CN117602115A - 一种用于小天体采样的星壤气力输送装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种用于小天体采样的星壤气力输送装置，包括：供气组件、音速喷管、激励采样器、送样管道、封装容器，其中：供气组件用于向激励采样器提供采样激励气体和采样传输气体两路独立气路；激励采样器，用于对星壤采用气体进行激励后形成气固耦合体，进入气吹送样管道；激励采样器内设有音速喷管，用于使送样管道内的耦合体不断加速，形成不断加速的管流；送样管道，将气固耦合体输送至封装容器；封装容器，实现气固分离，收集合乎要求的星壤样品。该装置对比欧西里斯任务，减少了初级封装和机械臂转样的两个环节，提升了在轨采样的效率和可靠性。

Description

一种用于小天体采样的星壤气力输送装置与方法

技术领域

本发明涉及微重力真空天体环境下采样存储技术领域，特别涉及一种小天体星壤定向采集存储密封及其它深空探测任务中利用气体激励手段收集存储天体表面星壤的装置与方法。

背景技术

近年来日本和美国先后开展了针对小天体的探测并完成在轨采样任务。其中日本的隼鸟一号和隼鸟二号先后获取了约0.3g和5g样品返回地球，美国欧西里斯2020年10月成功采样，计划2023年9月携带目标采样量不少于60g返回。随着科学研究需要更多样本开展太阳系行程及演化研究，高效高可靠的样品取样、送样及存储返回成为探测任务成功的关键环节。

针对于小天体采样的弱引力、高真空、高低温等恶劣空间环境下，利用气体动力输送星壤是实现空间采样的关键技术，原理是利用高压气体在真空环境下膨胀所产生的高速气流，与星表风化层土壤颗粒发生动量交换，从而带动一定量的星壤颗粒随气流运动，完成星壤气力采样与输送的过程。

采用气体激励方式相对于其它采样方式设计及验证难度大，因此该类任务比较少，目前只有欧西里斯和凯撒任务选用相关设计。

欧西里斯任务是在其采样机械臂臂杆安装了3个独立500mL的氮气储存罐，采样头呈圆盘状，内部设计环形氮气通道以及由聚酯薄膜挡板启闭的样品收集室，来自储存罐的高纯度氮气流经环形通道流入后搅动星表，使得风化层“流化”后随气体回路进入收集室，氮气随后经过滤器排除出而样品则留在收集室。探测器携带氮气量可支持至少3次采样操作。一旦触碰被检测，则向采样头内通入氮气进行采样并记录采样时长，当设置的采样时间到达后结束采样，探测器飞离星表，整个过程将采集150g样品以满足最低60g的科学要求。按颗粒直径为10mm估计，采样颗粒数为50个左右。

凯撒任务采样器设计与欧西里斯类似，携带了3个独立氮气瓶，但改进了样品流转通道，采用漩涡气流向中心驱动样品，能够收集直径达5cm的碎石块。

上述任务中都是利用气体激励先收集颗粒于采样头，再通过机械臂运动将采样头整体转移至返回舱密封，整个采样过程分成采集、转移和封装三个独立步骤完成，且时间跨度大。

发明内容

为了解决面向小天体微重力和真空环境下长距离、大容量星壤定向激励和收集困难的问题，本公开提供了一种气力定向输送星壤方案，设计了包括“供气组件-音速喷管-送样管路-密封容器”的气力输送系统，并制定激励和输送系统耦合控制策略，实现了毫秒级时间内建立高马赫数送样流场，解决了真空中大容量固相星壤长距离转样难的问题。

本公开提供的用于小天体采样的星壤气力输送系统，包括供气组件、激励采样器、音速喷管、送样管道、封装容器，其中：

所述供气组件，提供采样激励送气和采样传输送气两路独立送气，为采样和转样提供符合压力及流量的气体；

激励采样器，用于约束气体将星壤激励后形成气固耦合体，以亚声速进入送样管道；

激励采样器内设有音速喷管，用于使送样管道内的气固耦合体不断加速；

送样管道连接激励采样器的输出端和封装容器的输入端，将采集样本输送至封装容器；

封装容器用于实现气固分离，收集样本。

基于上述系统的星壤气力输送方法包括以下步骤：

根据小天体采样任务规划，选择性地开启或关闭所述供气组件系统的激励气路和送样气路；

在激励采样器内部，通过音速喷管作用下将满足粒径要求的气固耦合介质以一定速度进入送样管道内；

经过固定送样路径导向设计，将星壤输送至封装容器；

经由封装容器的多级滤网结构，完成气固分离，实现样品存储和气路通道的畅通；

由此实现采样-转样-封装的同步完成。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)实现了大容量星壤“采样-转移-封装”全链路的一体化设计，对比欧西里斯任务，减少了初级封装和机械臂转样的两个环节，提升了在轨采样的效率和可靠性；

(2)微重力和真空条件下，气力输送的采样方式适应性强，对碎石堆或细微颗粒均具有良好的采集与输送效果；

(3)气力输送方式可以减少机构产品，系统空间布置灵活，易实现多点采集，定向输送工程目标，输送策略可为连续式、亦可间断，同时持续供气管道内可以保证无积存；

(4)封装容器多级滤网的设计保证了气固分离的有效性、收集样品的层次性、存储空间的气路良好的流通性。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为根据本公开的示例性星壤气力输送系统结构示意图；

图2为单个颗粒所受气流作用力示意图；

图3为激励采样器内示例性导向与筛选组件结构示意图；

其中，3-1为样品导向组件，3-2为样品筛选组件，3-3为采样和送样气体输入；

图4为激励采样器内部轴对称简化结构(左)，及音速喷管在采样器内流场示意图(右)；

图5为示例性样品封装容器示意图，其中：5-1为送样管道的进样口，5-2和5-3为多级滤网；

图6为示例性供气组件组成示意图；

图7为供气组件工作原理示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本公开提供的用于小天体采样的星壤气力输送装置，创新性提出了“高压供气激励采样、气固耦合定向输送、多级滤网气固分离”的设计原则。气力输送系统方案以固定颗粒直径d(例如≤15mm)为输送对象、采样时长t(例如≤5s)，确定了“供气组件+音速喷管+激励采样器+送样管道+封装容器”系统设计方案，示例性实施方式下的系统结构如附图1所示。

根据需求梳理气力输送系统的组成及功能要求，如表1所示：

表1气力输送系统的组成及功能要求表

1)小天体真空微重力条件下单个球型颗粒在送样管路中的气动力

现在对单个颗粒在气流中的受力规律进行分析，示意图如附图2所示。假设颗粒位于管内的任意位置，气流的流速为v_a，颗粒运动的速度为v_s，则根据牛顿第二定律，可以得到单个颗粒受力为：

其中，C_D为阻力系数，ρ为流体的密度，d为颗粒直径。

同时，单个颗粒所受阻力可以由下式表示：

其中，C为颗粒阻力系数，与颗粒雷诺数有关。颗粒雷诺数计算公式为：

综上，可知只要产生送样流场的速度满足要求即可实现远距离、长距离的气力定向输送。

2)供气组件组成与参数设计

供气组件1负责为激励采样器提供激励气体，为转样提供符合压力P₀及流量的气体。供气组件由气瓶、开关阀、减压器、压传、螺旋供气软管和管路连接件等。

该组件详细组成见附图6，其中，氮气瓶1-1用来存储给采样系统供气的高压氮气；压力传感器1-2用于监视系统的压力、判断高压气瓶中氮气的剩余量；加排阀1-3和1-4用来为高压气瓶中填充高压氮气及用作系统试验接口；常闭电爆阀1-5和1-6用来在系统工作前隔绝高压气瓶与下游流路，保证不内漏；自锁阀1-7、1-10、1-11和1-12用来在工作时开启向下游供给气体；减压器1-9用来将气瓶高压压力降为满足系统使用要求的出口压力；螺旋供气软管6用来向激励采样器3输送气体且满足采样机构性能要求。工作原理如附图7所示。

通过选择合适的减压出口压力，可实现直接从15MPa压力减到目标压力的一级减压，可供使用气量满足分系统供气组件总气量的需求。其中出口压力、流量、单次时间、使用次数和裕度关系成正相关。

供气组件功能和特征主要体现在：有采样激励送气能力和采样传输送气两路独立送气的能力；螺旋供气软管用于重点解决与展开缓冲装置的安装与随动问题，适应气路输送管道压缩伸展且低弹簧刚度要求。

3)音速喷管参数设计

音速喷管2设计是气吹送样流场控制的关键环节，目的是通过拉瓦尔喷管变截面设计，实现气流在喉部声速流动，扩张段超声速流动，从而实现喷管出口到达一定流动速度，实现单位质量流量气体送样效率最高化设计。

假设气流膨胀到极限状态(真空)。这时h＝0，速度可达最大值V_max。

由上式可知，对于理想气体，其气流最大膨胀速度是由总温所决定的。对于N₂气，若总温T₀＝300K，则气流最大膨胀速度为：V_max＝789m/s；若总温T₀＝240K，则气流最大膨胀速度为：V_max＝706m/s。

由于小天体空间环境下，喷管入口温度T₀限制，气流最大流速受限。入口温度在240K～300K时，气流最大速约为706m/s～789m/s，综合考虑产品实际设计过程中，出口气流速度按照700m/s设计送样主喷管的尺寸，例如设计过程中，总温取T₀＝300K，已知体积流量q，P_o时，可确定喷管喉部直径d_t、d₂和扩张比。

入口温度T₀和体积流量q一定的情况下，气流入口压强P₀与气流质量流量成正比关系。在喷管构型不变的情况下，增加入口压强可以增加气流质量流量，意味着可以增强输运固体颗粒的能力。

4)采样器结构设计

激励采样器采用气体激励颗粒+气吹送样手段，壳体通过流场设计有益于颗粒的收集与输送，通过激励气孔的布置设计及气量优化，可保证满足采样时间和采样量要求。

激励采样器与送样管道的连接结构如附图1所示。

激励采样器壳体内部设有导向组件与筛选组件，示例性结构如附图3所示，其中，导向(3-1)组件与筛选组件(3-2)采用对称结构，安装于壳体中心，其作用是将采样腔体隔成两个相对独立的空间，防止采样过程的相互干扰。在采样器与星表接触的时候，采样气体开启，星表颗粒在气动力作用下飞溅，筛选组件作用下，对样品粒径大小进行选择性获取，防止大粒径样品进入样品通道；而导向组件，则便于约束飞溅的星表颗粒进入回收通道。样品粒径筛选路径如附图1所示。

使用拉瓦尔喷管加速气流与采样器结构作用会使气体分离，部分气体会以亚声速进入送样管道，形成不断加速的管流。

基于气流送样效率高为约束条件，以进入送样管道流量与总流量比为校准参数，选择最合适的喷管扩张角度2α、以及音速喷管2与送样管道4入口相对位置关系。当扩张半角比较小时，喷管出口初始速度小，受侧向扩散作用，向径向扩散增强，使得激波位置远离导管入口；随着扩张半角的增大，喷管出口初始速度增加，激波位置会靠近导管入口，进入导管的气流同样会有所增加；继续增大扩张半角时，在喷管出口向外膨胀作用加强，使得在收缩段内形成了涡流，增加了流动损失，导致进入导管的气流减少。说明存在一个最优的喷管扩张半角，使得此结构下有最优的导管输运效率。

示例性的激励采样器内部结构及音速喷管在采样器内流场示意图如附图4所示。

5)送样管道组成与尺寸参数设计

送样管道4用来改变输送星壤的方向，为适应探测器布局，为空间曲线构型，结合工艺性，可采用分段设计。

送样管道内径：考虑内径变化容易引起样品在管道内堵塞(在直径变化处)，方案中送样弯管与送样套管连接内径尺寸一致有利于样品传输；管道内径尺寸设计应满足最大粒径的2倍以上。

弯管曲率半径的选择：曲率半径过小，可增加气体能量损失，加速弯管磨损，同时易造成星壤在输送过程中易发生堵塞现象。一般弯管的曲率半径R应取为：输送粉状物料(粒径＜3.3mm)时：取R＝6D；输送块状物料(粒径＜12.7mm)时：取R≥6D。

实际应用中，为避免输送效率的损耗，在布置空间允许的情况下弯道数量应尽量减小。存在弯管时，气流冲击转弯部分时，流动会被挤压，并与壁面发生多次撞击，这样会产生较大的流动损失；过弯管后气体流动变化为亚声速流，然后随着流动继续又加速为超声速流动。

送样管道长度：送样管道越长，对应流阻也越大，送样管道的输送效率随着送样管道长度的增加而下降。如送样管路过长可考虑增加中继喷管的方案，其会增强对输送管道后部的输送能力。

6)确定密封容器滤网布置区域与尺寸参数

当含有样品的送样气体进入密封容器5存储内后，如附图5所示，经过多级滤网(5-2和5-3)实现气固分离，并最终排除所述系统装置外，在此过程中，由于多滤网的阻隔作用，将外围滤网以上样品分层存储至样品容器内，根据目标采样样品最小收集尺寸的约束，从核心到外围依次设计由不同尺寸金属丝编织方孔筛网组成的过滤层滤网，滤网网孔设计尺寸逐渐减小，滤网网孔尺寸按下式计算：

式中：网孔算术平均尺寸为连续分布的网孔间距所占的长度为l，n为l长度上的网孔数量，d表示金属丝直径。例如：假设存储目标样品最小尺寸为0.02mm时，多级滤网最外围网孔基本尺寸设计为0.02mm，需要选用金属丝直径为0.02mm，筛分面积百分率为25％。

基于上述系统的星壤气力输送方法，主要包括以下步骤：

根据小天体采样任务规划，选择性地开启或关闭所述供气组件系统的激励气路和送样气路；

在激励采样器内部，通过音速喷管作用下将满足粒径要求的气固耦合介质以一定速度进入送样管道内；

经过固定送样路径导向设计，将星壤输送至封装容器；

经由封装容器的多级滤网结构，完成气固分离，实现样品存储和气路通道的畅通；

由此实现采样-转样-封装的同步完成。

上述用于小天体采样的星壤气力输送系统与方法，通过“供气组件+音速喷管+激励采样器+送样管道+封装容器”系统设计方案实现在轨目标天体星壤采集；利用气流从高压进入真空环境急速膨胀，超音速细长异型管定向激励输送样品；采用多级滤网完成气固分离收集存储样品的装置与方法；利用一个气瓶实现激励与送样两路气体功能，同时可通过并联冗余设计提供系统可靠性。

该装置和方法可应用于微重力环境下天体采样样品气体激励定向存储与封装的一体化、小型化装置设计及其方法。

上述技术方案只是本发明的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (9)

1.一种用于小天体采样的星壤气力输送装置，其特征在于，包括：供气组件、音速喷管、激励采样器、送样管道、封装容器，其中：

所述供气组件，以独立气路的方式，向激励采样器提供采样激励送气，向音速喷管提供采样送样送气，从而为采样和转样提供符合压力及流量的气体；

所述激励采样器，用于对星壤进行气体激励，并使分散的样品颗粒在约束下到达气吹送样管道输入端；

激励采样器内设有音速喷管，用于在气吹送样管道内形成一定速度和压力的气流，使到达送样管道输入端的样品颗粒进入送样管道，并沿管道到达封装容器；

所述封装容器，用于实现气固分离，排出气体，收集合乎要求的星壤样品。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述供气组件包括：气瓶、开关阀、减压器、压力传感器、供气软管和管路连接件，其中：

所述气瓶，用于存储给采样系统供气的高压气体；

所述压力传感器，用于监视系统的压力、判断高压气瓶中气体的剩余量；

所述开关阀，用于为气瓶的充气、及向下游的供气提供开关；

所述减压器，用于将气瓶高压压力降至满足系统使用要求的出口压力；

供气软管，用于向激励采样器和音速喷管输送气体。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述激励采样器内设有：

过滤结构，用于对气体激励下飞起的星壤样品按粒径大小进行选择性获取，防止大粒径样品进入样品通道；

导向结构，用于约束气体下产生的星壤样品进入回收通道。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述音速喷管的出口气流速度为700m/s。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述送样管道包括送样直管，用于定向收集星壤至样品封装容器；送样弯管，用来改变输送星壤的方向。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述送样管道的尺寸为：

管道内径尺寸为输送的样品最大粒径的2倍以上；

弯管的曲率半径R为：输送粉状物料时：R＝6D；输送块状物料时：R≥6D，D表示物料粒径。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，密封容器包括：多级滤网，从核心到外围的滤网网孔设计尺寸逐渐减小，用于将将外围滤网以上样品分层存储至样品容器内。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，滤网网孔尺寸按下式计算：

式中，为网孔算术平均尺寸，l为连续分布的网孔间距所占的长度，n为l长度上的网孔数量，d表示滤网金属丝直径。

9.一种用于小天体采样的星壤气力输送方法，应用权利要求1-8中任一所述的星壤气力输送装置，包括以下步骤：

根据小天体采样任务规划，选择性地开启或关闭所述供气组件系统的激励气路和送样气路；

激励采样器内，通过激励气体对星壤表面进行激励，同时送样气体在音速喷管作用下，将满足粒径要求的气固耦合介质以一定速度进入送样管道内；

经过固定送样路径导向，将星壤输送至封装容器；

经由封装容器的多级滤网结构，完成气固分离，实现样品存储和气路通道的畅通。