CN111947970B - 一种适用于地外天体的低反力复合采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种适用于地外天体的低反力复合采样装置，包括：1个转筒组件、1个砂轮组件、2个冲锤组件、2个轮刷组件和2个限位柱。三种采样工具轮刷、砂轮、冲锤均能实现低反力采样，轮刷通过弹性变形对大力载进行避让，砂轮通过控制进给速度实现低反力破岩，冲锤在每次冲击后会绕轴线转动实现回转避让。针对小天体采样对象不确定性强、采样具有低反作用力特性等特点，采用轮刷刮扫、砂轮切削、冲锤冲击等多采样工具高度集成耦合设计的方式，可适应星表的粉尘、块状颗粒及巨石等各种不同的采样对象，提高适应性。

Description

一种适用于地外天体的低反力复合采样装置

技术领域

本发明涉及一种适用于地外天体的低反力复合采样装置，属于行星采样技术领域。

背景技术

针对地外天体采样加以研究是目前深空探测的重要手段。地外天体尤其是小天体类星体，体积与质量很小，致使表面重力很小，在几乎没有重力的环境下，要实现长期着陆非常困难，而采样施加的力可能将探测器推离星体，这一特征决定了要在该类地外天体上采样必须具有反作用力小的特点。同时地外天体上的采样对象具有极大的不确定性，可能存在粉末、碎石颗粒、巨石等各种形态，要保证采样的成功率，采样方式既要能够采集松散的小颗粒样品，又要能破碎坚硬的岩石，即必须具有极好的采样对象适应性。

针对地外天体采样，尤其包括岩石采样的场合，目前主要有如下方法：专利CN102879219B提出了一种弹射撞击式采样器，该采样器采用与日本隼鸟号相同的原理采样，即通过发射弹射球体撞击小行星表面产生溅射尘粒加以收集，该方法虽然反力小，但是随机性大，采样量少，且不可重复，若需多次采样需消耗资源较多；专利CN104034557B提出了一种钻取与抓铲组合式采样器，可获取表层与深层样本，但抓铲不适合碎岩，钻取则只能获取粉末状样品，且反力较大；专利CN107966315A提出了一种钻取与扇片组合式采样器，其主要靠钻取产生粉末状样品，靠扇片高速旋转收集样品，该方法反力同样较大，且扇片仅适用于收集样品而不能用于碎岩。目前地面上针对碎岩应用较多的为冲击方式，如专利CN201620289312.3提出的一种修桥用电动冲击钻，包括电源箱、散热器、冲击减震器、减速器、冲击钻手柄和冲击电机；所述冲击钻手柄安装在电源箱的上方，所述电源箱的右表壁上安装有电源插口且冲击电机的下方安装有减速器，所述减速器的下方设置有冲击减震器，所述冲击减震器的右侧设置有紧固螺母板，且冲击减震器的下方设置有冲击头。该修桥用电动冲击钻结构设计合理，体积适中，使用时操作简单，机体设置有两个手柄，通过两个手柄更能掌控冲击钻的后坐力，同时该冲击钻可在冲击电钻和普通电钻之间进行切换，机体设置有多个安装卡头，电动冲击钻结设置有散热器，在高强度的作业中延长了电动冲击钻的使用寿命。地面常规冲击钻对岩石破碎很有效，但同样具有反作用力大的弊端，不适合用于低反力碎岩。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种适用于地外天体的低反力复合采样装置，解决了传统的钻取、冲击钻等采样方式反作用力大、适应性弱等问题，非常适合于有低反力需求、采样对象复杂的采样场合。

本发明解决的技术方案为：一种适用于地外天体的低反力复合采样装置，包括：转筒组件、砂轮组件、2个冲锤组件、2个轮刷组件和2个限位柱；

转筒组件由电机和转筒组成；

转筒为空心圆柱体结构，其内部为空心结构，用于安装电机，并与电机的输出轴配合，将电机的回转驱动传递至转筒，带动转筒转动，转筒外侧用于安装砂轮组件及轮刷组件；

砂轮组件共包括2片砂轮；2片砂轮与转筒同轴安装；单片砂轮上设置2个相对的豁口；冲锤组件安装在砂轮的豁口处；

冲锤组件包括3个冲锤、1个转轴和6个隔套；冲锤组件通过转轴支撑在砂轮组件上；3个冲锤套在转轴上，并能绕转轴回转；3个冲锤分别位于2片砂轮的两侧及中间，并通过隔套限定冲锤与砂轮侧面的距离；冲锤具有两个尖锐冲头，使每次冲击时均为冲头与岩石接触，实现出块；

在每个冲锤组件中冲锤转动的路径上设有限位柱，用于限制冲锤转动的极限位置；

轮刷组件包括3片轮刷，轮刷的刮扫面可覆盖砂轮及冲锤采样区域。

优选的，砂轮组件共包括2片砂轮；2片砂轮均为薄片结构，砂轮厚度以便于切削且刚度足够为准；砂轮与转筒同轴安装；砂轮在冲锤组件安装处开有让位豁口，单片砂轮共有2个豁口，2个豁口分布在砂轮直径两端。

优选的，冲锤组件中，转轴穿过2片砂轮，两端通过螺母锁紧，隔套是套在转轴上，每个冲锤两侧各设置1个隔套，冲锤具有两个尖锐冲头，且相对冲锤对称设置；两个尖锐冲头的尖锐方向背离。

优选的，冲锤位于初始位置时，其中一个尖锐冲头朝向砂轮转动方向，保证每次冲击时均为冲头与岩石接触。

优选的，两片砂轮中间的冲锤的尖锐冲头距离两砂轮侧面的距离均相等，砂轮两侧的冲锤的尖锐冲头距离与其最近的砂轮侧面的距离相等。

优选的，冲击点是冲锤尖锐冲头与岩石的接触点。

优选的，通过砂轮组件与冲锤组件错位设置，保证在砂轮切削岩石形成切缝后冲锤再与岩石接触。

优选的，轮刷组件包括3片轮刷、尾部安装座；3片轮刷在同一平面内布置，并分别位于2片砂轮的两侧及中间；轮刷安装在尾部安装座上，轮刷组件通过尾部安装座固定在转筒上。

优选的，单片轮刷沿转筒切向布置，轮刷长度以安装后刷毛末端与砂轮外圆面平齐为准。

优选的，轮刷刚度应同时满足采样过程的刚度需求及让位时的弹性变形需求；单套复合采样装置中共包括2个轮刷组件，2个轮刷组件沿转筒切向布置且相互平行，刷毛延伸方向相反。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明具有三种采样工具，轮刷、砂轮、冲锤均能实现低反力采样。

(2)本发明可适应星表的粉尘、块状颗粒及巨石等各种不同的采样对象，具有很强的采样对象适应性。

(3)本发明无论采样对象为何形态均可自动采样，不用根据对象选择合适的采样工具，具有高采样自适应性。

(4)本发明作业工具高度集成在很小的范围内，结构简单紧凑，体积小，重量轻。

(5)本发明采样仅需要提供必要的转速及扭矩即可，资源需求少。

(6)本发明适用于其他深空探测及民用领域的有低反力采样需求的场合。

附图说明

图1是本发明复合采样装置轴测图。

图2是本发明复合采样装置主视图。

图3是本发明复合采样装置左视图。

图4是本发明复合采样装置冲锤组件剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种适用于地外天体的低反力复合采样装置，包括：1个转筒组件、1个砂轮组件、2个冲锤组件、2个轮刷组件和2个限位柱。三种采样工具轮刷、砂轮、冲锤均能实现低反力采样，轮刷通过弹性变形对大力载进行避让，砂轮通过控制进给速度实现低反力破岩，冲锤在每次冲击后会绕轴线转动实现回转避让。针对小天体采样对象不确定性强、采样具有低反作用力特性等特点，采用轮刷刮扫、砂轮切削、冲锤冲击等多采样工具高度集成耦合设计的方式，可适应星表的粉尘、块状颗粒及巨石等各种不同的采样对象，提高适应性。

本发明针对小天体采样对象不确定性强、采样要求具有低反作用力特性等特点，采用轮刷刮扫、砂轮切削、冲锤冲击等多采样工具高度集成耦合设计的方式，可适应星表的粉尘、块状颗粒及巨石等各种不同的采样对象，提高方案的适应性。同时三种采样工具轮刷、砂轮、冲锤均能实现低反力采样，轮刷通过弹性变形对大力载进行避让，砂轮通过控制进给速度实现低反力破岩，冲锤在每次冲击后会绕轴线转动实现回转避让。此外该采样方案具有极高的采样自适应性，无论对象为何形态均可自动采样，不用根据对象选择合适的采样工具。面对粉尘及块状颗粒，轮刷起主要作用，砂轮和冲锤起过轮作用，不妨碍轮刷作业；面对巨石，砂轮和冲锤起主要作用，轮刷通过自身的弹性变形保证刷头紧贴巨石表面并及时对砂轮和冲锤所破碎的岩石样品进行收集。

本发明一种适用于地外天体的低反力复合采样装置，如图1、图2、图3、图4所示，包括：1个转筒组件、1个砂轮组件、2个冲锤组件、2个轮刷组件和2个限位柱；

如图1所示，1冲锤组件；2砂轮组件；3限位柱；4轮刷组件；5转筒组件

如图2所示，21砂轮；41轮刷；42尾部安装座；51转筒；52电机

如图4所示，11冲锤；12转轴；13隔套

转筒组件由电机和转筒组成，转筒为空心圆柱体结构，其内部为空心结构，用于安装电机，并与电机的输出轴配合，将电机的回转驱动传递至自身，其外圆柱面用于安装砂轮组件及轮刷组件；

本发明的优选方案为：砂轮组件优选包括2片砂轮；2片砂轮均为薄片结构，厚度以便于切削且刚度足够为准，优选砂轮厚度b为0.5mm～3mm，优选砂轮直径D与厚度比满足25≤D/b≤200；2片砂轮与转筒同轴安装；2片砂轮间距，优选取不妨碍冲锤正常运动的尽量小值(优选取6mm～20mm)，便于后续冲锤破岩；砂轮在冲锤组件安装处开有让位豁口，单片砂轮优选有2个豁口，2个豁口相对设置，且相对转筒中心轴对称；豁口两边界线延长线过砂轮中心，豁口大小以能保证冲锤组件冲击时砂轮不堵塞在切槽(即砂轮切割岩石产生的槽)中为准，便于岩石破碎；设冲锤初始安装时上端面距离砂轮中心距离为l，冲锤两冲头距离为s，则豁口两边界线夹角θ优选满足θ＞2arctg(0.5s/l)；采样时砂轮为高速回转(优选1000～5000rpm转速)进行岩石切削；以更好的提高采样的效率和质量。

冲锤组件优选包括3个冲锤、1个转轴和6个隔套；冲锤组件通过转轴支撑在砂轮组件上；转轴穿过2片砂轮，两端通过螺母锁紧；3个冲锤套在转轴上，并能绕转轴回转；3个冲锤分别位于2片砂轮的两侧及中间，并通过隔套限定冲锤与砂轮侧面的距离，隔套套在转轴上，每个冲锤两侧各设置1个隔套；冲锤具有两个尖锐冲头，且相对冲锤对称设置；冲锤位于初始位置时，其中一个尖锐冲头朝向砂轮转动方向，保证每次冲击时均为冲头与岩石接触；两片砂轮中间的冲锤的尖锐冲头距离两砂轮侧面的距离相等，砂轮两侧的冲锤的尖锐冲头距离与其最近的砂轮侧面的距离相等，且均等于两片砂轮中间的冲锤的尖锐冲头距离两砂轮侧面的距离，可保证且冲击点(冲锤尖锐冲头与岩石的接触点)尽量接近切缝(冲击点是冲锤尖锐冲头与岩石的接触点)，便于出块(即敲击形成岩块)；单套复合采样装置中包括2个冲锤组件，并布置在砂轮直径的两端有豁口处；冲锤组件与砂轮间进行错位设计，即以砂轮中心为圆心过初始安装位置的冲锤两冲头画包络圆，该圆直径d应小于砂轮直径D，且两者满足2≤D-b≤10(砂轮先接触岩石进行切割后，产生切槽后，然后冲锤与砂轮配合)，这样可进一步保证在砂轮切削岩石形成切缝后冲锤再与岩石接触；在每个冲锤组件冲锤转动的对应位置设计有限位柱，用于限制冲锤转动的极限位置，防止与轮刷组件碰撞；冲锤在工作时随砂轮高速回转，在离心作用下冲锤处于初始位置，在每次冲击后会绕轴线转动实现回转避让，之后在离心作用下又能自动恢复至初始位置便于进行下次冲击，进一步提高采样的效率和质量。

轮刷组件优选包括3片轮刷、尾部安装座；3片轮刷在同一平面内布置，并分别位于2片砂轮的两侧及中间，轮刷的刮扫面可覆盖砂轮及冲锤采样区域；单片轮刷沿转筒切向布置(优选转筒切线平行于单片轮刷所在的平面)，并通过尾部安装座与转筒固定；轮刷长度以安装后刷毛末端与砂轮外圆面平齐为准；轮刷刚度应同时满足采样过程的刚度需求及让位时的弹性变形需求；单套复合采样装置中共包括2个轮刷组件，2个轮刷组件沿转筒切向布置且相互平行(优选分别位于转筒直径两端)，轮刷刷毛延伸方向相反，轮刷朝向根据转筒转向确定，应使轮刷变形方向为趋近砂轮中心方向，防止发生卡滞；轮刷由刷毛组成，刷毛一端与尾部安装座固定，另一端为刷毛末端，刷毛材质优选黄铜，刷毛与尾部安装座固定方式优选铸造方式或压接方式。

本发明的复合采样装置的优选控制方式如下：

采样时电机驱动复合采样装置高速回转(即带动转筒转动)，回转方向沿图2顺时针方向；采样时砂轮高速回转切削岩石，切削过程中会产生粉末状样品，并在离心作用下沿砂轮旋转切线方向甩出便于收集；砂轮切削所形成的两切缝之间及两切缝两侧的岩石可看成是具有两条较近断裂边界的连续体，这为后续冲击破岩提供了裂纹扩展的边界。两组冲锤随砂轮高速回转并获取动能。当砂轮切削一定深度后冲锤开始与岩石接触。由于冲锤具有较大动能，当冲锤与岩石接触时将对岩石产生冲击作用。由于回转速度较高，且砂轮每转一转可产生两次冲锤冲击，因此可实现高频冲击。在上述高频冲击下，理论上一次冲击可产生四处块状样品，可保证获取足量样品。采用(柔性)轮刷可直接采集星表的粉尘及块状颗粒，同时可对砂轮及冲锤作业所产生的粉末状及块状样品进行采集回收。轮刷与砂轮具有相同的高速回转转速，可将样品扫起并在离心力作用下将样品定向送至外部回收容器。

该采样方案具有极高的采样自适应性，无论对象为何形态均可自动采样，不用根据对象选择合适的采样工具。面对粉尘及块状颗粒，轮刷起主要作用，砂轮和冲锤起过轮作用，不妨碍轮刷作业；面对巨石，砂轮和冲锤起主要作用，轮刷通过自身的弹性变形保证刷头紧贴巨石表面并及时对砂轮和冲锤所破碎的岩石样品进行收集。

本发明多采样工具高度集成设计实现高采样适应性，优选方案如下：

针对小天体采样对象不确定性强、采样具有低反作用力特性等特点，采用轮刷刮扫、砂轮切削、冲锤冲击等多采样工具高度集成耦合设计的方式，可适应星表的粉尘、块状颗粒及巨石等各种不同的采样对象，提高方案的适应性。同时三种采样工具轮刷、砂轮、冲锤均能实现低反力采样，轮刷通过弹性变形对大力载进行避让，砂轮通过控制进给速度实现低反力破岩，冲锤在每次冲击后会绕轴线转动实现回转避让。此外该采样方案具有极高的采样自适应性，无论对象为何形态均可自动采样，不用根据对象选择合适的采样工具。面对粉尘及块状颗粒，轮刷起主要作用，砂轮和冲锤起过轮作用，不妨碍轮刷作业；面对巨石，砂轮和冲锤起主要作用，轮刷通过自身的弹性变形保证刷头紧贴巨石表面并及时对砂轮和冲锤所破碎的岩石样品进行收集。

本发明的复合采样装置的双砂轮平行切割巨石产生粉末状样品并制造裂纹扩展边界，优选方案如下：

采用双砂轮近距离平行布局方式，采样时砂轮高速回转切削岩石，切削过程中会产生粉末状样品，并在离心作用下沿砂轮旋转切线方向甩出便于收集；砂轮切削所形成的两切缝之间及两切缝两侧的岩石可看成是具有两条较近断裂边界的连续体，这为后续冲击破岩提供了裂纹扩展的边界。

本发明的复合采样装置的冲锤高频动能冲击破岩获取块状样品，优选方案如下：

在砂轮直径两端各布置一组冲锤，每组冲锤由三个相同的冲锤组成，三者同轴布置，并分别位于两砂轮的两侧及中间，且冲头距离两砂轮侧面的距离均相等。两组冲锤随砂轮高速回转并获取动能。通过错位设计保证在砂轮切削岩石形成切缝后冲锤再与岩石接触。由于冲锤具有较大动能，当冲锤与岩石接触时将对岩石产生冲击作用。由于回转速度较高，且砂轮每转一转可产生两次冲击，因此可实现高频冲击。冲锤设计出尖锐冲头，保证每次冲击时均为冲头与岩石接触，且冲击点尽量接近切缝，便于出块。在上述高频冲击下，理论上一次冲击可产生四处块状样品，可保证获取足量样品。

本发明的复合采样装置的柔性轮刷离心定向采集块状及粉末状样品，优选方案如下：

优选采用柔性轮刷直接采集星表的粉尘及块状颗粒，同时可对砂轮及冲锤作业所产生的粉末状及块状样品进行采集回收。柔性轮刷共两组，每组三块，分别布置在两砂轮的两侧及中间，刮扫面可覆盖砂轮及冲锤采样区域。轮刷与砂轮具有相同的高速回转转速，可将样品扫起并在离心力作用下将样品定向送至回收部位。柔性轮刷可满足采样过程的刚度需求，并能在面对巨石等工况时通过被动式弯曲变形实现避让，保证采样的顺畅进行。

本发明更进一步的优选方案为：

砂轮在冲锤组件安装处开有让位豁口，单片砂轮共有2个豁口，2个豁口相对设置，且相对转筒中心轴对称；豁口两边界线延长线过砂轮中心；设冲锤初始安装时上端面距离砂轮中心距离为l，冲锤两冲头距离为s，则豁口两边界线夹角θ优选满足θ＞2arctg(0.5s/l)，这样能保证冲锤组件冲击时砂轮不堵塞在切槽中(即砂轮切割岩石产生的槽)，更有利于岩石破碎，从而实现进一步的高效率破岩。

本发明更进一步的优选方案为：设两砂轮间距为e，冲锤质量为m，冲锤质心距砂轮中心间距为t，砂轮转速为n，距离槽边单位长度的岩石破碎所需能量为W，W与岩石种类相关，通过试验可标定出不同岩石对应的数值，优选使砂轮转速n满足如下要求：

这样可保证冲锤有足够的冲击功来破碎岩石，进而进一步确保岩石采样的高成功率及可靠性。

本发明具有三种采样工具，轮刷、砂轮、冲锤均能实现低反力采样，本发明可适应星表的粉尘、块状颗粒及巨石等各种不同的采样对象，具有很强的采样对象适应性；且本发明无论采样对象为何形态均可自动采样，不用根据对象选择合适的采样工具，具有高采样自适应性。

本发明作业工具高度集成在很小的范围内，结构简单紧凑，体积小，重量轻，本发明采样仅需要提供必要的转速及扭矩即可，资源需求少，因此本发明适用于其他深空探测及民用领域的有低反力采样需求的场合。

Claims (8)

1.一种适用于地外天体的低反力复合采样装置，其特征在于包括：转筒组件、砂轮组件、2个冲锤组件、2个轮刷组件和2个限位柱；

转筒组件由电机和转筒组成；

转筒为空心圆柱体结构，其内部为空心结构，用于安装电机，并与电机的输出轴配合，将电机的回转驱动传递至转筒，带动转筒转动，转筒外侧用于安装砂轮组件及轮刷组件；

砂轮组件共包括2片砂轮；2片砂轮与转筒同轴安装；单片砂轮上设置2个相对的豁口；冲锤组件安装在砂轮的豁口处；

冲锤组件包括3个冲锤、1个转轴和6个隔套；冲锤组件通过转轴支撑在砂轮组件上；3个冲锤套在转轴上，并能绕转轴回转；3个冲锤分别位于2片砂轮的两侧及中间，并通过隔套限定冲锤与砂轮侧面的距离；冲锤具有两个尖锐冲头，使每次冲击时均为冲头与岩石接触，实现出块；

在每个冲锤组件中冲锤转动的路径上设有限位柱，用于限制冲锤转动的极限位置；

轮刷组件包括3片轮刷，轮刷的刮扫面可覆盖砂轮及冲锤采样区域；

砂轮直径D与厚度比满足25≤D/b≤200；

通过砂轮组件与冲锤组件错位设置，保证在砂轮切削岩石形成切缝后冲锤再与岩石接触；

单片轮刷沿转筒切向布置，轮刷长度以安装后刷毛末端与砂轮外圆面平齐为准。

2.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的低反力复合采样装置，其特征在于：砂轮组件共包括2片砂轮；2片砂轮均为薄片结构，砂轮厚度以便于切削且刚度足够为准；砂轮与转筒同轴安装；砂轮在冲锤组件安装处开有让位豁口，单片砂轮共有2个豁口，2个豁口分布在砂轮直径两端。

3.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的低反力复合采样装置，其特征在于：冲锤组件中，转轴穿过2片砂轮，两端通过螺母锁紧，隔套是套在转轴上，每个冲锤两侧各设置1个隔套，冲锤具有两个尖锐冲头，且相对冲锤对称设置；两个尖锐冲头的尖锐方向背离。

4.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的低反力复合采样装置，其特征在于：冲锤位于初始位置时，其中一个尖锐冲头朝向砂轮转动方向，保证每次冲击时均为冲头与岩石接触。

5.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的低反力复合采样装置，其特征在于：两片砂轮中间的冲锤的尖锐冲头距离两砂轮侧面的距离均相等，砂轮两侧的冲锤的尖锐冲头距离与其最近的砂轮侧面的距离相等。

6.根据权利要求5所述的一种适用于地外天体的低反力复合采样装置，其特征在于：冲击点是冲锤尖锐冲头与岩石的接触点。

7.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的低反力复合采样装置，其特征在于：轮刷组件包括3片轮刷、尾部安装座；3片轮刷在同一平面内布置，并分别位于2片砂轮的两侧及中间；轮刷安装在尾部安装座上，轮刷组件通过尾部安装座固定在转筒上。

8.根据权利要求7所述的一种适用于地外天体的低反力复合采样装置，其特征在于：轮刷刚度应同时满足采样过程的刚度需求及让位时的弹性变形需求；单套复合采样装置中共包括2个轮刷组件，2个轮刷组件沿转筒切向布置且相互平行，刷毛延伸方向相反。

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