CN112504726B - 一种月球极区深层水冰采样探测装置 - Google Patents

一种月球极区深层水冰采样探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种月球极区深层水冰采样探测装置，包括：机械臂、探测弹、采样组件及控制单元；探测弹、采样组件及控制单元均安装在机械臂上；机械臂用于通过本身构型的变化来控制探测弹的侵彻角度及采样组件的空间位姿，且机械臂上设有与探测弹连接的机电接口，机电接口与所述控制单元电气连接；探测弹用于接收控制单元的起爆指令后，控制探测弹的弹头以动能侵彻方式潜入到探测区域的预定深度，弹头侵入过程中形成的孔道作为采样组件的采样通道；采样组件用于在机械臂辅助下进入采样通道内，对采样通道侧壁上的探测对象进行样品采集；本发明能够对以月球极区深层水冰采样为代表的地外天体进行低能耗、小反力、低热扰动快速采集及原位探测。

Description

一种月球极区深层水冰采样探测装置
技术领域
本发明属于深空探测技术领域，具体涉及一种月球极区深层水冰采样探测装置。
背景技术
目前针对地外天体采样方式主要有两种：浅表层采样与深层采样。浅表层采样的目标对象是地外天体表层松散分布层样品，深层采样则是对表层松散层以下的地质样品进行采集。与浅表层采样相比，深层采样除了能获取深层地质样品外，还可获得探测区域地质组构、特殊物质的赋存形式、层理分布等更丰富、更真实的科学探测数据，但深层采样技术难度大、对探测器平台要求高。
目前，地外天体深层采样的主要技术途径是回转钻进采样，其主要工作流程是：1)通过钻进方式抵达深层采样区；2)然后通过钻具头部集成的采样工具完成对采样区样品的采集；3)利用专用转移机构实现采集样品向分析载荷设备的转移。从技术特性来讲，回转钻进技术具有技术成熟、可靠性高等技术优势，但同时也具有钻压力大、功耗高、温升高、效率低等固有技术劣势。
针对月球极区永久阴影坑深层水冰采样探测而言，因任务期间无法获取太阳能补充，探测器可利用能源极其有限，对采样功耗、采样时间等提出极高要求；同时考虑水冰赋存形式对温度敏高，故对采样过程中的温升要求极为严苛；综合考虑，回转钻进技术不宜用于月球极区永久阴影坑深层水冰采样探测，亟待开发研制一种全新的采样探测装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种月球极区深层水冰采样探测装置，由机械臂、探测弹及采样组件构成，能够对以月球极区深层水冰采样为代表的地外天体进行低能耗、小反力、低热扰动快速采集及原位探测。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种月球极区深层水冰采样探测装置，安装在外部的探测器上，所述探测装置包括：机械臂、探测弹、采样组件及控制单元；
所述探测弹、采样组件及控制单元均安装在机械臂上；
所述机械臂用于通过本身构型的变化来控制探测弹的侵彻角度及采样组件的空间位姿，且机械臂上设有与探测弹连接的机电接口，所述机电接口与所述控制单元电气连接；
所述探测弹用于接收控制单元的起爆指令后，控制探测弹的弹头以动能侵彻方式潜入到探测区域的预定深度，弹头侵入过程中形成的孔道作为采样组件的采样通道，同时，潜入到探测区域内的弹头内嵌的传感器可对探测对象的物性信息进行原位探测；
所述采样组件用于在机械臂辅助下进入采样通道内，对采样通道侧壁上的探测对象进行样品采集，同时对探测对象的机械特性与电学参数进行原位探测及对探测对象的组分信息进行光谱探测。
进一步的，所述机械臂包括：一个安装基座、两个以上关节组及两个臂杆；
所述安装基座固定在所述探测器上；
两个臂杆分别为第一臂杆和第二臂杆；令每个臂杆的两端分别为M端和N端；
第一臂杆的M端通过关节组安装在安装基座上，第一臂杆的N端通过关节组与第二臂杆的M端活动连接；第二臂杆的N端通过关节组与所述采样组件活动连接；
其中，所述第二臂杆的M端设有与探测弹连接的机电接口；
每个所述关节组均包括两个关节，两个关节均与所述控制单元电气连接；两个关节分别安装在待连接的两个部件上，通过两个关节的活动连接，实现两个部件的活动连接；
所述控制单元通过控制关节组中两个关节的相对位置，可以控制机械臂的两个臂杆的构型，使得机械臂具有五个以上自由度，以对探测弹的侵彻角度的控制及对采样组件的空间位姿的调整。
进一步的，所述探测弹包括：固定座、安装在固定座内的两个以上点火器及两个以上弹体；所述点火器与弹体的个数相同；
所述固定座的顶部为U型结构，底部为U型结构的每个侧板均向下延伸出的两个支板；每个所述侧板上分别加工有用于安装弹体的两个安装孔；每个所述支板上均设有机电接口装置，且两个以上所述机电接口装置分别与两个以上所述点火器一一对应电气连接；所述固定座的机电接口装置与第二臂杆的M端的第一机电接口配合连接，实现固定座与第二臂杆的机械连接及两个以上所述点火器分别与所述控制单元的电气连接；所述点火器接收所述控制单元输出的起爆电流后，引爆弹体；
所述弹体安装在固定座的安装孔内，且两个以上弹体的轴线均与所述第二臂杆的长度方向平行。
进一步的，每个所述弹体均包括：弹管、弹头、反冲体、第一密封结构、第二密封结构及爆燃剂；
所述弹头安装在弹管的一端，反冲体安装在弹管的另一端，爆燃剂安装在弹管内部，并位于弹头和反冲体中间；且爆燃剂的一端与弹头之间安装有第一密封结构，爆燃剂的另一端与反冲体之间安装有第二密封结构，所述第一密封结构和第一密封结构使得所述爆燃剂所在空腔为封闭腔；所述爆燃剂所在的封闭腔与对应的所述点火器的点火端相通，点火器通过点燃爆燃剂引爆弹体。
进一步的，所述弹头05内嵌有传感器，所述传感器用于对探测对象的物性信息进行原位探测。
进一步的，所述采样组件包括：驱动模块、采样杆体及工具头；
所述驱动模块通过关节组安装在第二臂杆的N端上，所述采样杆体的一端安装在驱动模块上，所述采样杆体的另一端安装有工具头；所述工具头用于对样品进行采集，并将样品封装储存，同时对探测对象的机械特性与电学参数进行原位探测及对探测对象的组分信息进行光谱探测；所述驱动模块在控制单元的控制下，用于控制采样刀齿的伸缩运动及采样杆体的旋转运动、采样杆体的直线运动。
进一步的，所述工具头包括：工具头主体、采样刀齿、样品室、钻头、物性传感器阵列及光学探测头；
所述工具头主体的一端固定在采样杆体上，另一端安装有钻头；
所述工具头主体上靠近钻头的所在端安装有物性传感器阵列及两个以上光学探测头；所述物性传感器阵列用于对探测对象的机械特性与电学参数进行原位探测；所述光学探测头用于对探测对象的组分信息进行光谱探测。
所述工具头主体的中部安装有采样刀齿及样品室，所述采样刀齿的末端伸入到样品室内，采样刀齿铲削的样品进入样品室保存。
有益效果：(1)本发明的机械臂能够实现对采样组件与探测弹的辅助定位及采集样品的转移；探测弹能够解决对采样通道的低功耗、小反力、快速构建难题；采样组件能够实现对采样通道侧壁样品的低热扰动、小反力样品采集及对采样区的原位探测。
(2)本发明中的探测弹充分利用爆燃剂爆炸时化学能高能量密度的优势，通过化学能向动能的转化实现探测弹的弹头对目标探测区域的动能侵彻，几乎不消耗电功耗即可快速(秒级)形成采样通道；解决了永久阴影坑内探测器无法利用太阳辐照实现电能源补给条件下的快速高效、低电功耗采样探测技术问题；而现有回转钻进技术需要较大的电功耗(几十瓦)及较长的钻进时间(几十分钟)。
(3)本发明中的探测弹设有反冲体，在探测弹的弹头侵入月壤的同时，反冲体反向飞离月面，整个采样通道构建过程对探测器几乎不形成反力；同时，本发明中的采样组件仅对采样通道的侧壁进行采样，采样过程依靠工具头的内力完成，整个采样过程对探测器也不形成反力；解决了月球低重力环境与探测器抗倾覆约束下的小反力采样探测技术问题；而现有回转钻进技术在钻进过程中需要较大的正压力(反力大)，钻压反力对探测器倾覆扰动大。
(4)本发明中的采样组件对采样通道的侧壁进行采样的过程为低速切削采样，采样过程热扰动小，有利于样品的高保真采集；解决了针对高硬度水冰与月壤混合物的低热扰动(作业温升低)采样探测技术问题；而现有回转钻进技术钻头处温升高，对样品区热扰动大，不利于样品高保真采集。
附图说明
图1为本发明的收拢状态组成图；
图2为本发明的展开状态组成图；
图3为探测弹的组成图；
图4为弹体的组成图；
图5为工具头的组成图；
图6为本发明的工作原理图；
其中，A-探测弹，A01-起爆组件，A02-弹体，A03-机电接口装置，A04-弹管，A05-弹头，A06-反冲体，A07-第一密封结构，A08-爆燃剂，A09-第二密封结构，A10-固定座，B-采样组件，B01-驱动模块，B02-采样杆体，B03-工具头，C-机械臂，C01-安装基座，C02-关节组，C03-两个臂杆，B03-1-采样刀齿，B03-2-样品室，B03-3-钻头，B03-4-物性传感器阵列，B03-5-光学探测头。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种月球极区深层水冰采样探测装置，安装在外部的探测器上，参见附图1-2，所述探测装置包括：机械臂C、探测弹A、采样组件B及控制单元；
所述探测弹A、采样组件B及控制单元均安装在机械臂C上；
所述机械臂C用于通过本身构型的变化来控制探测弹A的侵彻角度及采样组件B的空间位姿，且机械臂C上设有与探测弹A连接的机电接口，所述机电接口与所述控制单元电气连接；
所述探测弹A用于接收控制单元的起爆指令后，控制探测弹A的弹头以动能侵彻方式潜入到探测区域的预定深度，弹头侵入过程中形成的孔道作为采样组件B的采样通道，同时，潜入到探测区域内的弹头内嵌的传感器可对探测对象的物性信息进行原位探测，获取探测对象的物性信息，所述物性信息包括：探测对象的力、热、电信息、水冰物质组分；
所述采样组件B用于在机械臂辅助下进入采样通道内，对采样通道侧壁上的探测对象进行样品采集，同时对探测对象的机械特性与电学参数进行原位探测及对探测对象的组分信息进行光谱探测。
本实施例中，所述探测区域为月壤的水冰深层，所述探测对象为深层水冰物质；
其中，所述机械臂C包括：一个安装基座C01、两个以上关节组C02及两个臂杆C03；
所述安装基座C01固定在所述探测器上；
两个臂杆C03分别为第一臂杆和第二臂杆；令每个臂杆C03的两端分别为M端和N端；
第一臂杆的M端通过关节组C02安装在安装基座C01上，第一臂杆的N端通过关节组C02与第二臂杆的M端活动连接；第二臂杆的N端通过关节组C02与所述采样组件B活动连接；
其中，所述第二臂杆的M端设有与探测弹A连接的机电接口；
每个所述关节组C02均包括两个关节，两个关节均与所述控制单元电气连接；两个关节分别安装在待连接的两个部件上，通过两个关节的活动连接，实现两个部件的活动连接；
所述控制单元通过控制关节组C02中两个关节的相对位置，可以控制机械臂C的两个臂杆C03的构型，使得机械臂C具有五个以上自由度，实现对探测弹的侵彻角度的控制及对采样组件B的空间位姿的调整；
所述探测弹A包括：起爆组件A01及安装在起爆组件A01上的四个弹体A02；
参见附图3，所述起爆组件A01包括：固定座A10及安装在固定座A10内的四个点火器；
所述固定座A10的顶部为U型结构，底部为U型结构的每个侧板均向下延伸出的两个支板；每个所述侧板上分别加工有用于安装弹体A02的两个安装孔；每个所述支板上均设有机电接口装置A03，且四个所述机电接口装置A03分别与四个所述点火器一一对应电气连接；所述固定座A10的机电接口装置A03与第二臂杆的M端的第一机电接口配合连接，实现固定座A10与第二臂杆的机械连接及四个所述点火器分别与所述控制单元的电气连接；所述点火器接收所述控制单元输出的起爆电流后，引爆弹体A02；
所述弹体A02安装在固定座A10的安装孔内，且四个弹体A02的轴线均与所述第二臂杆的长度方向平行；参见附图4，每个弹体A02均包括：弹管A04、弹头A05、反冲体A06、第一密封结构A07、第二密封结构A09及爆燃剂A08；
所述弹头A05安装在弹管A04的一端，反冲体A06安装在弹管A04的另一端，爆燃剂A08安装在弹管A04内部，并位于弹头A05和反冲体A06中间；且爆燃剂A08的一端与弹头A05之间安装有第一密封结构A07，爆燃剂A08的另一端与反冲体A06之间安装有第二密封结构A09，所述第一密封结构A07和第一密封结构A09使得所述爆燃剂A08所在空腔为封闭腔；所述爆燃剂A08所在的封闭腔与对应的所述点火器的点火端相通，点火器通过点燃爆燃剂A08引爆弹体A02；所述弹头A05内嵌有传感器，所述传感器通过无线方式与控制单元电气连接；所述传感器用于对深层水冰物质的物性信息进行原位探测，获取深层水冰物质的物性信息，所述物性信息包括：探测对象的力、热、电信息、水冰物质组分；
所述采样组件B包括：驱动模块B01、采样杆体B02及工具头B03；
所述驱动模块B01通过关节组C02安装在第二臂杆的N端上，所述采样杆体B02的一端安装在驱动模块B01上，所述采样杆体B02的另一端安装有工具头B03；所述工具头B03用于对样品进行采集，并将样品封装储存；所述驱动模块在控制单元的控制下，用于控制采样刀齿的伸缩运动、采样杆体B02的旋转运动、采样杆体B02的直线运动；
参见附图5，所述工具头B03包括：工具头主体、采样刀齿B03-1、样品室B03-2、钻头B03-3、物性传感器阵列B03-4及光学探测头B03-5；
所述工具头主体的一端固定在采样杆体B02上，另一端安装有钻头B03-3；
所述工具头主体上靠近钻头B03-3的所在端安装有物性传感器阵列B03-4及两个以上光学探测头B03-5，且物性传感器阵列B03-4及光学探测头B03-5分别通过导线与控制单元电气连接；所述物性传感器阵列B03-4用于对深层水冰物质的机械特性与电学参数进行原位探测；所述光学探测头B03-5用于对深层水冰物质的组分信息进行光谱探测；
所述工具头主体的中部安装有采样刀齿B03-1及样品室B03-2，所述采样刀齿B03-1的末端伸入到样品室B03-2内，使得采样刀齿B03-1采集到的样品，便于存入样品室B03-2内；
工作原理：当探测装置未工作时，所述控制单元通过关节组C02控制所述探测装置处于收拢状态，参见附图1，此时，机械臂C的第一臂杆、第二臂杆及采样组件B的采样杆体B02并列平行，且采样杆体B02上的工具头B03位于第二臂杆M端上的固定座A10的两个侧板之间；
当探测装置对月球的水冰深层进行探测取样工作时，所述控制单元通过关节组C02控制所述机械臂C的第一臂杆、第二臂杆及采样组件B的采样杆体B02展开到设定姿态，参见附图2和图6，具体步骤如下：
第一步，所述控制单元通过关节组C02控制采样杆体B02转动到其与所述探测弹A分别位于第二臂杆的两侧的位置，即不与探测弹A的轴向相干涉的位置；
第二步，所述控制单元给选定的一个所述点火器输出起爆电流，所述点火器引爆对应的一个弹体A02的爆燃剂A08，爆燃剂A08爆炸后将化学能转化为探测弹A的弹头A05动能，即爆燃剂A08爆炸产生的高压气体分别推动第一密封结构A07和第二密封结构A09相背运动；进而第一密封结构A07推动弹头A05高速射出，第二密封结构A09推动反冲体A06反向高速射出；高速射出的弹头A05以动能侵彻方式潜入到水冰深层的预定深度，弹头侵入过程中形成的孔道作为采样组件B的采样通道；
第三步，通过弹头A05内嵌的传感器对深层水冰物质机械特性进行原位探测，获取深层水冰物质的物性信息，所述物性信息包括：深层水冰物质的力、热、电信息；所述传感器进行探测的物性信息以无线方式传输给控制单元；
第四步，所述机械臂C将采样组件B送入所述采样通道中，通过采样组件B的工具头B03在驱动模块B01的驱动下,利用采样刀齿B03-1对采样通道侧壁上的深层水冰物质进行低速切削采集，并将样品封装至样品室B03-2中；采样同时利用工具头B03上的物性传感器阵列B03-4对水冰物质机械特性与电学参数进行原位探测，并通过有线方式传输给控制单元；采样同时利用光学探测头B03-5对深层水冰物质组分信息进行光谱探测，并通过有线方式传输给控制单元；
第五步，探测采样结束后，通过所述机械臂C携带采样组件B移动，实现深层水冰物质的样品转移。
由于探测弹A上设有四个弹体A02(弹体数量可根据任务需求增减)，可对四个不同区域进行探测采样。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种月球极区深层水冰采样探测装置，安装在外部的探测器上，其特征在于，所述探测装置包括：机械臂、探测弹、采样组件及控制单元；
所述探测弹、采样组件及控制单元均安装在机械臂上；
所述机械臂用于通过本身构型的变化来控制探测弹的侵彻角度及采样组件的空间位姿，且机械臂上设有与探测弹连接的机电接口，所述机电接口与所述控制单元电气连接；
所述探测弹用于接收控制单元的起爆指令后，控制探测弹的弹头以动能侵彻方式潜入到探测区域的预定深度，弹头侵入过程中形成的孔道作为采样组件的采样通道，同时，潜入到探测区域内的弹头内嵌的传感器可对探测对象的物性信息进行原位探测；
所述采样组件用于在机械臂辅助下进入采样通道内，对采样通道侧壁上的探测对象进行样品采集，同时对探测对象的机械特性与电学参数进行原位探测及对探测对象的组分信息进行光谱探测。
2.如权利要求1所述的一种月球极区深层水冰采样探测装置，其特征在于，所述机械臂包括：一个安装基座、两个以上关节组及两个臂杆；
所述安装基座固定在所述探测器上；
两个臂杆分别为第一臂杆和第二臂杆；令每个臂杆的两端分别为M端和N端；
第一臂杆的M端通过关节组安装在安装基座上，第一臂杆的N端通过关节组与第二臂杆的M端活动连接；第二臂杆的N端通过关节组与所述采样组件活动连接；
其中，所述第二臂杆的M端设有与探测弹连接的机电接口；
每个所述关节组均包括两个关节，两个关节均与所述控制单元电气连接；两个关节分别安装在待连接的两个部件上，通过两个关节的活动连接，实现两个部件的活动连接；
所述控制单元通过控制关节组中两个关节的相对位置，可以控制机械臂的两个臂杆的构型，使得机械臂具有五个以上自由度，以实现对探测弹的侵彻角度的控制及对采样组件的空间位姿的调整。
3.如权利要求2所述的一种月球极区深层水冰采样探测装置，其特征在于，所述探测弹包括：固定座、安装在固定座内的两个以上点火器及两个以上弹体；所述点火器与弹体的个数相同；
所述固定座的顶部为U型结构，底部为U型结构的每个侧板均向下延伸出的两个支板；每个所述侧板上分别加工有用于安装弹体的两个安装孔；每个所述支板上均设有机电接口装置，且两个以上所述机电接口装置分别与两个以上所述点火器一一对应电气连接；所述固定座的机电接口装置与第二臂杆的M端的机电接口配合连接，实现固定座与第二臂杆的机械连接及两个以上所述点火器分别与所述控制单元的电气连接；所述点火器接收所述控制单元输出的起爆电流后，引爆弹体；
所述弹体安装在固定座的安装孔内，且两个以上弹体的轴线均与所述第二臂杆的长度方向平行。
4.如权利要求3所述的一种月球极区深层水冰采样探测装置，其特征在于，每个所述弹体均包括：弹管、弹头、反冲体、第一密封结构、第二密封结构及爆燃剂；
所述弹头安装在弹管的一端，反冲体安装在弹管的另一端，爆燃剂安装在弹管内部，并位于弹头和反冲体中间；且爆燃剂的一端与弹头之间安装有第一密封结构，爆燃剂的另一端与反冲体之间安装有第二密封结构，所述第一密封结构和第二密封结构使得所述爆燃剂所在空腔为封闭腔；所述爆燃剂所在的封闭腔与对应的所述点火器的点火端相通，点火器通过点燃爆燃剂引爆弹体。
5.如权利要求4所述的一种月球极区深层水冰采样探测装置，其特征在于，所述弹头内嵌有传感器，所述传感器用于对探测对象的物性信息进行原位探测。
6.如权利要求2所述的一种月球极区深层水冰采样探测装置，其特征在于，所述采样组件包括：驱动模块、采样杆体及工具头；
所述驱动模块通过关节组安装在第二臂杆的N端上，所述采样杆体的一端安装在驱动模块上，所述采样杆体的另一端安装有工具头；所述工具头用于对样品进行采集，并将样品封装储存，同时对探测对象的机械特性与电学参数进行原位探测及对探测对象的组分信息进行光谱探测；所述驱动模块在控制单元的控制下，用于控制采样杆体的旋转运动、采样杆体的直线运动。
7.如权利要求6所述的一种月球极区深层水冰采样探测装置，其特征在于，所述工具头包括：工具头主体、采样刀齿、样品室、钻头、物性传感器阵列及光学探测头；
所述工具头主体的一端固定在采样杆体上，另一端安装有钻头；
所述工具头主体上靠近钻头的所在端安装有物性传感器阵列及两个以上光学探测头；所述物性传感器阵列用于对探测对象的机械特性与电学参数进行原位探测；所述光学探测头用于对探测对象的组分信息进行光谱探测；
所述工具头主体的中部安装有采样刀齿及样品室，所述采样刀齿的末端伸入到样品室内，采样刀齿铲削的样品进入样品室保存；
所述驱动模块还控制采样刀齿的伸缩运动。
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