CN111122221A - 可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器，包括探测器本体、进尺机构、转位机构、采样钻、气吹机构和返回舱，进尺机构、气吹机构和返回舱均安装在探测器本体上，转位机构设置在进尺机构的末端，采样钻设置在转位机构的末端，气吹机构连通采样钻和返回舱，进尺机构驱动采样钻上下移动，转位机构带动采样钻转动。本发明由单压电叠堆作为唯一动力来源，充分利用压电叠堆两侧的振动，将压电叠堆一侧的振动转变为钻杆的回转运动，另一侧的振动转变为钻杆的冲击运动，最终实现回转冲击超声波钻螺旋钻进取样，本发明采样器中设置有转位机构，实现了在小行星表面选点采样功能，具有优越的形貌适应能力。

Description

可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器

技术领域

本发明属于空间资源探测技术领域，尤其是涉及一种可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器。

背景技术

探秘小行星对于研究太阳系的起源和太空资源的开发具有深远的意义。近年来，越来越多的国外机构针对小行星开展小行星取样返回任务。小行星表面多为坚硬裸露的岩石，如何实现高效破岩是首要难点。同时，由于小行星表面微引力的问题，破碎后的岩石轨迹不可寻，如何收集样品成为另一大难题。为此，各种采样方式层出不穷，最典型的当属日本“隼鸟”号的“一触即走”。它利用金属球强大的冲击力使小行星表面的岩石破碎并溅起碎片或粉末，再利用探测器上的一个外形为喇叭状的取样装置将这些碎片加以回收并进行密封。然而该取样效果并不理想，仅取回1500个直径约0.001毫米的地外星体微粒。因此提出一种能够高效破岩并收集样品的采样器对于小行星探测具有十分重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器，具有低钻压高效能的回转冲击式超声波钻螺旋钻进取样，基于气吹送样实现小行星表面采样；采样器中设置有进尺机构和转位机构，实现了在小行星表面选点采样功能，具有优越的形貌适应能力。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器，包括探测器本体、进尺机构、转位机构、采样钻、气吹机构和返回舱，所述的进尺机构、气吹机构和返回舱均安装在探测器本体上，所述的转位机构设置在进尺机构的末端，所述的采样钻设置在转位机构的末端，所述的气吹机构连通采样钻和返回舱，所述的进尺机构驱动采样钻上下移动，所述的转位机构带动采样钻转动。

进一步的，所述采样钻包括转子、V型后盖板、压电陶瓷叠堆、变幅杆、传动轴、下壳体、螺旋钻杆、钻杆套和上壳体，所述的转子、V型后盖板、压电陶瓷叠堆、变幅杆和传动轴设置在上壳体和下壳体围成的空间内，在所述螺旋钻杆外套设一端封闭一端开口的钻杆套，所述钻杆套的封闭端固定在下壳体的远离上壳体的一端，在所述钻杆套上靠近封闭端处设有进气口和样品出口，所述变幅杆固定在下壳体上，所述的变幅杆为上宽下窄的空心杆体，宽段设置在上壳体内，并伸入V型后盖板的空腔，窄段设置在下壳体内与螺旋钻杆连接，所述的变幅杆的宽段将压电陶瓷叠堆压紧在V型后盖板上，所述的V型后盖板的上端设置转子，所述的传动轴依次穿过转子和变幅杆后与螺旋钻杆连接，在转子和上壳体上壁之间的传动轴上套设一压紧弹簧，在下壳体内部的螺旋钻杆上套设有一恢复弹簧。

进一步的，所述进尺机构包括进尺轴、齿条、齿轮、电机和电机支撑座，所述齿条安装在进尺轴上，所述齿轮安装在电机的输出轴上，所述齿条和齿轮啮合，所述的电机安装在电机支撑座上，所述的电机支撑固定在探测器本体上，所述电机通过齿轮和齿条组成的齿轮齿条副将回转运动变为进尺轴的直线运动。

进一步的，所述转位机构包括转位电机、电机支架、小齿轮、大齿轮和连接架，所述转位电机安装在电机支架上，所述电机支架固定在进尺轴的末端，所述小齿轮安装在转位电机的输出轴上，所述小齿轮与转动连接在进尺轴上的大齿轮啮合，所述大齿轮通过连接架与上壳体固定连接，所述转位电机通过小齿轮和大齿轮组成的齿轮副驱动采样钻转位。

进一步的，所述气吹机构包括气罐、进气管和样品管，所述气罐固定在探测器本体上，所述的气罐通过进气管与进气口连通，所述的样品管连通样品出口和返回舱。

进一步的，所述采样器包括导向限位机构，所述导向限位机构包括固定在探测器本体上的滑块和设置在进尺轴上的导轨，所述导轨两端设有限位沿，所述滑块和导轨配合。

进一步的，在大齿轮与进尺轴连接处设有一角接触球轴承，所述大齿轮和连接架连接为一体后与角接触球轴承的外圈紧配合。

进一步的，在上壳体的端部设有用于支撑传动轴的第一轴承，在所述的第一轴承的内圈配合有一铜套，所述的压紧弹簧的一端紧压铜套，另一端将转子压在V型后盖板上。

进一步的，在恢复弹簧与下壳体相抵处设有第二轴承，所述的恢复弹簧一端紧压螺旋钻杆使其端面与变幅杆贴合，另一端紧压第二轴承使其与下壳体贴合。

进一步的，所述上壳体和下壳体之间通过螺栓连接。

相对于现有技术，本发明所述的可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器具有以下优势：

本发明所述的可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器，①采用具有低钻压高效能的回转冲击式超声波钻螺旋钻进取样，基于气吹送样实现小行星表面采样；②由单压电叠堆作为唯一动力来源，充分利用压电叠堆两侧的振动，将压电叠堆一侧的振动转变为钻杆的回转运动，另一侧的振动转变为钻杆的冲击运动，最终实现回转冲击超声波钻螺旋钻进取样；充分利用压电陶瓷的耐温范围宽的优势；③采样器中设置有转位机构，实现了在小行星表面选点采样功能，具有优越的形貌适应能力。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器的结构示意图；

图2为进尺机构的结构示意图；

图3为转位机构的结构示意图；

图4为采样钻的结构示意图。

附图标记说明：

1-探测器本体，2-气罐，3-进气管，4-进尺机构，4-1-进尺轴，4-2-齿条，4-3-齿轮，4-4-电机，4-5-电机支撑座，4-6-滑块，4-7-导轨，5-样品管，6-转位机构，6-1-转位电机，6-2-电机支架，6-3-小齿轮，6-4-大齿轮，6-5-角接触轴承，6-6-连接架，7-采样钻，7-1-转子，7-2-V型转子，7-3-压电陶瓷叠堆，7-4-变幅杆，7-5-传动轴，7-6-下壳体，7-7-螺旋钻杆，7-8-钻杆套，7-9-第一轴承，7-10-铜套，7-11-压紧弹簧，7-12-上壳体，7-13-恢复弹簧，7-14-第二轴承，7-15-样品出口，7-16-进气口，8-返回舱。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图4所示，可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器，包括探测器本体1、进尺机构4、转位机构6、采样钻7、气吹机构和返回舱8，所述的进尺机构4、气吹机构和返回舱8均安装在探测器本体1上，所述的转位机构6设置在进尺机构4的末端，所述的采样钻7设置在转位机构6的末端，所述的气吹机构连通采样钻7和返回舱8，所述的进尺机构4驱动采样钻7上下移动，所述的转位机构6带动采样钻7转动。

采样钻7包括转子7-1、V型后盖板7-2、压电陶瓷叠堆7-3、变幅杆7-4、传动轴7-5、下壳体7-6、螺旋钻杆7-7、钻杆套7-8和上壳体7-12，所述的转子7-1、V型后盖板7-2、压电陶瓷叠堆7-3、变幅杆7-4和传动轴7-5设置在上壳体7-12和下壳体7-6围成的空间内，在所述螺旋钻杆7-7外套设一端封闭一端开口的钻杆套7-8，所述钻杆套7-8的封闭端固定在下壳体7-6的远离上壳体7-12的一端，在所述钻杆套7-8上靠近封闭端处设有进气口7-16和样品出口7-15，所述变幅杆7-4固定在下壳体7-6上，所述的变幅杆7-4为上宽下窄的空心杆体，宽段设置在上壳体7-12内，并伸入V型后盖板7-2的空腔，窄段设置在下壳体7-6内与螺旋钻杆7-7连接，所述的变幅杆7-4的宽段将压电陶瓷叠堆7-3压紧在V型后盖板7-2上，所述的V型后盖板7-2的上端设置转子7-1，所述的传动轴7-5依次穿过转子7-1和变幅杆7-4后与螺旋钻杆7-7连接，在转子7-1和上壳体7-12上壁之间的传动轴7-5上套设一压紧弹簧7-11，在下壳体7-6内部的螺旋钻杆7-7上套设有一恢复弹簧7-13。

进尺机构4包括进尺轴4-1、齿条4-2、齿轮4-3、电机4-4和电机支撑座4-5，所述齿条4-2安装在进尺轴4-1上，所述齿轮4-3安装在电机4-4的输出轴上，所述齿条4-2和齿轮4-3啮合，所述的电机4-4安装在电机支撑座4-5上，所述的电机支撑座4-5固定在探测器本体1上，所述电机4-2通过齿轮4-3和齿条4-2组成的齿轮齿条副将回转运动变为进尺轴4-1的直线运动。

转位机构6包括转位电机6-1、电机支架6-2、小齿轮6-3、大齿轮6-4和连接架6-6，所述转位电机6-1安装在电机支架6-2上，所述电机支架6-2固定在进尺轴4-1的末端，所述小齿轮6-3安装在转位电机6-1的输出轴上，所述小齿轮6-3与转动连接在进尺轴4-1上的大齿轮6-4啮合，所述大齿轮6-4通过连接架6-6与上壳体7-12固定连接，所述转位电机6-1通过小齿轮6-3和大齿轮6-4组成的齿轮副驱动采样钻7转位。

气吹机构包括气罐2、进气管3和样品管5，所述气罐2固定在探测器本体1上，所述的气罐2通过进气管3与进气口7-16连通，所述的样品管5连通样品出口7-15和返回舱8。

采样器包括导向限位机构，所述导向限位机构包括固定在探测器本体1上的滑块4-6和设置在进尺轴4-1上的导轨4-7，所述导轨4-7两端设有限位沿，所述滑块4-6和导轨4-7配合。

在大齿轮6-4与进尺轴4-1连接处设有一角接触球轴承6-5，所述大齿轮6-4和连接架6-6连接为一体后与角接触球轴承6-5的外圈紧配合。

在上壳体7-12的端部设有用于支撑传动轴7-5的第一轴承7-9，在所述的第一轴承7-9的内圈配合有一铜套7-10，所述的压紧弹簧7-11的一端紧压铜套7-10，另一端将转子7-1压在V型后盖板7-2上。

在恢复弹簧7-13与下壳体7-6相抵处设有一第二轴承7-14，所述的恢复弹簧7-13一端紧压螺旋钻杆7-7使其端面与变幅杆7-4贴合，另一端紧压着第二轴承7-14使其与下壳体7-6贴合。

上壳体7-12和下壳体7-6之间通过螺栓连接，连接牢固可靠。

本采样器的工作原理为：

探测器本体1在小行星表面附着锚定后，电机4-4接入电源通过齿轮4-3和齿条4-2组成的齿轮齿条副驱动进尺轴4-1进给，当采样钻7到达小行星表面适当位置后停止进给，探测器本体1根据目标采样区域的形貌特征选定目标采样点，转位电机6-1通过小齿轮6-3和大齿轮6-4组成的齿轮副驱动采样钻7转到目标采样点，压电陶瓷叠堆7-3通入高频正弦交流电压产生高频纵向振动，变幅杆7-4将高频纵向振动放大，驱动螺旋钻杆7-7高频纵向振动；同时V型后盖板7-2会产生扭振驱动转子7-1回转并通过传动轴7-5将动力传递给螺旋钻杆7-7，实现螺旋钻杆7-7的回转运动，采样钻7的螺旋钻杆7-7工作模式就是回转运动和纵向高频振动的耦合，进尺机构4为采样钻7提供钻压力，螺旋钻杆7-7的纵向高频振动破碎岩石快速钻入小行星表面，同时螺旋钻杆7-7的回转运动将破碎的岩石碎屑通过螺旋钻杆7-7的螺旋槽运送到钻杆套7-8的空腔内，气罐2放出的气体沿着进气管3从进气口7-16进入钻杆套7-8的空腔，将空腔内的岩石碎屑从样品出口7-15吹出并沿着样品管5进入返回舱8完成采样任务。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)

1.一种可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器，其特征在于：包括探测器本体(1)、进尺机构(4)、转位机构(6)、采样钻(7)、气吹机构和返回舱(8)，所述的进尺机构(4)、气吹机构和返回舱(8)均安装在探测器本体(1)上，所述的转位机构(6)设置在进尺机构(4)的末端，所述的采样钻(7)设置在转位机构(6)的末端，所述的气吹机构连通采样钻(7)和返回舱(8)，所述的进尺机构(4)驱动采样钻(7)上下移动，所述的转位机构(6)带动采样钻(7)转动。

2.根据权利要求1所述的可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器，其特征在于：所述采样钻(7)包括转子(7-1)、V型后盖板(7-2)、压电陶瓷叠堆(7-3)、变幅杆(7-4)、传动轴(7-5)、下壳体(7-6)、螺旋钻杆(7-7)、钻杆套(7-8)和上壳体(7-12)，所述的转子(7-1)、V型后盖板(7-2)、压电陶瓷叠堆(7-3)、变幅杆(7-4)和传动轴(7-5)设置在上壳体(7-12)和下壳体(7-6)围成的空间内，在所述螺旋钻杆(7-7)外套设一端封闭一端开口的钻杆套(7-8)，所述钻杆套(7-8)的封闭端固定在下壳体(7-6)的远离上壳体(7-12)的一端，在所述钻杆套(7-8)上靠近封闭端处设有进气口(7-16)和样品出口(7-15)，所述变幅杆(7-4)固定在下壳体(7-6)上，所述的变幅杆(7-4)为上宽下窄的空心杆体，宽段设置在上壳体(7-12)内，并伸入V型后盖板(7-2)的空腔，窄段设置在下壳体(7-6)内与螺旋钻杆(7-7)连接，所述的变幅杆(7-4)的宽段将压电陶瓷叠堆(7-3)压紧在V型后盖板(7-2)上，所述的V型后盖板(7-2)的上端设置转子(7-1)，所述的传动轴(7-5)依次穿过转子(7-1)和变幅杆(7-4)后与螺旋钻杆(7-7)连接，在转子(7-1)和上壳体(7-12)上壁之间的传动轴(7-5)上套设一压紧弹簧(7-11)，在下壳体(7-6)内部的螺旋钻杆(7-7)上套设有一恢复弹簧(7-13)。

3.根据权利要求2所述的可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器，其特征在于：所述进尺机构(4)包括进尺轴(4-1)、齿条(4-2)、齿轮(4-3)、电机(4-4)和电机支撑座(4-5)，所述齿条(4-2)安装在进尺轴(4-1)上，所述齿轮(4-3)安装在电机(4-4)的输出轴上，所述齿条(4-2)和齿轮(4-3)啮合，所述的电机(4-4)安装在电机支撑座(4-5)上，所述的电机支撑(4-5)固定在探测器本体(1)上，所述电机(4-2)通过齿轮(4-3)和齿条(4-2)组成的齿轮齿条副将回转运动变为进尺轴(4-1)的直线运动。

4.根据权利要求3所述的可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器，其特征在于：所述转位机构(6)包括转位电机(6-1)、电机支架(6-2)、小齿轮(6-3)、大齿轮(6-4)和连接架(6-6)，所述转位电机(6-1)安装在电机支架(6-2)上，所述电机支架(6-2)固定在进尺轴(4-1)的末端，所述小齿轮(6-3)安装在转位电机(6-1)的输出轴上，所述小齿轮(6-3)与转动连接在进尺轴(4-1)上的大齿轮(6-4)啮合，所述大齿轮(6-4)通过连接架(6-6)与上壳体(7-12)固定连接，所述转位电机(6-1)通过小齿轮(6-3)和大齿轮(6-4)组成的齿轮副驱动采样钻(7)转位。

5.根据权利要求4所述的可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器，其特征在于：所述气吹机构包括气罐(2)、进气管(3)和样品管(5)，所述气罐(2)固定在探测器本体(1)上，所述的气罐(2)通过进气管(3)与进气口(7-16)连通，所述的样品管(5)连通样品出口(7-15)和返回舱(8)。

6.根据权利要求5所述的可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器，其特征在于：所述采样器包括导向限位机构，所述导向限位机构包括固定在探测器本体(1)上的滑块(4-6)和设置在进尺轴(4-1)上的导轨(4-7)，所述导轨(4-7)两端设有限位沿，所述滑块(4-6)和导轨(4-7)配合。

7.根据权利要求4-7中任一项所述的可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器，其特征在于：在大齿轮(6-4)与进尺轴(4-1)连接处设有一角接触球轴承(6-5)，所述大齿轮(6-4)和连接架(6-6)连接为一体后与角接触球轴承(6-5)的外圈紧配合。

8.根据权利要求2-6任一项所述的可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器，其特征在于：在上壳体(7-12)的端部设有用于支撑传动轴(7-5)的第一轴承(7-9)，在所述的第一轴承(7-9)的内圈配合有一铜套(7-10)，所述的压紧弹簧(7-11)的一端紧压铜套(7-10)，另一端将转子(7-1)压在V型后盖板(7-2)上。

9.根据权利要求8所述的可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器，其特征在于：在恢复弹簧(7-13)与下壳体(7-6)相抵处设有一第二轴承(7-14)，所述的恢复弹簧(7-13)一端紧压螺旋钻杆(7-7)使其端面与变幅杆(7-4)贴合，另一端紧压第二轴承(7-14)使其与下壳体(7-6)贴合。

10.根据权利要求8所述的可转位回转冲击超声波钻进采样气吹送样式小行星采样器，其特征在于：所述上壳体(7-12)和下壳体(7-6)之间通过螺栓连接。

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