CN113820168A - 一种小行星采矿采样机械的锚定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小行星采矿采样机械的锚定装置，包括多个设于采样机械周围的机械臂，以及设于机械臂端部的多段式钻头套管；其中多段式钻头套管包括膨胀调节丝杆，以及依次套设于膨胀调节丝杆上的光滑根部套管、膨胀锚定套管、钻进螺纹套管，膨胀调节丝杆的底端与钻进螺纹套管内壁螺纹连接。与现有技术相比，本发明通过膨胀锚定套管向外膨胀扩张形成嵌入小行星土壤内部的手指状卡爪，结合钻进螺纹套管头部处的钻进螺纹，实现双重锚定效果，进而保证该锚定装置与小行星表面的可靠固定。
Description
技术领域
本发明属于航天与星际采矿技术领域，涉及一种小行星采矿采样机械的锚定装置。
背景技术
小行星一般认为是太阳系形成早期的残留物，广泛存在于整个太阳系内，对于研究太阳系的起源与演化具有重要意义。截止2020年7月，天文学家已经发现了超过15000颗的近地小行星，而且这个数量在以每个月几百颗的速度增加。而依据小行星的构成，可划分为碳质(C类)、岩石质(S类)、金属质(M类)等。其中不少M类小行星还富含镍、金、铂等贵重金属，空间资源十分丰富。
美国宇航局(NASA)、欧洲空间局(ESA)、日本宇宙空间研发机构(JAXA)等机构都已经完成了小行星的交会、着陆、采样等任务。特别需要指出的是美国政府与卢森堡政府都批准了民营企业，行星资源公司(Planetary Resource)与深空工业公司(Deep SpaceIndustry,DSI)开展小行星采矿业务。这两家公司都已经开始了在轨实验，以实现低成本的矿产勘探，并对具有较高经济价值的小行星实行开采任务。
现有的小行星采样采矿的技术路线大致可分为四种：
1)接触式法：采样机贴近小行星表面后利用高压空气松动地表风化层后送入收集装置；
2)撞击法：采用弹丸射击或者撞击小行星表面。由于小行星的重力微弱，反弹引起的岩屑将沿样本收集器内壁弹射进入样本容器；
3)抓捕法：探测器抵达后对小行星捕捉并消旋，将探测器和小行星的共同体转移至地月轨道。其后发射载人飞船完成对接，宇航员出仓采样作业；
4)钻井法，利用钻头使得地下岩石粉碎后暴露，利用传输收集装置完成样本采集。
当然除了上述这些外，还有振动、超声波等其他非主流的概念方法。其中接触式法与撞击法可能只适合于小规模的采样，而捕捉法只适用于小天体，且具有技术难度大等特点。目前最主流的是钻井法，钻井过程前需要将矿机或者采样机与小行星表面相互锚定，但由于小行星表面的微重力环境，其岩屑或小行星土壤的结构比较松散，这使得锚点过程变得比地球表面的实施更加困难，尤其是在垂直方向。本发明以此为背景，提出一种用于小行星采矿采样机械的锚定装置。
发明内容
本发明的目的就是提供一种小行星采矿采样机械的锚定装置，用于解决现有小行星采矿采样机械在小行星土壤表面固定效果较差的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种小行星采矿采样机械的锚定装置，包括多个设于采样机械周围的机械臂，以及设于机械臂端部的多段式钻头套管；
所述的多段式钻头套管包括膨胀调节丝杆，以及依次套设于膨胀调节丝杆上的光滑根部套管、膨胀锚定套管、钻进螺纹套管，所述的膨胀调节丝杆的底端与钻进螺纹套管内壁螺纹连接。
进一步地，所述的膨胀锚定套管侧壁上沿周向并列布设有多个断裂槽，多个断裂槽将膨胀锚定套管侧壁分隔为多个膨胀节段。
进一步地，所述的膨胀节段为向外凸出的弧形节段。
进一步地，多个膨胀节段的顶端与光滑根部套管底端之间、多个膨胀节段的底端与钻进螺纹套管顶端之间均设有加强筋。
进一步地，所述的膨胀锚定套管的顶端与底端之间设有柔性密封环套，所述的柔性密封环套位于膨胀节段与膨胀调节丝杆之间。
进一步地，所述的断裂槽侧壁边缘与柔性密封环套之间设有柔性保护膜。
进一步地，所述的光滑根部套管与钻进螺纹套管之间沿轴向依次设有多个膨胀锚定套管，相邻膨胀锚定套管中的断裂槽交错设置。
进一步地，所述的锚定装置还包括支架、设于支架上的钻进电机与膨胀调节电机，以及相互啮合传动的主动齿轮与从动齿轮；
所述的钻进电机与主动齿轮传动连接，所述的从动齿轮固定套设于光滑根部套管外；
所述的膨胀调节电机与钻进螺纹套管传动连接。
进一步地，所述的钻进螺纹套管外壁上设有钻进螺纹，内壁上设有与膨胀调节丝杆相适配的内螺纹。
进一步地，围绕采样机械的多个多段式钻头套管中，相对设置的两个钻进螺纹套管上的钻进螺纹方向相反。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明在采样机械周围设置多个机械臂，并在机械臂的端部设置多段式钻头套管，以构成采样机械的锚定支撑臂，多个锚定支撑臂构成采样机械的支撑固定结构，以将采样机械平稳固定于小行星土壤表面，避免采用过程中出现倾斜晃动；
2)多段式钻头套管包括依次连接的光滑根部套管、膨胀锚定套管、钻进螺纹套管，其中钻进螺纹套管外部设有钻进螺纹，用于带动多段式钻头套管嵌入地面；同时通过内嵌设置的膨胀调节丝杆的反转，从而将钻进螺纹套管上提并挤压膨胀锚定套管，使其上的膨胀节段向外凸出，进而形成可沿套管径向嵌入小行星土壤内部的手指状卡爪，结合钻进螺纹套管头部处设有的钻进螺纹，实现双重锚定效果，使得该锚定装置可以与小行星表面实现相对静止；
3)由于在钻进过程中，摩擦力会对采矿机械整体产生旋转力矩，故本发明采用多个上述钻头同步工作的方式，以保证钻进工作的稳定性；
4)本发明采用连杆结构组成所述的机械臂并与采矿机械相连，通过该连杆结构一方面有利于提高对各种不平整的小行星地表环境的适应性，另一方面也使采矿机械在锚定固定后，仍保持一定程度的活动范围，同时也有利于机械臂向外扩展，增大采样面积以及支撑面积，提高工作效率，保证固定效果。
附图说明
图1为实施例1中一种小行星采矿采样机械的锚定装置的结构示意图；
图2为实施例1中多段式钻头套管的结构示意图；
图3为实施例1中多段式钻头套管的钻进结构示意图；
图4为实施例1中多段式钻头套管的膨胀结构示意图；
图5为图4中A-A断面图；
图6为实施例2中多段式钻头套管的膨胀结构示意图；
图7为图6中B-B断面图；
图中标记说明：
1-多段式钻头套管、101-膨胀调节丝杆、102-光滑根部套管、103-钻进螺纹套管、1031-钻进螺纹、104-断裂槽、105-膨胀节段、106-加强筋、107-柔性密封环套、2-采样机械、3-机械臂、4-小行星土壤、401-土壤空隙、5-支架、6-钻进电机、7-膨胀调节电机、8-主动齿轮、9-从动齿轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
如图1所示的一种小行星采矿采样机械的锚定装置，包括4个设于采样机械2四周的连杆式机械臂3，以及设于机械臂3端部的多段式钻头套管1。
其中，机械臂3与多段式钻头套管1共同构成采样机械2的一个锚定支撑臂，采样前先通过展开4个锚定支撑臂，使采样机械2与小行星表面贴近且垂直。同时，为保证较好的支撑效果，4个锚定支撑臂沿周向均匀分布在采样机械2的四周。
如图2所示，本装置还包括设于机械臂3端部的支架5、设于支架5上的钻进电机6与膨胀调节电机7，以及设于支架5上且相互啮合传动的主动齿轮8与从动齿轮9。多段式钻头套管1具体为三段式钻头套管，该三段式钻头套管包括与膨胀调节电机7传动连接的膨胀调节丝杆101，以及依次套设于膨胀调节丝杆101上的光滑根部套管102、膨胀锚定套管、钻进螺纹套管103。其中，钻进螺纹套管103外壁上设有钻进螺纹1031，内壁上设有与膨胀调节丝杆101相适配的内螺纹，光滑根部套管102固定嵌设于从动齿轮9外，并通过主动齿轮8与钻进电机6传动连接，同时将钻进电机6产生的转动驱动力经膨胀锚定套管传递至钻进螺纹套管103，从而实现锚定装置在小行星土壤4表面的掘进功能。
为防止钻进过程中，采样机械2因角动量不平衡而发生转动，在围绕采样机械2的4个三段式钻头套管中，相对设置的2个钻进螺纹套管103上的钻进螺纹1031方向相反，并控制各个钻进电机6的转速，以使系统的转动惯量为零。
同时，在膨胀锚定套管侧壁上沿周向还并列布设有多个断裂槽104，相邻断裂槽104之间形成一个膨胀节段105，多个断裂槽104将膨胀锚定套管侧壁分隔为多个膨胀节段105。该膨胀节段105具体为向外凸出的弧形节段，膨胀调节丝杆101的侧壁与光滑根部套管102的内壁、膨胀锚定套管的内壁相分离，底端与钻进螺纹套管103的内壁螺纹连接，在膨胀调节电机7驱动作用下，可将钻进螺纹套管103转动上提，并在原位置产生土壤空隙401，并使膨胀节段105屈曲并向外膨胀，侧面呈D字形，并形成嵌入土壤的手指状卡爪，从而提高本装置的铆钉效果。
为避免在膨胀时断裂槽104发生裂纹扩张而影响整体的结构强度，以及保证膨胀节段105向外膨胀的必然性，在多个膨胀节段105的顶端与光滑根部套管102底端之间、多个膨胀节段105的底端与钻进螺纹套管103顶端之间均设有加强筋106。
本实施例还在膨胀锚定套管的顶端与底端之间设有柔性密封环套107，具体的，将该柔性密封环套107设于膨胀节段105与膨胀调节丝杆101之间，同时还在断裂槽104侧壁边缘与柔性密封环套107之间设有柔性保护膜，以避免膨胀过程中或者膨胀状态下，土壤颗粒或碎屑进入膨胀节段105屈曲部位或三段式钻头套管内部，从而卡住或者限制膨胀段的进一步工作。
如图4所示，钻进螺纹套管103的上提以及膨胀节段105的向外扩张，势必会带动其上方的小行星土壤4，使得手指状卡爪的实际固定深度较浅，因此在强度允许的情况下，应适当加长套管根部的长度光滑根部套管102的长度，优选长度为该部分直径的1.5倍以上，以保证膨胀部分埋入地表有一定的深度。
实施例2：
如图2所示的一种四段式钻头套管，光滑根部套管102与钻进螺纹套管103之间沿轴向依次设有2个膨胀锚定套管，并且相邻膨胀锚定套管之间存在一个旋转角度，即相邻膨胀锚定套管中的断裂槽104交错设置，从而使得膨胀后屈曲状态下的膨胀节段105能够交错设置，从而可以彼此补充，提高有效固定支撑面积。
同时为保证膨胀时整体的结构强度，在2个膨胀锚定套管之间还设有加强筋106。其余同实施例1。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种小行星采矿采样机械的锚定装置，其特征在于，该锚定装置包括多个设于采样机械(2)周围的机械臂(3)，以及设于机械臂(3)端部的多段式钻头套管(1)；
所述的多段式钻头套管(1)包括膨胀调节丝杆(101)，以及依次套设于膨胀调节丝杆(101)上的光滑根部套管(102)、膨胀锚定套管、钻进螺纹套管(103)，所述的膨胀调节丝杆(101)的底端与钻进螺纹套管(103)内壁螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的一种小行星采矿采样机械的锚定装置，其特征在于，所述的膨胀锚定套管侧壁上沿周向并列布设有多个断裂槽(104)，多个断裂槽(104)将膨胀锚定套管侧壁分隔为多个膨胀节段(105)。
3.根据权利要求2所述的一种小行星采矿采样机械的锚定装置，其特征在于，所述的膨胀节段(105)为向外凸出的弧形节段。
4.根据权利要求3所述的一种小行星采矿采样机械的锚定装置，其特征在于，多个膨胀节段(105)的顶端与光滑根部套管(102)底端之间、多个膨胀节段(105)的底端与钻进螺纹套管(103)顶端之间均设有加强筋(106)。
5.根据权利要求3所述的一种小行星采矿采样机械的锚定装置，其特征在于，所述的膨胀锚定套管的顶端与底端之间设有柔性密封环套(107)，所述的柔性密封环套(107)位于膨胀节段(105)与膨胀调节丝杆(101)之间。
6.根据权利要求5所述的一种小行星采矿采样机械的锚定装置，其特征在于，所述的断裂槽(104)侧壁边缘与柔性密封环套(107)之间设有柔性保护膜。
7.根据权利要求1所述的一种小行星采矿采样机械的锚定装置，其特征在于，所述的光滑根部套管(102)与钻进螺纹套管(103)之间沿轴向依次设有多个膨胀锚定套管，相邻膨胀锚定套管中的断裂槽(104)交错设置。
8.根据权利要求1所述的一种小行星采矿采样机械的锚定装置，其特征在于，所述的锚定装置还包括支架(5)、设于支架(5)上的钻进电机(6)与膨胀调节电机(7)，以及相互啮合传动的主动齿轮(8)与从动齿轮(9)；
所述的钻进电机(6)与主动齿轮(8)传动连接，所述的从动齿轮(9)固定套设于光滑根部套管(102)外；
所述的膨胀调节电机(7)与钻进螺纹套管(103)传动连接。
9.根据权利要求1所述的一种小行星采矿采样机械的锚定装置，其特征在于，所述的钻进螺纹套管(103)外壁上设有钻进螺纹(1031)，内壁上设有与膨胀调节丝杆(101)相适配的内螺纹。
10.根据权利要求9所述的一种小行星采矿采样机械的锚定装置，其特征在于，围绕采样机械(2)的多个多段式钻头套管(1)中，相对设置的两个钻进螺纹套管(103)上的钻进螺纹(1031)方向相反。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张军等: "小行星登陆器星体表面附着锚固方案研究", 《载人航天》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113820168B (zh) | 2022-11-15 |
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