移动支架通过导向块与支撑腿内部的凹槽导轨配合连接。

本发明所述的基于冲击式超声波钻的三腿支撑小行星表面锚固装置的有益效果为：

1、本发明所述的基于冲击式超声波钻的三腿式支撑小行星表面锚固装置采用三个锚固支撑腿在探测器底部，间隔120°均匀布置构成力封闭结构，利用三点成面原理，使探测器在着陆后立即行成稳定的支撑，同时该结构设计简单，稳定性高。

2、本发明使用冲击式超声波钻作为锚固机构的钻进单元，由于冲击式超声波钻的反作用力小，所以小行星探测器在着陆后不会再次由于钻进机构产生的反作用力而弹起。

附图说明

图1为本发明所述的基于冲击式超声波钻的三腿支撑小行星表面锚固装置的结构示意图；

图2为本发明所述的钻进锚固机构结构示意图；

图3为本发明所述的冲击式超声波钻钻进单元的结构示意图；

图中：1-探测器；2-钻进锚固机构；3-支架；4-支撑腿；5-支撑足垫；2-1-冲击式超声波钻钻进单元；2-2-丝杠螺母；2-3-联轴器；2-4-驱动电机；2-5-电机支架；2-6-丝杠；2-1-1-钻杆；2-1-2-超声波钻前部外壳；2-1-3-压电陶瓷叠堆；2-1-4-超声波钻后盖；2-1-5-超声波钻支架后端盖；2-1-6-超声波钻移动支架；2-1-7-超声波钻变幅杆；2-1-8-超声波钻恢复弹簧。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。

具体实施方式一、参见图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于冲击式超声波钻的三腿支撑小行星表面锚固装置包括三个钻进锚固机构2、支架3、三个支撑腿4和三个支撑足垫5，所述支架3安装在探测器1底部且支架3的三个分支间隔120°均匀设置，所述支撑腿4安装在支架3的每个分支的尾端，所述支撑足垫5设置于支撑腿4的底部，用于提高支撑腿4的着陆稳定性，所述支撑腿4内部为中空结构，所述钻进锚固机构2安装于支撑腿4的内部且一端从支撑足垫5穿出；所述锚固钻进机构2包括冲击式超声波钻钻进单元2-1、联轴器2-3、驱动电机2-4和丝杠2-6，所述驱动电机2-4通过联轴器2-3带动丝杠2-6驱动冲击式超声波钻钻进单元2-1完成钻进与锚固。

三个所述支撑腿4成120°均匀设置，构成力封闭结构，结构简单，稳定性高。所述支撑足垫5增大与小行星表面的接触面积，提高探测器1的稳定性。所述冲击式超声波钻钻进单元2-1钻入小行星表面一定深度，使三个成120°均匀布置的锚固支撑机构构成力封闭结构，起到锚固作用。

所述支撑腿4内部设置有3条成120°均匀布置的沿支撑腿方向的凹槽导轨，所述钻进锚固机构2安装于凹槽导轨上，所述凹槽导轨为钻进锚固机构2的钻进过程起导向作用。

所述的钻进锚固机构2位于支撑腿4的内部，由钻进单元和进给单元组成；所述冲击式超声波钻钻进单元2-1为锚固机构的钻进单元，所述联轴器2-3和驱动电机2-4为供给单元，驱动电机2-4为钻进单元提供动力，联轴器2-3用于传动。

所述锚固钻进机构2还包括丝杠螺母2-2和电机支架2-5，所述电机支架2-5与驱动电机2-4以及支撑腿4的内壁固定连接，用于支撑驱动电机2-4，所述丝杠2-6通过丝杠螺母2-2安装于冲击式超声波钻钻进单元2-1和联轴器2-3之间，所述驱动电机2-4通过联轴器2-3将动力传递给丝杠2-6进而驱动冲击式超声波钻钻进单元2-1。

所述冲击式超声波钻钻进单元2-1包括钻杆2-1-1、超声波钻前部外壳2-1-2、压电陶瓷叠堆2-1-3、超声波钻后盖2-1-4、超声波钻支架后端盖2-1-5、超声波钻移动支架2-1-6、超声波钻变幅杆2-1-7和超声波钻恢复弹簧2-1-8，所述超声波钻支架后端盖2-1-5与丝杠螺母2-2通过螺钉固定连接，所述超声波钻支架后端盖2-1-5的中心设置有通孔，所述丝杠2-6穿过通孔穿入超声波钻变幅杆2-1-7，所述超声波钻变幅杆2-1-7外周套固有压电陶瓷叠堆2-1-3，所述超声波钻后盖2-1-4套固于超声波钻变幅杆2-1-7的后端，并将压电陶瓷叠堆2-1-3压紧，所述超声波钻变幅杆2-1-7的前端外周安装有超声波钻前部外壳2-1-2，所述超声波钻前部外壳2-1-2的顶部设置有导向通孔，所述钻杆2-1-1位于超声波钻变幅杆2-1-7的前方并穿出导向通孔和支撑足垫5，所述恢复弹簧2-1-8安装在钻杆2-1-1的根部与超声波钻前部外壳2-1-2之间，所述移动支架2-1-6与支撑腿4内部的凹槽导轨配合连接，所述超声波钻前部外壳2-1-2与超声波钻移动支架2-1-6的前端固定连接，所述超声波钻后盖2-1-4位于移动支架2-1-6的内部，所述移动支架后端盖2-1-5与移动支架2-1-6固定连接。

所述移动支架2-1-6的外部设置有导向块，所述移动支架2-1-6通过导向块与支撑腿4内部的凹槽导轨配合连接。

本发明所述的基于冲击式超声波钻的三腿支撑小行星表面锚固装置的工作原理和具体操作过程为：

所述的冲击式超声波钻钻进单元开始工作时，压电陶瓷叠堆2-1-3将高频电信号转换为小振幅的高频机械振动，振动通过变幅杆2-1-7的放大作用放大后，击打钻杆2-1-1，由于冲击式超声波钻前部外壳的导向作用，钻杆将沿轴向运动，撞击小行星表面；同时，进给单元中的驱动电机2-4通过联轴器2-3将动力传递给丝杠2-6，在通过丝杠螺母传递到冲击式超声波钻钻进单元。超声波钻移动支架2-1-6在驱动单元的驱动下，沿支撑腿4的凹槽导轨向前运动，随着冲击式超声波钻撞击的不断进行，钻杆也逐渐钻入小行星表面。

当钻杆钻入小行星表面到预定深度时，冲击式超声波钻的钻进单元与驱动单元停止工作，此时，钻入小行星表面的三个钻杆与探测器1的三条锚固支撑腿4构成力封闭结构，使探测器1稳定的固定在小行星表面。

当探测器1准备离开小行星表面时，进给单元中的驱动电机反向旋转，钻进单元不工作，此时钻杆逐渐离开小行星表面，不再构成力封闭结构。

虽然本发明已以明确的数据和实施例公开，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的本质范围内，都可以做适当的参数修改，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种基于冲击式超声波钻的三腿支撑小行星表面锚固装置，其特征在于，包括三个钻进锚固机构(2)、支架(3)、三个支撑腿(4)和三个支撑足垫(5)，所述支架(3)包括三个分支，所述三个分支间隔120°均匀设置，所述支撑腿(4)安装在支架(3)的每个分支的尾端，所述支撑足垫(5)设置于支撑腿(4)的底部，用于提高支撑腿(4)的着陆稳定性，所述支撑腿(4)内部为中空结构，所述钻进锚固机构(2)安装于支撑腿(4)的内部且一端从支撑足垫(5)穿出；

所述锚固钻进机构(2)包括冲击式超声波钻钻进单元(2-1)、联轴器(2-3)、驱动电机(2-4)和丝杠(2-6)，所述驱动电机(2-4)通过联轴器(2-3)带动丝杠(2-6)驱动冲击式超声波钻钻进单元(2-1)完成钻进与锚固。

2.根据权利要求1所述的基于冲击式超声波钻的三腿支撑小行星表面锚固装置，其特征在于，所述支撑腿(4)内部设置有3条成120°均匀布置的沿支撑腿方向的凹槽导轨，所述钻进锚固机构(2)安装于凹槽导轨上，所述凹槽导轨为钻进锚固机构(2)的钻进过程起导向作用。

3.根据权利要求1所述的基于冲击式超声波钻的三腿支撑小行星表面锚固装置，其特征在于，所述锚固钻进机构(2)还包括丝杠螺母(2-2)和电机支架(2-5)，所述电机支架(2-5)与驱动电机(2-4)以及支撑腿(4)的内壁固定连接，用于支撑驱动电机(2-4)，所述丝杠(2-6)通过丝杠螺母(2-2)安装于冲击式超声波钻钻进单元(2-1)和联轴器(2-3)之间，所述驱动电机(2-4)通过联轴器(2-3)将动力传递给丝杠(2-6)进而驱动冲击式超声波钻钻进单元(2-1)。

4.根据权利要求3所述的基于冲击式超声波钻的三腿支撑小行星表面锚固装置，其特征在于，所述冲击式超声波钻钻进单元(2-1)包括钻杆(2-1-1)、超声波钻前部外壳(2-1-2)、压电陶瓷叠堆(2-1-3)、超声波钻后盖(2-1-4)、超声波钻支架后端盖(2-1-5)、超声波钻移动支架(2-1-6)、超声波钻变幅杆(2-1-7)和超声波钻恢复弹簧(2-1-8)，所述超声波钻支架后端盖(2-1-5)与丝杠螺母(2-2)通过螺钉固定连接，所述超声波钻支架后端盖(2-1-5)的中心设置有通孔，所述丝杠(2-6)穿过通孔穿入超声波钻变幅杆(2-1-7)，所述超声波钻变幅杆(2-1-7)外周套固有压电陶瓷叠堆(2-1-3)，所述超声波钻后盖(2-1-4)套固于超声波钻变幅杆(2-1-7)的后端，并将压电陶瓷叠堆(2-1-3)压紧，所述超声波钻变幅杆(2-1-7)的前端外周安装有超声波钻前部外壳(2-1-2)，所述超声波钻前部外壳(2-1-2)的顶部设置有导向通孔，所述钻杆(2-1-1)位于超声波钻变幅杆(2-1-7)的前方并穿出导向通孔和支撑足垫(5)，所述恢复弹簧(2-1-8)安装在钻杆(2-1-1)的根部与超声波钻前部外壳(2-1-2)之间，所述移动支架(2-1-6)与支撑腿(4)内部的凹槽导轨配合连接，所述超声波钻前部外壳(2-1-2)与超声波钻移动支架(2-1-6)的前端固定连接，所述超声波钻后盖(2-1-4)位于移动支架(2-1-6)的内部，所述移动支架后端盖(2-1-5)和超声波钻前部外壳(2-1-2)分别与移动支架(2-1-6)固定连接。

5.根据权利要求4所述的基于冲击式超声波钻的三腿支撑小行星表面锚固装置，其特征在于，所述移动支架(2-1-6)的外部设置有导向块，所述移动支架(2-1-6)通过导向块与支撑腿(4)内部的凹槽导轨配合连接。

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