[发明专利]一种用于小行星探测的钻取抓铲式复合采样器装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明属于空间探测技术领域，具体来说，是一种用于小行星探测的钻取抓铲式复合采样器装置及其使用方法。 

背景技术

小行星是太阳系形成后的物质残余，也是太阳系中的重要成员，它保留了太阳系的形成和早期演化的遗迹，反映了其形成过程的物理化环境，因而是人类了解太阳系起源、形成和演变的重要载体。并且，小行星上有丰富的铁、镍和铜等金属，有的含有金和铂等贵金属及稀有元素，如第16号灵神星，其直径为250公里，按计算估计有5亿吨铁、5000万亿吨镍，还有数亿吨其它的稀有金属。目前，在大量近地小行星中已经识别出了铂族金属元素矿床，早期的研究表明最普遍的C型小行星表面物质富含碳和水，同时包含多种与生命有关的重要有机分子，科学家在陨石中发现有丰富的有机物质，这些碳物质中含有类似氨基酸的成分，是蛋白质的基本原料。因此，对小行星进行深空探测有十分重大的科学意义。 

近年来，世界各国对小行星进行了多方面的探测，从早期的发展飞越到目前的小行星低空绕轨勘探，再发展到小行星表面软着陆和采集样品计划。2003年日本发射了“缪斯-C”探测器，它完成了5个月的观测以及样品采集工作，还获取了小行星地形、地貌和地质结构等大量信息。但是，我国还未发射过小行星探测器，为了提高我国的小行星深空探测能力，更充分地了解小行星的地理构造与表面环境，除了实现对小行星的软着陆，还需对小行星的表面物质进行取样分析。 

目前国内外星球采样器的形式，主要分为钻取式采样器、抓铲式采样器、仿生式采样器、投射式采样器和复合式采样器。其中，钻取式采样器是最常选用的采样器，其发展相对来说比较成熟，既可以采集大量的深层样品，又可保持样品的层理信息，但无法采集表层松散土壤样品；抓铲式采样器结构简单，操作灵活，但只能采集表层松散土壤样品，不能保持样品的层理信息；仿生式采样器采样方式新颖，体积和功耗较小，但是采集样品深度浅，采样量少，研究和试验也尚未成熟；投射式采样器结构简单，通过投射弹强烈碰撞小行星表面，收集飞溅的样品来采样，采样量小，通过验证采样效果也并不理想；复合式采样器是运用多种采样手段相结合的方式进行采样，容易达到采样量、保持样品层理信息、采样深度等要求，是一种多功能采样器，由于复合式采样器集成了多种采样方式的优点，在技术水平达到并且 实验条件成熟的情况下，相对前几种采样方式来说，无疑是深空探测最好的一种采样器。但复合式采样器的体积和功耗也相对较大，同时，整体的采样系统需要集成多种功能，如果能按预期目标实现功能则需要较高的技术支持和大量的测试实验验证。 

发明内容

本发明针对小行星微重力、高低温、强辐射和高真空的特殊环境，为了解决传统小行星采样器存在采样量小，样品种类少，难以保持样品层理信息和结构复杂等问题，提出一种用于小行星探测的钻取抓铲式复合采样器装置及其使用方法。 

本发明钻取抓铲式复合采样器装置包括进给机构、钻取机构、抓铲机构和安装板；所述安装板用于将进给机构、钻取机构、抓铲机构连接成一个整体，安装在着陆器上采样机械臂的末端。 

所述进给机构主要由进给电机、联轴器A、进给丝杠、光轴、微动开关触头、上框架和下框架组成。 

上框架和下框架均采用L型板材结构；分为水平面和垂直面；上框架和下框架的水平面相对平行放置；垂直面通过螺钉固定在安装板上；进给电机输出轴通过联轴器A连接进给丝杠，进给丝杠的上端和下端分别固定在上框架和下框架的水平面上；进给电机提供驱动力，驱动进给丝杠做旋转运动，进给丝杠的螺旋长度决定了钻取抓铲式复合采样器能够达到的钻取深度； 

上框架和下框架之间通过光轴固定座安装了两根光轴，用于钻取机构的导向，两根光轴和进给丝杠均立式平行放置，横截面呈三角形排列。上框架的水平面上靠近进给丝杠的地方安装有一个微动开关触头，用于触发钻取机构上的微动开关，用来限定钻取机构的上限位置。 

所述钻取机构主要由旋转组件和取样组件构成，还包括：进给丝杠螺母，直线轴承，钻杆固定板以及一维力传感器；所述的旋转组件主要有旋转电机，大齿轮，小齿轮和钻杆。所述的取样组件主要由取样电机，取样丝杠，弹簧套筒，取样弹簧，取样管和钻心组成。 

取样电机通过取样电机端盖固定在齿轮保护盖上，取样电机的输出轴和取样丝杠固联，取样丝杠通过螺纹连接弹簧套筒；弹簧套筒内放置取样弹簧；取样弹簧通过取样管螺母连接取样管，取样电机驱动取样丝杠做旋转运动，带动弹簧套筒上下运动，从而带动取样管上下运动；