CN111947965B - 一种适用于地外天体的触碰采样器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于地外天体的触碰采样器，包括：采样导流罩、气动冲击破岩机构、柔性弹簧等；采样导流罩位于所述触碰采样器底端，气体激励喷嘴位于采样导流罩内侧，气动冲击破岩机构安装在采样导流罩内侧，柔性弹簧安装在采样导流罩上端，气动展开机构安装在柔性弹簧上端，样品通道安装在气动展开机构内，一端与采样导流罩的内部的腔体相连接，另一端与样品容器连接；密闭门安装在样品通道中，样品容器固定于气动展开机构上端。本发明利用气动冲击破岩机构将星体表面进行破碎与剥离，同时通过气体激励与传输将表面样品吹进样品容器，完成回收，具有采样时间短、星表适应性强、可重复采样、采样可靠的特点。

Description

一种适用于地外天体的触碰采样器

技术领域

本发明涉及一种触碰采样器，属于深空探测技术领域。

背景技术

小行星是人类了解太阳系起源演变的重要载体，承载着丰富的科学信息，因此对小行星进行采样返回具有重要的意义。但小行星种类繁多，表面地质特性缺乏认知，且小行星表面引力极其微弱，很难实现附着固定，这就要求小行星采样技术具有地质特性适应性强、反作用力低、采样迅速等特点。

在月球与火星上常用的采样技术包括钻取、机械臂铲挖、研磨和抓取等，但采样反作用力大且采样时间长，不适用于小行星。另外小行星表面可能存在强度较高的巨型岩石结构，这给采样带来了极大的困难。日本隼鸟号(Hayabusa)2005年对糸川小行星进行了采样，采用了射弹撞击后容纳回收的方法，但采样量极其微小。

发明内容

本发明需解决的技术问题是：克服传统地外天体反作用力大、地质特性适应性低、采样时间长等缺点，发明了一种适用于地外天体的触碰采样器，采样器适应探测器触碰采样(短时3-5s接触)，具有采样时间短、星表适应性强、可重复采样、采样可靠的特点。

本发明的技术解决方案是：一种适用于地外天体的触碰采样器，包括：采样导流罩、气动冲击破岩机构、柔性弹簧、密闭门、样品通道、气动展开机构、样品容器、出口滤网、气体激励喷嘴；采样导流罩位于所述触碰采样器底端，内部具有圆弧形结构，用于气体向上导流；气体激励喷嘴位于采样导流罩内侧，用于对底部的样品进行气体激励；气动冲击破岩机构安装在采样导流罩内侧，对样品进行冲击粉碎；柔性弹簧安装在采样导流罩上端，能够压缩和转动变形；气动展开机构安装在柔性弹簧上端，采用气体驱动，具有内外双筒的活塞结构，实现沿轴向方向的展开；样品通道安装在气动展开机构内，一端与采样导流罩的内部的腔体相连接，另一端与样品容器连接；密闭门安装在样品通道中，由电机控制进行旋转，完成样品通道的开放与关闭；样品容器固定于气动展开机构上端，内部具有斜楔形结构和收集腔体结构，使气体携带样品单向流动到收集腔体内，气流通过出口滤网排出，并将样品留在样品容器内。

采样导流罩为圆筒形结构。

样品通道为柔性管，材料为聚醚醚酮PEEK。

密闭门为圆盘结构，主体结构上均匀分布多组气孔，当密闭门关闭后，通过气孔进行样品的气力传输。

样品容器中间设置防止样品回流的限位结构。

气动冲击破岩机构采用5～10MPa的气体驱动活塞机构，实现对样品的往复冲击。

柔性弹簧的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti。

所述的适用于地外天体的触碰采样器的使用方法，包括步骤如下：

步骤1、控制探测器下落并伸出采样器，当采样导流罩前端接触星体表面时，控制气动冲击破岩机构开始工作；

步骤2、启动周边气体喷嘴喷气，形成气流激励表面样品向上运动，使气体携带颗粒样品进入样品通道内；

步骤3、当样品受气体激励进入样品通道后，控制密闭门关闭，开启气孔进行喷气，对样品进行向上传输进入样品容器，气流通过出口滤网排出，样品留在样品容器内。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)与现有地外天体采样技术相比，本发明采用气动冲击破岩与气体激励收集复合设计，可实现风化层、小颗粒与大颗粒碎石、岩石等多工况的采样，高速冲击碎岩获得碎屑后，气体激励配合完成样品的定向传输与回收，具有地质适应性强、简单可靠的优点。本发明同样适用于任何行星表面采样。

(2)本发明的破岩采用高压气动冲击破岩机构，进行高速、大行程的往复冲击，在短时间内完成高效破岩，具有反作用力低、作用时间短、可重复采样的特点。

(3)本发明的采样导流罩内采用一维通道设计，气流携带样品单向运动进入样品容器，实现定向采集，有利于气流顺畅流通，可提高采集效率。

(4)本发明的样品通道内采用关闭密闭门后接力传输的设计，实现自身内部完成密封状态下的样品传输，可以提高样品传输的效率，同时节省探测器在星体表面停留的时间，实现短时触碰采样。

(5)本发明的采样导流罩与样品容器之间采用样品通道进行连接，样品通过气力传输能够快速到达回收容器，实现一体化设计，能够短时高效的采样，同时避免采用传统机械臂等缓慢的样品转移环节。

(6)本发明的气动展开机构与采样导流罩之间设计了柔性弹簧，能够自主压缩与缓冲，保证对航天器的安全，同时实现针对不平地形的自适应。

(7)本发明的样品容器通过结构设计导流单向流向一侧，气流通过出口滤网排出，并将样品留在样品容器内，并有效防止样品回流。

(8)本发明的采样器采用气动展开的设计，相比于电机驱动丝杠等机械形成的展开机构，气动展开装置的结构简单，无需电机驱动，只需通过少量的气体就能够实现展开功能，节省了航天器的重量与资源。

附图说明

图1是本发明采样器整体构型(剖面)。

图2是本发明采样器进行样品采集过程。

图3是本发明采样器进行样品传输。

图4是本发明密闭门上的多组气孔示意。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

如图1～4所示，一种适用于地外天体的触碰采样器包括采样导流罩1、气动冲击破岩机构2、柔性弹簧3、密闭门4、样品通道5、气动展开机构6、样品容器7、出口滤网8、气体激励喷嘴9。其中采样导流罩1位于采样器底端，圆筒形结构，内部具有圆弧形结构，便于气体向上导流，气体激励喷嘴9位于采样导流罩1一侧，可对底部的样品进行气体激励；气动冲击破岩机构2安装在采样导流罩1一侧，采用高压气体驱动活塞机构，实现大行程冲击；

柔性弹簧3安装在采样导流罩1上端，能够压缩与转动变形，使采样前端能够自适应星体表面凹凸不平的地形，柔性弹簧3的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti；气动展开机构6安装在柔性弹簧3上端，采用气体驱动，具有内外双筒的活塞结构，实现沿轴向方向的展开；样品通道5安装在气动展开机构6内，与采样导流罩1的内部的腔体相连接，提供样品向上进入样品容器7的通道，样品通道5为柔性管，材料为聚醚醚酮PEEK，可随动适应采样器展开；

密闭门4安装在样品通道中，由电机控制可进行旋转，完成样品通道4的开放与关闭，密闭门主体结构42上均匀分布多组气孔41，当密闭门关闭后，可进行样品的气力传输；

样品容器7固定于气动展开机构6上端，内部具有斜楔形结构与收集腔体结构，使气体携带样品单向流动到收集腔内，气流通过出口滤网8排出，并将样品留在样品容器内，中间设计有限位结构，有效防止样品回流。

具体设计包括：

(1)气动冲击破岩与气体激励收集复合设计

采样器的采样导流罩1前端接触星体表面时，气动冲击破岩机构2开始工作，增强表面的剥离与破碎程度，然后气体激励喷嘴9喷入气体，在高压气流的作用下，使表面流体化，随气流一起被吹进样品通道5。

(2)气动冲击高速破岩设计

气动冲击破岩机构2安装在采样导流罩1一侧，采用高压气体(气体压力5～10MPa)驱动活塞机构，实现高速、大行程的往复冲击。

(3)样品单向导流结构设计

气体激励喷嘴9为一路，采样导流罩1内部流道采用近似一维通道设计，气流携带样品沿采样导流罩1内部弧形向上直接进入样品通道内，有利于气流顺畅流通，使收集简单、可靠。

(4)样品通道内接力传输设计

样品受气体激励进入样品通道5后，密闭门4进行关闭，其上的多组气孔41开始喷气，对样品进行接力向上传输，此时采样器可以离开行星表面，依靠自身内部完成密封状态下的样品传输，可以提高样品传输的效率，同时节省探测器在星体表面停留的时间，实现短时触碰采样。

(5)采样与回收一体化设计

采样导流罩1与样品容器7之间采用样品通道5进行连接，使采三者形成一体化的结构，样品通过采样导流罩1的气力传输能够快速到达样品容器7，实现了短时高效的采样，同时避免采用传统机械臂等缓慢的样品转移环节。

(6)地形自适应与缓冲结构设计

气动展开机构6与采样导流罩1之间，设计了柔性弹簧3，匹配较低的刚度，当采样器接触小行星表面时，结构能够自主压缩缓冲，保证对航天器产生的反作用力在安全范围之内；如果接触倾斜、凹凸不平等表面时，柔性弹簧3能够弯曲，实现针对不平地形的自适应。

(7)样品容器导流设计

样品进入样品容器4通过斜楔形结构作用，使气体携带样品单向流动到收集腔内，气流通过出口滤网8排出，并将样品留在样品容器内，中间设计有限位结构，有效防止样品回流。

(8)采样器气动展开设计

采样器的采用气动展开机构6实现展开功能，外筒、内筒安装在一起形成一个封闭的内部腔体，气体阀门通过控制进气与出气的气量实现腔体内的压力的控制，从而实现展开外筒与展开内筒之间展开与收拢的运动。相比于电机驱动丝杠等机械形成的展开机构，气动展开装置的结构简单，无需电机驱动，只需通过少量的气体就能够实现展开功能，节省了航天器的重量与资源。

采样器的工作过程是：探测器逐渐下落并伸出采样器，采样器的采样导流罩1前端接触星体表面时，气动冲击破岩机构2开始工作，增强表面的破碎程度，然后气体激励喷嘴9，密闭门关闭并进行气力传输，使表面碎屑流体化，随气流一起被吹进样品容器4。具体如下：

(1)气动冲击碎岩：采样导流罩1前端接触星体表面时，气动冲击破岩机构(2)开始工作，增强表面的破碎程度。

(2)样品采集：周边气体喷嘴9喷气，气压0.2MPa，形成气流激励表面样品向上运动，使气体携带颗粒样品进入样品通道4内。

(3)样品受气体激励进入样品通道5后，密闭门4进行关闭，其上的多组气孔41开始喷气，对样品进行接力向上传输，此时采样器可以离开行星表面，依靠自身内部完成密封状态下的样品传输。

(4)样品进入样品容器：气流与样品进入样品容器7，受导流结构作用单向流动，气流通过出口滤网8排出，并将样品留在样品容器7内。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于地外天体的触碰采样器，其特征在于，包括：采样导流罩(1)、气动冲击破岩机构(2)、柔性弹簧(3)、密闭门(4)、样品通道(5)、气动展开机构(6)、样品容器(7)、出口滤网(8)、气体激励喷嘴(9)；采样导流罩(1)位于所述触碰采样器底端，内部具有圆弧形结构，用于气体向上导流；气体激励喷嘴(9)位于采样导流罩(1)内侧，用于对底部的样品进行气体激励；气动冲击破岩机构(2)安装在采样导流罩(1)内侧，对样品进行冲击粉碎；柔性弹簧(3)安装在采样导流罩(1)上端，能够压缩和转动变形；气动展开机构(6)安装在柔性弹簧(3)上端，采用气体驱动，具有内外双筒的活塞结构，实现沿轴向方向的展开；样品通道(5)安装在气动展开机构(6)内，一端与采样导流罩(1)的内部的腔体相连接，另一端与样品容器(7)连接；密闭门(4)安装在样品通道(5)中，由电机控制进行旋转，完成样品通道(5)的开放与关闭；样品容器(7)固定于气动展开机构(6)上端，内部具有斜楔形结构和收集腔体结构，使气体携带样品单向流动到收集腔体内，气流通过出口滤网(8)排出，并将样品留在样品容器(7)内；

密闭门(4)为圆盘结构，密闭门(4)的主体结构(42)上均匀分布多组气孔(41)，当密闭门(4)关闭后，密闭门上的多组气孔开始喷气，在采样器内部密封状态下，通过气孔(41)进行样品的气力传输；

气动冲击破岩机构(2)采用5～10MPa的气体驱动活塞机构，实现对样品的往复冲击。

2.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的触碰采样器，其特征在于，采样导流罩(1)为圆筒形结构。

3.根据权利要求2所述的一种适用于地外天体的触碰采样器，其特征在于，样品通道(5)为柔性管，材料为聚醚醚酮PEEK。

4.根据权利要求3所述的一种适用于地外天体的触碰采样器，其特征在于，样品容器(7)中间设置防止样品回流的限位结构。

5.根据权利要求4所述的一种适用于地外天体的触碰采样器，其特征在于，柔性弹簧(3)的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti。

6.如权利要求1～5任一项所述的适用于地外天体的触碰采样器的使用方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1、控制探测器下落并伸出采样器，当采样导流罩(1)前端接触星体表面时，控制气动冲击破岩机构(2)开始工作；

步骤2、启动周边气体激励喷嘴(9)喷气，形成气流激励表面样品向上运动，使气体携带颗粒样品进入样品通道(5)内；

步骤3、当样品受气体激励进入样品通道(5)后，控制密闭门(4)关闭，开启气孔(41)进行喷气，对样品进行向上传输进入样品容器(7)，气流通过出口滤网(8)排出，样品留在样品容器(7)内。