CN113104235A - 一种可携带和传递月球样品的上升器 - Google Patents

一种可携带和传递月球样品的上升器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可携带和传递月球样品的上升器，包括：上升器本体以及安装在上升器本体上的样品封装系统、推进系统、交会对接系统和样品转移系统；所述样品封装系统位于上升器本体的顶部，用于密封封存采集的月球样品；所述推进系统为上升器的月面起飞、变轨和姿态控制提供推力；所述交会对接系统安装在上升器本体的顶部，用于交会对接过程中实现上升器与轨道器之间的通信，反馈上升器位置信号及姿态信号，并为两器对接提供连接作用；所述样品转移系统位于上升器本体内部，用于转移月球样品。

Description

一种可携带和传递月球样品的上升器
技术领域
本发明涉及深空探测技术领域，具体涉及一种可携带和传递月球样品的上升器。
背景技术
获得月球样品返回地球进行科学研究是深空探测任务的重要目标。2020年11月，我国嫦娥五号探测器成功实现了月球探测无人采样返回任务。嫦娥五号探测器由轨道器、着陆器、上升器和返回器共同组成，这四器形成的组合体进入环月轨道后，着陆器和上升器降落到月球表面并完成样品采集任务，轨道器与返回器留轨等待。上升器完成样品封装后，由月面起飞上升，并与轨道器和返回器在环月轨道交会对接样品转移。返回器随轨道器沿月地(月球-地球)转移轨道飞向地球，在接近地球时，与轨道器分离返回地面，完成全部飞行任务。
上升器在月面起飞前完成月球样品的密封封装，起飞后是独立飞行器携带月球样品完成月面起飞、月球轨道交会对接并与轨道器和返回器共同完成月球样品转移。上升器具有高纯环境月球样品密封封装、电磁与机械式样品容器分离、月面起飞上升、交会对接与样品容器转移功能；为保证上升器能够安全、可靠地完成月面采样样品转移的关键任务，需要解决现有技术中上升器起飞重量较大、系统消耗过多等难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可携带和传递月球样品的上升器，能够携带月球样品由月面起飞，在月球轨道与轨道器对接并传递样品。
本发明的技术方案为：一种可携带和传递月球样品的上升器，包括：上升器本体以及安装在上升器本体上的样品封装系统、推进系统、交会对接系统和样品转移系统；所述样品封装系统位于上升器本体的顶部，用于密封封存采集的月球样品；所述推进系统为上升器的月面起飞、变轨和姿态控制提供推力；所述交会对接系统安装在上升器本体的顶部，用于交会对接过程中实现上升器与轨道器之间的通信，反馈上升器位置信号及姿态信号，并为两器对接提供连接作用；所述样品转移系统位于上升器本体内部，用于转移月球样品。
优选地，所述上升器本体包括：顶板、隔板、底板、中心角盒、侧板和斜侧板，所述顶板和底板通过设置在二者之间的四块侧板和四块斜侧板围成箱式舱体，且侧板和斜侧板交错布置，每个斜侧板和与其相连的两个侧板之间均成135°夹角，中心角盒设置在顶板的下表面中心，其周向均匀设置四个隔板；其中，以上升器与着陆器对接面的几何中心作为坐标原点O，X轴与顶板和底板的中心连线平行，其正向指向顶板，Z轴垂直于X轴，且月球轨道交会对接阶段对月飞行时，+Z轴指向月球，Y轴与X、Z轴构成右手直角坐标系；四块侧板和四块斜侧板均平行于X轴，底板为球冠形，且其凸面向-X轴凸出。
优选地，所述样品封装系统包括：样品容器和驱动样品容器上的封装盖开合及密封的密封控制单元；所述样品容器安装在中心角盒上；样品容器为圆筒形结构，其外圆周面上设有样品容器导向条和样品容器导轨，且样品容器导向条和样品容器导轨的长度方向均与样品容器的轴向平行。
优选地，所述样品封装系统包括：样品容器开合机构和样品容器锁紧机构；样品容器的外壁面上设置样品容器开合机构，样品容器开合机构的输出轴与封装盖连接，封装盖的下端面设置样品容器锁紧机构，封装盖的盖体内安装火工作动器，在样品封存后火工作动器动作驱动封装盖边缘的密封刀口刃入样品容器筒壁的密封金属材料内，实现样品容器的真空密封。
优选地，所述样品容器外圆周面上均匀设置三个样品容器导向条，三个样品容器导向条将样品容器外圆周面等分为三个安装区域，其中两个安装区域中分别安装一个样品容器导轨。
优选地，所述推进系统包括：轨控发动机、姿控推力器和贮箱；所述轨控发动机探入上升器本体内部安装在中心角盒上，轨控发动机喷管伸出上升器本体外部指向-X轴；轨控发动机与上升器本体的内壁面之间安装有高温隔热屏；
所述四台贮箱通过其腰部连接法兰安装在底板上，每个贮箱的上半球位于上升器本体内部，下半球位于上升器本体外部，四组姿控推力器安装在四块斜侧板上。
优选地，所述上升器的交会对接系统配有：被动件、微波雷达应答机天线、激光雷达合作目标标志器、光学成像合作目标标志器Ⅰ、光学成像合作目标标志器Ⅱ、星敏感器、太阳敏感器、和惯性测量单元；所述被动件由三套锁柄组成，每套锁柄通过导向槽与样品容器外圆周上的样品容器导向条对应凹凸配合；
微波雷达应答机天线、激光雷达合作目标标志器、光学成像合作目标标志器Ⅰ和光学成像合作目标标志器Ⅱ均为交会对接敏感器，用于实现上升器与轨道器间通信、反馈上升器位置信号；星敏感器、太阳敏感器和惯性测量单元均为姿态控制敏感器，在整个飞行过程中同姿控推力器配合完成上升器的姿态测量与控制；这些敏感器均安装在顶板上表面。
优选地，所述微波雷达应答机天线和光学成像合作目标标志器Ⅱ安装在顶板的±Y侧倾区域，激光雷达合作目标标志器和光学成像合作目标标志器Ⅰ安装在顶板的中心平板区域，三台星敏感器和一台太阳敏感器通过支架安装在顶板的±Y侧倾区域。
优选地，所述样品转移系统包括：气瓶、自锁阀、电爆阀和喷气组件；喷气组件安装在中心角盒上，且位于样品容器的下部，其出气口对着样品容器的底面，进气口经管路与气瓶连接，且管路上设有自锁阀和电爆阀。
优选地，所述顶板设计为异形板，其由平行于YOZ平面且长度方向沿Z轴设置的中心平板及设置在中心平板±Y侧的倾斜板组成，且两块倾斜板均相对中心平板向-X轴倾斜10°，在顶板上安装设备的位置处设计凸出结构板面的安装平台。
有益效果：
1、本发明提出的上升器可封装并携带月球样品由月面起飞，并在月球轨道与轨道器交会对接转移月球样品。
2、本发明提出的上升器改变传统探测器样品封存、推进部件、仪器设备分舱设置的形式，将上升器三舱集成为一个舱段(上升器本体)，采用中心角盒+十字隔板承力的箱板式结构，将推进部件及管路与仪器舱设备集成布局(样品容器、轨控发动机和贮箱向舱内安装)，使上升器纵向高度向舱内压缩，实现纵向质心高度大幅降低，极大增强了着陆器和上升器落月稳定性，提高了上升器月面起飞稳定性；构型的简化减轻上升器起飞干重，大幅降低推进剂消耗，从而为探测器系统节省宝贵的重量资源。
3、本发明提出的上升器将样品容器与被动件、主动件结构一体化设计，在产品结构上增加导向结构来实现样品转移过程的导向控制，以较少的重量代价保证样品转移的可靠实现，在系统空间、重量资源有限的情况下实现资源利用最大化。
附图说明
图1为本发明提出的一种上升器的内部结构示意图。
图2为本发明提出的一种上升器的整体结构示意图。
图3为本发明提出的一种上升器俯视图。
图4为本发明提出的一种上升器的中心角盒安装示意图。
图5为本发明提出的一种上升器中样品转移系统的布局图。
图6为本发明提出的一种上升器中样品容器的结构示意图。
图7为本发明提出的一种上升器中上升器本体的结构示意图。
其中，1-样品容器，2-顶板，3-隔板，4-底板，5-贮箱，6-轨控发动机，7-被动件，8--Y太阳翼，9-+Y太阳翼，10-样品容器连接解锁装置，11-喷气组件，12-中心角盒，13-星敏感器，14-姿控推力器，15-太阳敏感器，16-测控天线，17-微波雷达应答机天线，18-激光雷达合作目标标志器，19-光学成像合作目标标志器Ⅰ，20-光学成像合作目标标志器Ⅱ，21-高温隔热屏，22-斜侧板，23-气瓶，24-电爆阀，25-自锁阀，26-样品容器锁紧机构，27-样品容器开合机构，28-样品容器导向条，29-样品容器导轨，30-侧板。
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可携带和传递月球样品的上升器，能够封存月球样品、携带月球样品由月面起飞，在月球轨道与轨道器对接并传递样品。
该上升器包括：上升器本体以及安装在上升器本体上的样品封装系统、推进系统、交会对接系统和样品转移系统；其中，样品封装系统位于上升器本体的顶部，用于将采集的月球样品密封封存；推进系统用于为上升器的月面起飞、变轨和姿态控制提供推力；交会对接系统安装在上升器本体的顶部，可实现交会对接过程中上升器与轨道器之间的通信，反馈上升器位置信号及测量姿态信号，并为两器对接提供连接作用；样品转移系统位于上升器本体的内部，用于转移月球样品。
本实施例中，如图7所示，上升器本体包括：顶板2、隔板3、底板4、中心角盒12、侧板30和斜侧板22，顶板2和底板4通过设置在二者之间的四块侧板30和四块斜侧板22围成箱式舱体，且侧板30和斜侧板22交错布置，每个斜侧板22和与其相连的两个侧板30之间均成135°夹角，中心角盒12设置在顶板2的底面中心，其周向均匀设置四个隔板3，中心角盒12用于将顶板2与四个隔板3连为一体，同时为样品封装系统和推进系统提供安装接口，隔板3起承力作用；其中，四块侧板30和四块斜侧板22均平行于X轴，底板4为球冠形，且其凸面向-X轴凸出，以便于提供结构承载力；
其中，坐标系定义如下：以上升器与着陆器对接面的几何中心作为坐标原点O，X轴与上升器本体的顶板2中心和底板4中心的连线平行，其正向指向指向顶板2，Z轴垂直于X轴，且月球轨道交会对接阶段对月飞行时，+Z轴指向月球，Y轴与X、Z轴构成右手直角坐标系。
样品封装系统可实现月球样品的密封封存，本实施例中，如图1所示，样品封装系统包括：样品容器1、密封控制单元；如图4所示，样品容器1通过样品容器连接解锁装置10安装在中心角盒12上；样品容器1的顶端设有可开合的封装盖，样品容器1的外壁面上设置样品容器开合机构27，样品容器开合机构27的输出轴与封装盖连接，样品容器开合机构27的输出轴动作带动封装盖向上抬升旋转打开或向下降落旋转盖合；封装盖的内部设置样品容器锁紧机构26，其动作能够将封装盖与样品容器1锁紧或解锁；封装盖的盖体内安装火工作动器，在样品封存后火工作动器动作驱动封装盖边缘的密封刀口刃入(即切入)样品容器1筒壁的密封金属材料内，实现样品容器1对样品的真空密封；如图6所示，样品容器1为圆筒形结构，其外圆周面上设有突出的样品容器导向条28和样品容器导轨29，且样品容器导向条28和样品容器导轨29的长度方向均与样品容器1的轴向平行，用于与样品转移系统配合动作，从而转移月球样品；密封控制单元接收和发送样品容器开合机构27、样品容器锁紧机构26与火工作动器的控制信号。
本实施例中，样品容器导向条28为圆柱形导向条，样品容器导轨29为棘齿形导轨。
本实施例中，样品容器1外圆周面上均匀设置三个样品容器导向条28，三个样品容器导向条28将样品容器1外圆周面等分为三个安装区域，其中两个安装区域中分别安装一个样品容器导轨29。
本实施例中，如图2和图5所示，推进系统包括：轨控发动机6、姿控推力器14、气瓶23、贮箱5、电爆阀24和自锁阀25；轨控发动机6为上升器起飞提供主推力，为提高月面起飞稳定性，实际推力轴线尽可能靠近上升器质心，因此将轨控发动机6安装在中心角盒12上并探入上升器本体内部，轨控发动机6喷管伸出上升器本体外部指向-X轴所在方向；轨控发动机6与上升器本体的内壁面之间安装有高温隔热屏21，其可以隔离轨控发动机6工作时产生的热辐射和羽流；
为进一步压缩上升器纵向高度，降低纵向质心，提高上升器落月和月面起飞的稳定性，将现有技术中上升器的推进舱与仪器舱集成为一体，即将推进舱中的四台贮箱5(四台贮箱5的外形均为球状)通过其腰部连接法兰安装在底板4上，每个贮箱5的上半球位于上升器本体内部，下半球位于上升器本体外部，两部分分别实施不同的温控策略，以保证将贮箱5的温度控制在可靠区间(一般为0～40℃)；气瓶23、电爆阀24和自锁阀25均安装在上升器本体内部的隔板3上，四组姿控推力器14安装在四块斜侧板22上，为起飞后上升器的姿态调整提供推力。
为减少上升器的载荷质量，上升器作为交会对接的目标飞行器，如图2和3所示，上升器的交会对接系统配有：被动件7、微波雷达应答机天线17、激光雷达合作目标标志器18、光学成像合作目标标志器Ⅰ19、光学成像合作目标标志器Ⅱ20、星敏感器13、太阳敏感器14和惯性测量单元；交会对接系统是交会对接动作的执行部件，主动件位于轨道器中，用于实施抓捕动作，被动件7由三套120°对称安装在上升器的顶板2上的锁柄组成；其中，被动件7的每个锁柄与样品容器1配合的一端设置导向槽，与样品容器1上的样品容器导向条28相配合，为样品容器1转移样品提供导向，同时，导向槽与被动件7的锁柄一体化设计，能够有效节省系统重量；
对接抓捕完成后，上升器的交会对接系统可实现组合体的可靠定位连接，并保证两器相对中心轴对正；
微波雷达应答机天线17、激光雷达合作目标标志器18、光学成像合作目标标志器Ⅰ19和光学成像合作目标标志器Ⅱ20均为交会对接敏感器，可实现上升器与轨道器间通信、反馈上升器位置信号；星敏感器13、太阳敏感器14和惯性测量单元均为姿态控制敏感器，在整个飞行过程中同姿控推力器14配合完成上升器的姿态测量与控制；这些敏感器(包括交会对接敏感器和姿态控制敏感器)受视场、光轴指向等因素约束，均需安装在上升器顶面(即顶板2上端)，但受空间布局尺寸限制，相互间存在视场干扰，为此上升器的顶板2设计为异形板，其由平行于YOZ平面且长度方向沿Z轴设置的中心平板及设置在中心平板±Y侧的倾斜板组成，且两块倾斜板均相对中心平板向-X轴倾斜10°，以减小交会对接过程中产生的杂光干扰；在顶板2上安装设备的位置处设计凸出结构板面的安装平台，保证不同敏感器的视场光轴指向+X轴。
本实施例中，微波雷达应答机天线17和光学成像合作目标标志器Ⅱ20安装在顶板2的±Y侧倾区域，激光雷达合作目标标志器18和光学成像合作目标标志器Ⅰ19安装在顶板2的中心平板区域，三台星敏感器13和一台太阳敏感器15通过支架安装在顶板2的±Y侧倾区域，通过调整支架角度，保证星敏感器13和太阳敏感器15的光轴指向。
本实施例中，样品转移系统包括：气瓶23、自锁阀24、电爆阀25、喷气组件11、管路和管理单元；喷气组件11安装在中心角盒12上(嵌套在样品容器连接解锁装置10中)，且位于样品容器1的下部，喷气组件11的出气口对着样品容器1的底面，进气口经管路与气瓶23连接，且管路上设有自锁阀24和电爆阀25，自锁阀24和电爆阀25接收管理单元的电信号打开后，气瓶23内高压气体经管路从喷气组件11喷出，气体推动样品容器1沿样品容器导轨29向+X轴移动；其中，气瓶23、自锁阀24和电爆阀25为样品转移系统和推进系统的共用结构件。
本实施例中，上升器本体的-Z轴侧安装有测控天线16，-Y太阳翼8和+Y太阳翼9对称布置在上升器本体的±Y侧。
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 (10)

1.一种可携带和传递月球样品的上升器，其特征在于，包括：上升器本体以及安装在上升器本体上的样品封装系统、推进系统、交会对接系统和样品转移系统；所述样品封装系统位于上升器本体的顶部，用于密封封存采集的月球样品；所述推进系统为上升器的月面起飞、变轨和姿态控制提供推力；所述交会对接系统安装在上升器本体的顶部，用于交会对接过程中实现上升器与轨道器之间的通信，反馈上升器位置信号及姿态信号，并为两器对接提供连接作用；所述样品转移系统位于上升器本体内部，用于转移月球样品。
2.如权利要求1所述的可携带和传递月球样品的上升器，其特征在于，所述上升器本体包括：顶板(2)、隔板(3)、底板(4)、中心角盒(12)、侧板(30)和斜侧板(22)，所述顶板(2)和底板(4)通过设置在二者之间的四块侧板(30)和四块斜侧板(22)围成箱式舱体，且侧板(30)和斜侧板(22)交错布置，每个斜侧板(22)和与其相连的两个侧板(30)之间均成135°夹角，中心角盒(12)设置在顶板(2)的下表面中心，其周向均匀设置四个隔板(3)；其中，以上升器与着陆器对接面的几何中心作为坐标原点O，X轴与顶板(2)和底板(4)的中心连线平行，其正向指向顶板(2)，Z轴垂直于X轴，且月球轨道交会对接阶段对月飞行时，+Z轴指向月球，Y轴与X、Z轴构成右手直角坐标系；四块侧板(30)和四块斜侧板(22)均平行于X轴，底板(4)为球冠形，且其凸面向-X轴凸出。
3.如权利要求2所述的可携带和传递月球样品的上升器，其特征在于，所述样品封装系统包括：样品容器(1)和驱动样品容器(1)上的封装盖开合及密封的密封控制单元；所述样品容器(1)安装在中心角盒(12)上；样品容器(1)为圆筒形结构，其外圆周面上设有样品容器导向条(28)和样品容器导轨(29)，且样品容器导向条(28)和样品容器导轨(29)的长度方向均与样品容器(1)的轴向平行。
4.如权利要求3所述的可携带和传递月球样品的上升器，其特征在于，所述样品封装系统包括：样品容器开合机构(27)和样品容器锁紧机构(26)；样品容器(1)的外壁面上设置样品容器开合机构(27)，样品容器开合机构(27)的输出轴与封装盖连接，封装盖的下端面设置样品容器锁紧机构(26)，封装盖的盖体内安装火工作动器，在样品封存后火工作动器动作驱动封装盖边缘的密封刀口刃入样品容器(1)筒壁的密封金属材料内，实现样品容器(1)的真空密封。
5.如权利要求3所述的可携带和传递月球样品的上升器，其特征在于，所述样品容器(1)外圆周面上均匀设置三个样品容器导向条(28)，三个样品容器导向条(28)将样品容器(1)外圆周面等分为三个安装区域，其中两个安装区域中分别安装一个样品容器导轨(29)。
6.如权利要求2所述的可携带和传递月球样品的上升器，其特征在于，所述推进系统包括：轨控发动机(6)、姿控推力器(14)和贮箱(5)；所述轨控发动机(6)探入上升器本体内部安装在中心角盒(12)上，轨控发动机(6)喷管伸出上升器本体外部指向-X轴；轨控发动机(6)与上升器本体的内壁面之间安装有高温隔热屏(21)；
所述四台贮箱(5)通过其腰部连接法兰安装在底板(4)上，每个贮箱(5)的上半球位于上升器本体内部，下半球位于上升器本体外部，四组姿控推力器(14)安装在四块斜侧板(22)上。
7.如权利要求2所述的可携带和传递月球样品的上升器，其特征在于，所述上升器的交会对接系统配有：被动件(7)、微波雷达应答机天线(17)、激光雷达合作目标标志器(18)、光学成像合作目标标志器Ⅰ(19)、光学成像合作目标标志器Ⅱ(20)、星敏感器(13)、太阳敏感器(14)、和惯性测量单元；所述被动件(7)由三套锁柄组成，每套锁柄通过导向槽与样品容器(1)外圆周上的样品容器导向条(28)对应凹凸配合；
微波雷达应答机天线(17)、激光雷达合作目标标志器(18)、光学成像合作目标标志器Ⅰ(19)和光学成像合作目标标志器Ⅱ(20)均为交会对接敏感器，用于实现上升器与轨道器间通信、反馈上升器位置信号；星敏感器(13)、太阳敏感器(14)和惯性测量单元均为姿态控制敏感器，在整个飞行过程中同姿控推力器(14)配合完成上升器的姿态测量与控制；这些敏感器均安装在顶板(2)上表面。
8.如权利要求7所述的可携带和传递月球样品的上升器，其特征在于，所述微波雷达应答机天线(17)和光学成像合作目标标志器Ⅱ(20)安装在顶板(2)的±Y侧倾区域，激光雷达合作目标标志器(18)和光学成像合作目标标志器Ⅰ(19)安装在顶板(2)的中心平板区域，三台星敏感器(13)和一台太阳敏感器(15)通过支架安装在顶板(2)的±Y侧倾区域。
9.如权利要求2所述的可携带和传递月球样品的上升器，其特征在于，所述样品转移系统包括：气瓶(23)、自锁阀(24)、电爆阀(25)和喷气组件(11)；喷气组件(11)安装在中心角盒(12)上，且位于样品容器(1)的下部，其出气口对着样品容器(1)的底面，进气口经管路与气瓶(23)连接，且管路上设有自锁阀(24)和电爆阀(25)。
10.如权利要求2所述的可携带和传递月球样品的上升器，其特征在于，所述顶板(2)设计为异形板，其由平行于YOZ平面且长度方向沿Z轴设置的中心平板及设置在中心平板±Y侧的倾斜板组成，且两块倾斜板均相对中心平板向-X轴倾斜10°，在顶板(2)上安装设备的位置处设计凸出结构板面的安装平台。
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