CN111122216A - 一种小行星表面可选点采样器 - Google Patents

Abstract

一种小行星表面可选点采样器，属于星体探测技术领域。本发明解决了现有的探测器无法应用于小行星探测采样的问题。转位机构通过进尺机构实现竖直方向的直线进给运动，所述采样钻包括壳体、第一电机支撑架、回转电机、第一主动齿轮、第一从动齿轮、传动轴、钻杆、钻杆套、端盖、变幅杆及压电陶瓷叠堆，其中回转电机竖直固定在转位机构上，壳体的外侧壁通过第一电机支撑架与回转电机固接，第一主动齿轮固接在回转电机的输出轴上，传动轴同轴穿装在第一从动齿轮上，变幅杆同轴套设在传动轴上，传动轴的下端与钻杆的上端同轴固接，钻杆套的上部水平开设有通孔，气罐与通孔的一端通过进气管连通，返回舱与通孔的另一端通过样品管连通。

Description

一种小行星表面可选点采样器

技术领域

本发明涉及一种小行星表面可选点采样器，属于星体探测技术领域。

背景技术

小行星和彗星是太阳系中的重要成员，他们保存着太阳系形成初期的原始成分和演化历史，是研究太阳系起源的“活化石”。国际小行星探测已从早期的飞跃探测和近期的环绕着陆探测过渡到如今的采样返回探测。在几乎没有重力的小天体上，如果采用像在月球上一样用铁锹采掘样品，那么探测器本身就马上被反弹出很远。因此提出一种低轴向力的采样器对于小行星探测具有十分重要的意义。

发明内容

本发明是为了解决现有的探测器无法应用于小行星探测采样的问题，进而提供了一种小行星表面可选点采样器。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种小行星表面可选点采样器，它包括探测器主体和支撑探测器主体的机械臂，它还包括气罐、进气管、进尺机构、样品管、转位机构、采样钻及返回舱，气罐、进尺机构及返回舱均固定在探测器主体上，所述转位机构通过进尺机构实现竖直方向的直线进给运动，所述采样钻包括壳体、第一电机支撑架、回转电机、第一主动齿轮、第一从动齿轮、传动轴、钻杆、钻杆套、端盖、变幅杆及压电陶瓷叠堆，其中回转电机竖直固定在转位机构上，壳体的外侧壁通过第一电机支撑架与回转电机固接，第一主动齿轮与第一从动齿轮相互啮合且第一主动齿轮固接在回转电机的输出轴上，传动轴同轴穿装在第一从动齿轮上，变幅杆同轴套设在传动轴上，所述变幅杆包括上段、中段及下段，上段及下段的横截面直径均小于中段的横截面直径，端盖同轴且转动套设在传动轴上，压电陶瓷叠堆套设在变幅杆的上段且其上下两端分别与端盖及变幅杆中段无间隙接触，变幅杆的下段位于壳体内，传动轴的下端与钻杆的上端同轴固接，且钻杆的上端套装有定位台，所述定位台与变幅杆的底端无间隙接触，所述钻杆套呈T形结构，钻杆套的上部水平开设有通孔，气罐与通孔的一端通过进气管连通，返回舱与通孔的另一端通过样品管连通。

进一步地，定位台与壳体底端面之间的钻杆上套设有弹簧。

进一步地，所述弹簧下端与壳体底端面之间设置有第二轴承。

进一步地，所述进尺机构包括机架、主动带轮、传动带、连接块、进给轴及两个从动带轮，所述机架固定在探测器主体上，主动带轮与两个从动带轮呈等腰三角形固接在机架上且两个从动带轮上下正对设置，传动带绕设在三个带轮上，进给轴通过连接块竖直固定在两个从动带轮之间的传动带上。

进一步地，所述转位机构包括转位电机、第二电机支撑架、第二主动齿轮、第二从动齿轮及连接架，所述转位电机通过第二电机支撑架竖直固装在进给轴上，第一主动齿轮与转位电机的输出轴同轴固接，第二从动齿轮转动套设在进给轴的下部且与第二主动齿轮啮合，所述连接架转动套设在进给轴的下部且与第二从动齿轮固接，回转电机固接在连接架上。

进一步地，第二从动齿轮与进给轴之间以及连接架与进给轴之间均设置有第三轴承。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

一、本申请采用具有低钻压高效能的回转冲击超声波钻，基于螺旋钻进取样实现小行星表面采样；

二、采用超声波钻与回转电机平行轴式布置方式，有效的降低了采样器高度；

三、采样器中设置有转位机构，实现了在小行星表面选点采样功能，具有优越的形貌适应能力。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为进尺机构的结构示意图；

图3为转位机构的结构示意图；

图4为采样钻的主剖视示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～4说明本实施方式，一种小行星表面可选点采样器，它包括探测器主体1和支撑探测器主体1的机械臂2，它还包括气罐3、进气管4、进尺机构5、样品管6、转位机构7、采样钻8及返回舱9，气罐3、进尺机构5及返回舱9均固定在探测器主体1上，所述转位机构7通过进尺机构5实现竖直方向的直线进给运动，所述采样钻8包括壳体8‐1、第一电机支撑架8‐2、回转电机8‐3、第一主动齿轮8‐4、第一从动齿轮8‐5、传动轴8‐6、钻杆8‐7、钻杆套8‐8、端盖8‐9、变幅杆8‐10及压电陶瓷叠堆8‐11，其中回转电机8‐3竖直固定在转位机构7上，壳体8‐1的外侧壁通过第一电机支撑架8‐2与回转电机8‐3固接，第一主动齿轮8‐4与第一从动齿轮8‐5相互啮合且第一主动齿轮8‐4固接在回转电机8‐3的输出轴上，传动轴8‐6同轴穿装在第一从动齿轮8‐5上，变幅杆8‐10同轴套设在传动轴8‐6上，所述变幅杆8‐10包括上段、中段及下段，上段及下段的横截面直径均小于中段的横截面直径，端盖8‐9同轴且转动套设在传动轴8‐6上，压电陶瓷叠堆8‐11套设在变幅杆8‐10的上段且其上下两端分别与端盖8‐9及变幅杆8‐10中段无间隙接触，变幅杆8‐10的下段位于壳体8‐1内，传动轴8‐6的下端与钻杆8‐7的上端同轴固接，且钻杆8‐7的上端套装有定位台8‐71，所述定位台8‐71与变幅杆8‐10的底端无间隙接触，所述钻杆套8‐8呈T形结构，钻杆套8‐8的上部水平开设有通孔8‐81，气罐3与通孔8‐81的一端通过进气管4连通，返回舱9与通孔8‐81的另一端通过样品管6连通。

变幅杆8‐10的节面(即变幅杆8‐10中段的下端面)固定在壳体8‐1上，端盖8‐9将压电陶瓷叠堆8‐11压紧在变幅杆8‐10的中段上，钻杆8‐7和钻杆套8‐8之间有微小间隙，回转电机8‐3通过第一主动齿轮8‐4和第一从动齿轮8‐5组成的第一齿轮副驱动传动轴8‐6并带动钻杆8‐7作回转运动。

钻杆套8‐8上部的通孔8‐81上与气罐3连通的一端为进气口，与返回舱9连通的一端为样品出口。

压电陶瓷叠堆8‐11通入高频正弦交流电压产生高频纵向振动，变幅杆8‐10将高频纵向振动放大，驱动钻杆8‐7高频纵向振动。

返回舱9内设置有样品容器，用于存放样品，返回舱9为样品返回地球的载体。

端盖8‐9与传动轴8‐6之间设置有第一轴承8‐12。

本申请中的采样钻8为回转冲击超声波钻。

进一步地，定位台8‐71与壳体8‐1底端面之间的钻杆8‐7上套设有弹簧8‐13。所述弹簧8‐13为恢复弹簧。通过弹簧8‐13使定位台8‐71与变幅杆8‐10的底端保持紧密接触。

进一步地，所述弹簧8‐13下端与壳体8‐1底端面之间设置有第二轴承8‐14。使得在钻杆8‐7高速转动的情况下，不会因为弹簧8‐13与壳体8‐1底端面之间的摩擦力过大而影响钻杆8‐7的转动速度。

进一步地，所述进尺机构5包括机架5‐1、主动带轮5‐2、传动带5‐3、连接块5‐3、进给轴5‐5及两个从动带轮5‐6，所述机架5‐1固定在探测器主体1上，主动带轮5‐2与两个从动带轮5‐6呈等腰三角形固接在机架5‐1上且两个从动带轮5‐6上下正对设置，传动带5‐3绕设在三个带轮上，进给轴5‐5通过连接块5‐3竖直固定在两个从动带轮5‐6之间的传动带5‐3上。传动带5‐3在三个带轮上张紧。主动带轮5‐2通过传动带5‐3和连接块5‐3将回转运动变为进给轴5‐5的直线运动。

进一步地，所述转位机构7包括转位电机7‐1、第二电机支撑架7‐2、第二主动齿轮7‐3、第二从动齿轮7‐4及连接架7‐5，所述转位电机7‐1通过第二电机支撑架7‐2竖直固装在进给轴5‐5上，第一主动齿轮8‐4与转位电机7‐1的输出轴同轴固接，第二从动齿轮7‐4转动套设在进给轴5‐5的下部且与第二主动齿轮7‐3啮合，所述连接架7‐5转动套设在进给轴5‐5的下部且与第二从动齿轮7‐4固接，回转电机8‐3固接在连接架7‐5上。第二主动齿轮7‐3和连接架7‐5可以绕进给轴5‐5转动。转位电机7‐1通过第二主动齿轮7‐3和第二从动齿轮7‐4组成的第二齿轮副驱动连接架7‐5回转。连接架7‐5与采样钻8的第一电机支撑架8‐2采用螺栓连接。

进一步地，第二从动齿轮7‐4与进给轴5‐5之间以及连接架7‐5与进给轴5‐5之间均设置有第三轴承7‐6。

工作原理：

探测器主体1在小行星表面附着锚定后，主动带轮5‐2通过传动带5‐3和连接块5‐3驱动进给轴5‐5进给，当采样钻8到达小行星表面适当位置后停止进给。探测器主体1根据目标采样区域的形貌特征选定目标采样点，转位电机7‐1通过第二主动齿轮7‐3和第二从动齿轮7‐4组成的第二齿轮副驱动采样钻8转到目标采样点。压电陶瓷叠堆8‐11通入高频正弦交流电压产生高频纵向振动，变幅杆8‐10将高频纵向振动放大，驱动钻杆8‐7高频纵向振动；同时回转电机8‐3通过第一主动齿轮8‐4和第二主动齿轮7‐3组成的第一齿轮副驱动传动轴8‐6带动钻杆8‐7作回转运动。采样钻8的钻杆8‐7工作模式就是回转运动和纵向高频振动的耦合。进尺机构5为采样钻8提供钻压力，钻杆8‐7的纵向高频振动破碎岩石快速钻入小行星表面，同时钻杆8‐7的回转运动将破碎的岩石碎屑通过钻杆8‐7的螺旋槽运送到钻杆套8‐8的空腔内，所述空腔即为钻杆套8‐8上部的通孔8‐81。气罐3放出的气体沿着进气管4从进气口进入钻杆套8‐8的空腔，将空腔内的岩石碎屑从样品出口吹出并沿着样品管6进入返回舱9完成采样任务。

Claims (6)

1.一种小行星表面可选点采样器，它包括探测器主体(1)和支撑探测器主体(1)的机械臂(2)，其特征在于：它还包括气罐(3)、进气管(4)、进尺机构(5)、样品管(6)、转位机构(7)、采样钻(8)及返回舱(9)，气罐(3)、进尺机构(5)及返回舱(9)均固定在探测器主体(1)上，所述转位机构(7)通过进尺机构(5)实现竖直方向的直线进给运动，所述采样钻(8)包括壳体(8-1)、第一电机支撑架(8-2)、回转电机(8-3)、第一主动齿轮(8-4)、第一从动齿轮(8-5)、传动轴(8-6)、钻杆(8-7)、钻杆套(8-8)、端盖(8-9)、变幅杆(8-10)及压电陶瓷叠堆(8-11)，其中回转电机(8-3)竖直固定在转位机构(7)上，壳体(8-1)的外侧壁通过第一电机支撑架(8-2)与回转电机(8-3)固接，第一主动齿轮(8-4)与第一从动齿轮(8-5)相互啮合且第一主动齿轮(8-4)固接在回转电机(8-3)的输出轴上，传动轴(8-6)同轴穿装在第一从动齿轮(8-5)上，变幅杆(8-10)同轴套设在传动轴(8-6)上，所述变幅杆(8-10)包括上段、中段及下段，上段及下段的横截面直径均小于中段的横截面直径，端盖(8-9)同轴且转动套设在传动轴(8-6)上，压电陶瓷叠堆(8-11)套设在变幅杆(8-10)的上段且其上下两端分别与端盖(8-9)及变幅杆(8-10)中段无间隙接触，变幅杆(8-10)的下段位于壳体(8-1)内，传动轴(8-6)的下端与钻杆(8-7)的上端同轴固接，且钻杆(8-7)的上端套装有定位台(8-71)，所述定位台(8-71)与变幅杆(8-10)的底端无间隙接触，所述钻杆套(8-8)呈T形结构，钻杆套(8-8)的上部水平开设有通孔(8-81)，气罐(3)与通孔(8-81)的一端通过进气管(4)连通，返回舱(9)与通孔(8-81)的另一端通过样品管(6)连通。

2.根据权利要求1所述的一种小行星表面可选点采样器，其特征在于：定位台(8-71)与壳体(8-1)底端面之间的钻杆(8-7)上套设有弹簧(8-13)。

3.根据权利要求2所述的一种小行星表面可选点采样器，其特征在于：所述弹簧(8-13)下端与壳体(8-1)底端面之间设置有第二轴承(8-14)。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种小行星表面可选点采样器，其特征在于：所述进尺机构(5)包括机架(5-1)、主动带轮(5-2)、传动带(5-3)、连接块(5-3)、进给轴(5-5)及两个从动带轮(5-6)，所述机架(5-1)固定在探测器主体(1)上，主动带轮(5-2)与两个从动带轮(5-6)呈等腰三角形固接在机架(5-1)上且两个从动带轮(5-6)上下正对设置，传动带(5-3)绕设在三个带轮上，进给轴(5-5)通过连接块(5-3)竖直固定在两个从动带轮(5-6)之间的传动带(5-3)上。

5.根据权利要求4所述的一种小行星表面可选点采样器，其特征在于：所述转位机构(7)包括转位电机(7-1)、第二电机支撑架(7-2)、第二主动齿轮(7-3)、第二从动齿轮(7-4)及连接架(7-5)，所述转位电机(7-1)通过第二电机支撑架(7-2)竖直固装在进给轴(5-5)上，第一主动齿轮(8-4)与转位电机(7-1)的输出轴同轴固接，第二从动齿轮(7-4)转动套设在进给轴(5-5)的下部且与第二主动齿轮(7-3)啮合，所述连接架(7-5)转动套设在进给轴(5-5)的下部且与第二从动齿轮(7-4)固接，回转电机(8-3)固接在连接架(7-5)上。

6.根据权利要求5所述的一种小行星表面可选点采样器，其特征在于：第二从动齿轮(7-4)与进给轴(5-5)之间以及连接架(7-5)与进给轴(5-5)之间均设置有第三轴承(7-6)。

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