CN111122226A - 单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器，包括探测器本体、进尺机构、采样钻、气吹机构和返回舱，所述的进尺机构、气吹机构和返回舱均安装在探测器本体上，所述的采样钻设置在进尺机构的末端，所述的气吹机构连通采样钻和返回舱，所述的进尺机构驱动采样钻上下移动。本发明所述的一种单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器，采用具有低钻压高效能的回转冲击式超声波钻进，基于螺旋钻、进气吹式取样实现小行星表面采样。

Description

单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器

技术领域

本发明属于空间资源探测技术领域，尤其是涉及一种单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器。

背景技术

小行星是太阳系形成后的物质残余，也是人类了解太阳系起源、形成和演变的重要载体，一般小行星还含有丰富的铁、镍和铜等金属成分，而普遍的C型小行星表面可能含有碳和水合物。因此，对小行星进行探测采样具有十分重要的科学意义。目前较成功的小行星采样任务当属日本的“隼鸟”号，其搭载一种弹射式采样系统对丝川进行了探测，该采样系统利用可展开机械臂将投射器和捕捉器移动到采样点，然后发射高度运动的射弹撞击小行星表面，并利用捕捉器收集飞剑的岩石样品。该采样系统原理简单，但采样量小且不能保持样品层理信息，采样效果不理想。小行星采样器的研究具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器，采用具有低钻压高效能的回转冲击式超声波钻进，基于螺旋钻进、气吹式取样实现小行星表面采样。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器，包括探测器本体、进尺机构、采样钻、气吹机构和返回舱，所述的进尺机构、气吹机构和返回舱均安装在探测器本体上，所述的采样钻设置在进尺机构的末端，所述的气吹机构连通采样钻和返回舱，所述的进尺机构驱动采样钻上下移动。

进一步的，所述采样钻包括转子、V型后盖板、压电陶瓷叠堆、变幅杆、传动轴、下壳体、螺旋钻杆、钻杆套和上壳体，所述的转子、V型后盖板、压电陶瓷叠堆、变幅杆和传动轴设置在上壳体和下壳体围成的空间内，在所述螺旋钻杆外套设一端封闭一端开口的钻杆套，所述钻杆套的封闭端固定在下壳体的远离上壳体的一端，在所述钻杆套上靠近封闭端处设有进气口和样品出口，所述变幅杆固定在下壳体上，所述的变幅杆为上宽下窄的空心杆体，宽段设置在上壳体内，并伸入V型后盖板的空腔，窄段设置在下壳体内与螺旋钻杆连接，所述的变幅杆的宽段将压电陶瓷叠堆压紧在V型后盖板上，所述的V型后盖板的上端设置转子，所述的传动轴依次穿过转子和变幅杆后与螺旋钻杆连接，在转子和上壳体上壁之间的传动轴上套设一压紧弹簧，在下壳体内部的螺旋钻杆上套设有一恢复弹簧。

进一步的，所述进尺机构包括回转电机、联轴器、丝杠、丝母、进尺轴、电机支撑座和丝杠支撑座，所述电机和丝杠分别通过电机支撑座和丝杠支撑座装配在探测器本体上，所述联轴器连接回转电机的输出轴和丝杠，所述丝杠上装配丝母，所述丝母与进尺轴固定连接，所述进尺轴与上壳体固定连接，所述电机通过丝杠和丝母组成的滚珠丝杠副将回转运动变为进尺轴的直线运动。

进一步的，所述气吹机构包括气罐、进气管和样品管，所述气罐固定在探测器本体上，所述的气罐通过进气管与进气口连通，所述的样品管连通样品出口和返回舱。

进一步的，在上壳体的端部设有用于支撑传动轴的第一轴承，在所述的第一轴承的内圈配合有一铜套，所述的压紧弹簧的一端紧压铜套，另一端将转子压在V型后盖板上。

进一步的，在恢复弹簧与下壳体相抵处设有第二轴承，所述的恢复弹簧一端紧压螺旋钻杆使其端面与变幅杆贴合，另一端紧压第二轴承使其与下壳体贴合。

进一步的，所述上壳体和下壳体之间通过螺栓连接。

相对于现有技术，本发明所述的单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器具有以下优势：

本发明所述的单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器，①采用具有低钻压高效能的回转冲击式超声波钻进，基于螺旋钻进取样实现小行星表面采样；②由单压电叠堆作为唯一动力来源，充分利用压电叠堆两侧的振动，将压电叠堆一侧的振动转变为钻杆的回转运动，另一侧的振动转变为钻杆的冲击运动，最终实现回转冲击超声波钻螺旋钻进取样；③采用气吹送样实现小行星表面采样；④采用进尺机构，实现在小行星表面选点采样。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器的结构示意图；

图2为进尺机构的结构示意图；

图3为采样钻的结构示意图。

附图标记说明：

1-探测器本体，2-气罐，3-进气管，4-进尺机构，4-1-回转电机，4-2-联轴器，4-3-丝杠，4-4-丝母，4-6-电机支撑座，4-7-丝杠支撑座，5-样品管，6-采样钻，6-1-转子，6-2-后盖板，6-3-压电陶瓷叠堆，6-4-变幅杆，6-5-传动轴，6-6-下壳体，6-7-螺旋钻杆，6-8-钻杆套，6-9-第一轴承，6-10-铜套，6-11-压紧弹簧，6-12-上壳体，6-13-恢复弹簧，6-14-第二轴承，6-15-样品出口，6-16-进气口，7-返回舱。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图3所示，单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器，包括探测器本体1、进尺机构4、采样钻6、气吹机构和返回舱7，所述的进尺机构4、气吹机构和返回舱7均安装在探测器本体1上，所述的采样钻6设置在进尺机构4的末端，所述的气吹机构连通采样钻6和返回舱7，所述的进尺机构4驱动采样钻6上下移动。

采样钻6包括转子6-1、V型后盖板6-2、压电陶瓷叠堆6-3、变幅杆6-4、传动轴6-5、下壳体6-6、螺旋钻杆6-7、钻杆套6-8和上壳体6-12，所述的转子6-1、V型后盖板6-2、压电陶瓷叠堆6-3、变幅杆6-4和传动轴6-5设置在上壳体6-12和下壳体6-6围成的空间内，在所述螺旋钻杆6-7外套设一端封闭一端开口的钻杆套6-8，所述钻杆套6-8的封闭端固定在下壳体6-6的远离上壳体6-12的一端，在所述钻杆套6-8上靠近封闭端处设有进气口6-16和样品出口6-15，所述变幅杆6-4固定在下壳体6-6上，所述的变幅杆6-4为上宽下窄的空心杆体，宽段设置在上壳体6-12内，并伸入V型后盖板6-2的空腔，窄段设置在下壳体6-6内与螺旋钻杆6-7连接，所述的变幅杆6-4的宽段将压电陶瓷叠堆6-3压紧在V型后盖板6-2上，所述的V型后盖板6-2的上端设置转子6-1，所述的传动轴6-5依次穿过转子6-1和变幅杆6-4后与螺旋钻杆6-7连接，在转子6-1和上壳体6-12上壁之间的传动轴6-5上套设一压紧弹簧6-11，在下壳体6-6内部的螺旋钻杆6-7上套设有一恢复弹簧6-13。

在上壳体6-12的端部设有用于支撑传动轴6-5的第一轴承6-9，在所述的第一轴承6-9的内圈配合有一铜套6-10，所述的压紧弹簧6-11的一端紧压铜套6-10，另一端将转子6-1压在V型后盖板6-2上。

在恢复弹簧6-13与下壳体6-6相抵处设有第二轴承6-14，所述的恢复弹簧6-13一端紧压螺旋钻杆6-7使其端面与变幅杆6-4贴合，另一端紧压第二轴承6-14使其与下壳体6-6贴合。

上壳体6-12和下壳体6-6之间通过螺栓连接。

进尺机构4包括回转电机4-1、联轴器4-2、丝杠4-3、丝母4-4、进尺轴4-5、电机支撑座4-6和丝杠支撑座4-7，所述电机4-1和丝杠4-3分别通过电机支撑座4-6和丝杠支撑座4-7装配在探测器本体1上，所述联轴器4-2连接回转电机4-1的输出轴和丝杠4-3，所述丝杠4-3上装配丝母4-4，所述丝母4-4与进尺轴4-5固定连接，所述进尺轴4-5与上壳体6-12固定连接，所述电机4-1通过丝杠4-3和丝母4-4组成的滚珠丝杠副将回转运动变为进尺轴4-5的直线运动。

气吹机构包括气罐2、进气管3和样品管5，所述气罐2固定在探测器本体1上，所述的气罐2通过进气管3与进气口6-16连通，所述的样品管5连通样品出口6-15和返回舱7。

本采样器的工作原理为：

探测器本体1在小行星表面附着锚定后，电机4-1通过联轴器4-2及丝杠4-3和丝母4-4组成的滚珠丝杠副驱动进尺轴4-5进给，当进尺轴4-5带着采样钻6到达小行星表面适当位置后停止进给。探测器本体1根据目标采样区域的形貌特征选定目标采样点，压电陶瓷叠堆6-3通入高频正弦交流电压产生高频纵向振动，变幅杆6-4将高频纵向振动放大，驱动螺旋钻杆6-7高频纵向振动；同时V型后盖板6-2会产生扭振驱动转子6-1回转并通过传动轴6-5将动力传递给螺旋钻杆6-7，实现螺旋钻杆6-7的回转运动，采样钻6的螺旋钻杆6-7工作模式就是回转运动和纵向高频振动的耦合，进尺机构4为采样钻6提供钻压力，螺旋钻杆6-7的纵向高频振动破碎岩石快速钻入小行星表面，同时螺旋钻杆6-7的回转运动将破碎的岩石碎屑通过螺旋钻杆的螺旋槽运送到钻杆套6-8的空腔内，气罐2放出的气体沿着进气管3从进气口6-16进入钻杆套6-8的空腔，将空腔内的岩石碎屑从样品出口6-15吹出并沿着样品管5进入返回舱7完成采样任务。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器，其特征在于：包括探测器本体(1)、进尺机构(4)、采样钻(6)、气吹机构和返回舱(7)，所述的进尺机构(4)、气吹机构和返回舱(7)均安装在探测器本体(1)上，所述的采样钻(6)设置在进尺机构(4)的末端，所述的气吹机构连通采样钻(6)和返回舱(7)，所述的进尺机构(4)驱动采样钻(6)上下移动。

2.根据权利要求1所述的单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器，其特征在于：所述采样钻(6)包括转子(6-1)、V型后盖板(6-2)、压电陶瓷叠堆(6-3)、变幅杆(6-4)、传动轴(6-5)、下壳体(6-6)、螺旋钻杆(6-7)、钻杆套(6-8)和上壳体(6-12)，所述的转子(6-1)、V型后盖板(6-2)、压电陶瓷叠堆(6-3)、变幅杆(6-4)和传动轴(6-5)设置在上壳体(6-12)和下壳体(6-6)围成的空间内，在所述螺旋钻杆(6-7)外套设一端封闭一端开口的钻杆套(6-8)，所述钻杆套(6-8)的封闭端固定在下壳体(6-6)的远离上壳体(6-12)的一端，在所述钻杆套(6-8)上靠近封闭端处设有进气口(6-16)和样品出口(6-15)，所述变幅杆(6-4)固定在下壳体(6-6)上，所述的变幅杆(6-4)为上宽下窄的空心杆体，宽段设置在上壳体(6-12)内，并伸入V型后盖板(6-2)的空腔，窄段设置在下壳体(6-6)内与螺旋钻杆(6-7)连接，所述的变幅杆(6-4)的宽段将压电陶瓷叠堆(6-3)压紧在V型后盖板(6-2)上，所述的V型后盖板(6-2)的上端设置转子(6-1)，所述的传动轴(6-5)依次穿过转子(6-1)和变幅杆(6-4)后与螺旋钻杆(6-7)连接，在转子(6-1)和上壳体(6-12)上壁之间的传动轴(6-5)上套设一压紧弹簧(6-11)，在下壳体(6-6)内部的螺旋钻杆(6-7)上套设有一恢复弹簧(6-13)。

3.根据权利要求2所述的单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器，其特征在于：所述进尺机构(4)包括回转电机(4-1)、联轴器(4-2)、丝杠(4-3)、丝母(4-4)、进尺轴(4-5)、电机支撑座(4-6)和丝杠支撑座(4-7)，所述电机(4-1)和丝杠(4-3)分别通过电机支撑座(4-6)和丝杠支撑座(4-7)装配在探测器本体(1)上，所述联轴器(4-2)连接回转电机(4-1)的输出轴和丝杠(4-3)，所述丝杠(4-3)上装配丝母(4-4)，所述丝母(4-4)与进尺轴(4-5)固定连接，所述进尺轴(4-5)与上壳体(6-12)固定连接，所述电机(4-1)通过丝杠(4-3)和丝母(4-4)组成的滚珠丝杠副将回转运动变为进尺轴(4-5)的直线运动。

4.根据权利要求3所述的单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器，其特征在于：所述气吹机构包括气罐(2)、进气管(3)和样品管(5)，所述气罐(2)固定在探测器本体(1)上，所述的气罐(2)通过进气管(3)与进气口(6-16)连通，所述的样品管(5)连通样品出口(6-15)和返回舱(7)。

5.根据权利要求4中任一项所述的单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器，其特征在于：在上壳体(6-12)的端部设有用于支撑传动轴(6-5)的第一轴承(6-9)，在所述的第一轴承(6-9)的内圈配合有一铜套(6-10)，所述的压紧弹簧(6-11)的一端紧压铜套(6-10)，另一端将转子(6-1)压在V型后盖板(6-2)上。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器，其特征在于：在恢复弹簧(6-13)与下壳体(6-6)相抵处设有第二轴承(6-14)，所述的恢复弹簧(6-13)一端紧压螺旋钻杆(6-7)使其端面与变幅杆(6-4)贴合，另一端紧压第二轴承(6-14)使其与下壳体(6-6)贴合。

7.根据权利要求6所述的单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器，其特征在于：所述上壳体(6-12)和下壳体(6-6)之间通过螺栓连接。

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