CN111947966A - 一种适用于地外天体的快速破岩采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于地外天体的快速破岩采样装置，包括：采样导流罩、冲击凿岩器等；多组冲击凿岩器倾斜安装在采样导流罩上，样品导流结构安装在采样导流罩下端中部；主气体喷嘴安装在样品导流结构上，喷嘴方向向上；样品容器安装在采样导流罩上端，与采样导流罩连通；多个周边气体喷嘴沿周向均匀分布在采样导流罩底端；设定周边气体喷嘴的喷气角度，与主气体喷嘴同时喷气产生气旋激励表面样品向上运动，同时形成气帘密封，防止气体向采样导流罩外部泄漏，主气体喷嘴对激励起来的颗粒进行接力传送，使样品进入样品容器。本发明的采样装置可以适应探测器附着与接触采样，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快速破岩采样装置

技术领域

本发明涉及一种破岩采样装置，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快速破岩采样装置，采样装置可以适应探测器附着与接触采样，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快速破岩采样装置，包括：采样导流罩、冲击凿岩器、样品导流结构、样品容器、周边气体喷嘴、主气体喷嘴、出口滤网；多组冲击凿岩器倾斜安装在采样导流罩上，左右对称布置，驱动采用气动或火工作动；样品导流结构安装在采样导流罩下端中部；主气体喷嘴安装在样品导流结构上，喷嘴方向向上；样品容器安装在采样导流罩上端，与采样导流罩连通；出口滤网设置在样品容器两侧壁面上，气流通过出口滤网排出，并将样品留在样品容器内；多个周边气体喷嘴沿周向均匀分布在采样导流罩底端；设定周边气体喷嘴的喷气角度，与主气体喷嘴同时喷气产生气旋激励表面样品向上运动，同时形成气帘密封，防止气体向采样导流罩外部泄漏，主气体喷嘴对激励起来的颗粒进行接力传送，使样品进入样品容器。

采样导流罩的上端为圆弧形壳体，下端为平面开口端。

样品导流结构为杆状，横截面呈三角形状，样品导流结构两端分别与采样导流罩下端内壁连接，对破碎溅射的颗粒进行折射导向，实现定向采集。

样品容器内部设置有锥形结构，使气体携带样品流向两侧，底面上对称设置限位结构，防止样品回流。

样品容器与采样导流罩之间的连接通道为锥形。

周边气体喷嘴喷出气体的气压≥0.05MPa。

主气体喷嘴喷出气体的气压≥0.1MPa。

冲击凿岩器共六组。

所述的适用于地外天体的快速破岩采样装置的使用方法，包括步骤如下：

步骤1、当采样导流罩前端接触星体表面时，控制6组冲击凿岩器中左右对称的2组冲击凿岩器同时开始工作，对岩石进行破碎，破碎溅射物受样品导流结构导向后，产生折射向上运动；

步骤2、控制周边气体喷嘴与主气体喷嘴同时喷气，使得气流带动样品进入样品容器，并受导流结构作用流向两侧，将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，本发明采用高速冲击碎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。本发明同样适用于地球表面采样。

(2)本发明在破岩时采用多组高速弹体凿岩器，进行非接触、对称式的高速冲击，驱动采用高压气动或火工作动，高速弹体岩导向结构，高速侵彻岩石完成破碎，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)本发明采样导流罩内具有导流结构，能够对破碎溅射的颗粒进行折射导向，样品颗粒折射后向上运动进入样品容器，实现定向采集，具有采样与收集效率高的特点。

(4)本发明针对气体激励进行了导流流道设计，周边气体喷嘴产生气旋激励表面样品向上运动，同时形成气帘密封防止气体向外部泄漏，主气体喷口对激励起来的颗粒进行接力传送，具有传输效率高的特点。

(5)本发明的样品容器通过结构设计导流流向两侧，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。

(6)本发明进行破岩、采样、样品回收功能集成，在短时间内完成破岩、采样、样品回收，实现精巧化、破岩与采样同时完成样品回收，实现精巧化、一体化设计。

附图说明

图1是本发明采样装置整体构型(剖面)图。

图2是本发明采样装置俯视图。

图3是本发明采样过程中气流与样品运动方向图。

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。

实施例：

如图1～3所示，采样装置主要由采样导流罩1、冲击凿岩器2、样品导流结构3、样品容器4、周边气体喷嘴5、主气体喷嘴6、出口滤网7组成。其中采样导流罩1上端为圆弧形壳体，下端为平面开口端，便于气体向上导流；冲击凿岩器2倾斜安装在采样导流罩1上，左右对称布置，共安装6组，驱动采用高压气动或火工作动；样品导流结构3为杆状，横截面呈三角形状，样品导流结构3两端分别与采样导流罩1下端内壁连接，能够对破碎溅射的颗粒进行折射导向，实现定向采集；样品容器4位于采样导流罩1上端，内部具有锥形结构，使气体携带样品流向两侧，气流通过出口滤网7排出，并将样品留在样品容器内，两侧设计有限位结构，有效防止样品回流。

周边气体喷嘴5位于在采样导流罩底端，周向均匀布置多个，对周边气体喷嘴5进行角度设计，周边气体喷嘴5同时喷气产生气旋激励表面样品向上运动并形成气帘密封，防止气体向采样导流罩1外部泄漏，主气体喷嘴6安装于样品导流结构3上，喷嘴方向向上，对激励起来的颗粒进行接力传送，使样品进入样品容器4。

(1)高速冲击碎岩与气体激励收集复合设计

采样装置的采样导流罩1前端接触星体表面时，冲击凿岩器开始工作，增强表面的破碎程度，然后气体喷嘴喷入气体，在气流的作用下，使表面碎屑流体化，随气流一起被吹进样品容器4。

(2)非接触、对称式的高速冲击破岩设计

多组高速弹体凿岩器2对称、倾斜安装在采样导流罩1两侧，驱动采用高压气动或火工作动，高速弹体沿导向结构，高速侵彻岩石完成破碎，在短时间内完成高效破岩。

(3)样品导流结构设计

采样导流罩1中间安装有样品导流结构3，样品导流结构3呈三角形状，能够对破碎溅射的颗粒进行折射导向，样品颗粒折射后向上运动进入样品容器4，实现定向采集。

(4)气体激励收集导流流道设计

周边气体喷嘴5位于在采样导流罩1底端，周向均匀布置多个，同时喷气产生气旋激励表面样品向上运动，同时周边气体喷嘴5形成气帘密封，防止气体向采样导流罩1外部泄漏，主气体喷嘴6方向向上，对激励起来的颗粒进行接力传送，使样品进入样品容器4。

(5)样品容器导流设计

样品进入样品容器4后通过锥形结构，最终流向两侧，气流通过出口滤网7排出，并将样品留在样品容器内，两侧设计有限位结构，有效防止样品回流。

采样装置的工作过程是：探测器逐渐下落并伸出采样装置，采样装置的采样导流罩1前端接触星体表面时，冲击凿岩器2开始工作，增强表面的破碎程度，然后气体喷嘴喷入气体，在气流的作用下，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)高速弹体冲击碎岩：采样导流罩1前端接触星体表面时，6组冲击凿岩器2中的2组开始工作，左右对称同时高速侵彻岩石完成破碎，破碎溅射物受样品导流结构3导向后，产生折射向上运动。

(2)气体激励与传输：周边气体喷嘴5与主气体喷嘴6同时喷气，周边气体喷嘴5气压为0.05MPa，主气体喷嘴6气压为0.2MPa，周边气体喷嘴5产生气旋激励表面样品向上运动，同时形成气帘密封防止气体向外部泄漏，主气体喷嘴对激励起来的颗粒进行接力传送。

(3)样品进入样品容器：气流与样品进入样品容器，受导流结构作用流向两侧，气流通过出口滤网排出，并将样品留在样品容器内。

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 (9)

1.一种适用于地外天体的快速破岩采样装置，其特征在于，包括：采样导流罩(1)、冲击凿岩器(2)、样品导流结构(3)、样品容器(4)、周边气体喷嘴(5)、主气体喷嘴(6)、出口滤网(7)；

多组冲击凿岩器(2)倾斜安装在采样导流罩(1)上，左右对称布置，驱动采用气动或火工作动；样品导流结构(3)安装在采样导流罩(1)下端中部；主气体喷嘴(6)安装在样品导流结构(3)上，喷嘴方向向上；样品容器(4)安装在采样导流罩(1)上端，与采样导流罩(1)连通；出口滤网(7)设置在样品容器(4)两侧壁面上，气流通过出口滤网(7)排出，并将样品留在样品容器(4)内；多个周边气体喷嘴(5)沿周向均匀分布在采样导流罩(1)底端；设定周边气体喷嘴(5)的喷气角度，与主气体喷嘴(6)同时喷气产生气旋激励表面样品向上运动，同时形成气帘密封，防止气体向采样导流罩(1)外部泄漏，主气体喷嘴(6)对激励起来的颗粒进行接力传送，使样品进入样品容器(4)。

2.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的快速破岩采样装置，其特征在于，采样导流罩(1)的上端为圆弧形壳体，下端为平面开口端。

3.根据权利要求2所述的一种适用于地外天体的快速破岩采样装置，其特征在于，样品导流结构(3)为杆状，横截面呈三角形状，样品导流结构(3)两端分别与采样导流罩(1)下端内壁连接，对破碎溅射的颗粒进行折射导向，实现定向采集。

4.根据权利要求3所述的一种适用于地外天体的快速破岩采样装置，其特征在于，样品容器(4)内部设置有锥形结构，使气体携带样品流向两侧，底面上对称设置限位结构，防止样品回流。

5.根据权利要求4所述的一种适用于地外天体的快速破岩采样装置，其特征在于，样品容器(4)与采样导流罩(1)之间的连接通道为锥形。

6.根据权利要求5所述的一种适用于地外天体的快速破岩采样装置，其特征在于，周边气体喷嘴(5)喷出气体的气压≥0.05MPa。

7.根据权利要求6所述的一种适用于地外天体的快速破岩采样装置，其特征在于，主气体喷嘴(6)喷出气体的气压≥0.1MPa。

8.根据权利要求7所述的一种适用于地外天体的快速破岩采样装置，其特征在于，冲击凿岩器(2)共六组。

9.如权利要求1～8任一项所述的适用于地外天体的快速破岩采样装置的使用方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1、当采样导流罩(1)前端接触星体表面时，控制6组冲击凿岩器(2)中左右对称的2组冲击凿岩器(2)同时开始工作，对岩石进行破碎，破碎溅射物受样品导流结构(3)导向后，产生折射向上运动；

步骤2、控制周边气体喷嘴(5)与主气体喷嘴(6)同时喷气，使得气流带动样品进入样品容器(4)，并受导流结构作用流向两侧，将样品留在样品容器(4)内。

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