一种微重力环境下样品防逃逸装置及使用方法与流程

1.本发明属于小天体探测技术领域，具体涉及一种微重力环境下样品防逃逸装置及使用方法。


背景技术：

2.微重力环境下双级收纳容器是小天体样品密封子系统的重要组成部分，主要负责机械臂采集样品的收纳和防逃逸工作，其方案可行性和可靠性直接决定着小天体样品采样返回任务的成败。
3.目前，国外开展的地外天体采样任务有苏联的luna登月采样任务，美国的阿波罗登月采样任务、日本的隼鸟和隼鸟-2号小天体采样任务、美国的奥西里斯号小天体采样任务等。国内仅有嫦娥5号月球样品采样任务完成月球样品的采样返回。
4.根据调研结果，国内外小天体采样任务中采集样品颗粒均小于20mm，如隼鸟采集样品颗粒为1mm～5mm，欧西里斯采集样品颗粒＜20mm，未发现针对≥30mm样品颗粒的采集方案。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是提供一种微重力环境下样品防逃逸装置及使用方法，可以满足在微重力环境下，实现对两种样品的两级收纳和防逃逸。
6.一种微重力环境下双级收纳容器，与样品采集机构配合使用；所述样品采集机构包括直线作动器(9)、机械臂骨架(8)、第一级取样器(6)以及第二级取样器(7)，所述双级收纳容器包括导向环(1)、第一级容器(2)、第二级容器(10)、第一层板簧(3)以及第二层板簧(4)；
7.导向环(1)为与样品采集机构的机械臂骨架(8)的锥形凸起形状配合的环形结构，上端为锥形敞口，下端为圆柱体，外缘设置有对接法兰；
8.第一层板簧(3)和第二层板簧(4)具有一个环形结构，其上设置有多个弹性材料制成的簧片，簧片的一端固定在环形结构上，另一端为自由端，朝向环形结构的中心轴，并且相对于环形结构所在平面有一定倾斜角度，所有簧片的自由端围成一个空心结构；
9.第二级容器(10)的上、下两端均开口，上端外缘设置有对接法兰，用于与导向环(1)的对接法兰固定；第二层板簧(4)的环形结构固定在第二级容器(10)的上端内壁上，放置方式为簧片整体位于环形结构所在平面的下方；
10.第一级容器(2)的上端开口，下端封闭，其开口端与第二级容器(10)下端对接并固定在一起，第一级容器(2)和第二级容器(10)连接为一个容器；
11.第一层板簧(3)安装在第一级容器(2)的上端内壁上，放置方式为簧片整体位于环形结构所在平面的下方。
12.进一步的，第一级取样器(6)外表面设置的止回环。
13.进一步的，第二级取样器(7)外表面的止回槽。
14.较佳的，第一层板簧(3)和第二层板簧(4)通过铆接方式分别与第二级容器(10)和第一级容器(2)连接。
15.较佳的，导向环(1)的对接法兰与第二级容器(2)对接法兰为螺栓连接。
16.一种微重力环境下双级收纳容器的使用方法，包括：
17.(1)第一级取样器(6)放入样品防逃逸装置
18.样品采集机构通过第一级取样器(6)完成样品颗粒采集后，首先运动至样品防逃逸装置正上方，然后沿垂直方向靠近样品防逃逸装置；导向环(1)与机械臂骨架(8)通过锥面配合实现定位；在直线作动器(9)作用下，第一级取样器(6)与机械臂骨架(8)分离，同时第一级取样器(6)和第二级取样器(7)垂直向下运动；在第一级取样器(6)推力作用下，第二层板簧(4)的簧片和第一层板簧(3)的簧片被推开，两层板簧依次开启；样品采集机构运动到位，同时第一层板簧(3)上分布的簧片回弹并进入第一级取样器(6)外表面设置的止回环，簧片卡住第一级取样器(6)，第一级取样器(6)放入动作完成；
19.(2)第二级取样器(7)放入样品防逃逸装置
20.样品采集机构通过第二级取样器(7)完成样品颗粒采集后，首先运动至防逃逸装置正上方，然后沿垂直方向靠近；导向环(1)与机械臂骨架(8)通过锥面配合实现定位；在直线作动器(9)作用下，第二级取样器(7)与机械臂骨架(8)分离，同时第二级取样器(7)垂直向下运动；在第二级取样器(7)推力作用下，第二层板簧(4)开启，第二级取样器(7)在运动过程中与第一级取样器(6)接触并带动第一级取样器(6)垂直向下运动。第一级取样器(6)运动到位，同时第二层板簧(4)上分布的簧片回弹并进入第二级取样器(7)外表面的止回槽，第二级取样器(7)的放入动作完成。
21.本发明具有如下有益效果：
22.本发明通过设置两级容器，以及在每一级容器口部设置板簧，可以容纳两个取样器，并能防止取样器逃逸；通过采用板簧结构，可以实现无源条件下防逃逸结构的开启与闭合；本发明的防逃逸装置结构简单、小巧，可以实现有限空间下防逃逸结构的安装固定。
附图说明
23.图1为本发明样品收纳初始状态下各部件位置关系示意图；
24.图2为本发明机械臂与双级收纳容器对接后正剖面结构示意图；
25.图3为本发明第一级取样器正在进入双级收纳容器正剖面结构示意图；
26.图4为本发明机械臂将第一级取样器放入容器返回后正剖面结构示意图；
27.图5为本发明第二级取样器正在进入双级收纳容器正剖面结构示意图；
28.图6为本发明机械臂将第二级取样器放入容器返回后正剖面结构示意图；
29.图7为第一层板簧、第二层板簧结构示意图。
30.其中，1-导向环、2-第一级容器、3-第一层板簧、4-第二层板簧、5-铆钉、6-第一级取样器、7-第二级取样器、8-机械臂骨架、9-直线作动器、10-第二级容器。
具体实施方式
31.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
32.本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提出一种微重力环境下双级收纳容
器，实现机械臂对≥30mm样品颗粒及＜20mm样品颗粒的收纳。
33.如图1所示，现有的样品采集机构包括直线作动器9、机械臂骨架8、第一级取样器6以及第二级取样器7；机械臂骨架8为下端开口的圆筒形结构，底部外缘设置有一圈锥形凸起；直线作动器9从机械臂容器2上端伸入到筒内，下端3连接第二级取样器7和第一级取样器6；对样品进行采集时，机械臂带动直线作动器9及其上连接的机械臂骨架8、第一级取样器6以及第二级取样器7到达指定位置，第一级取样器6先对直径≥30mm样品颗粒采集后，运动到样品容器，将第一级取样器6脱离，保留在样品容器中；再带动直线作动器9及其上连接的机械臂骨架8、第二级取样器7到达指定位置，第二级取样器7对直径＜20mm样品颗粒采集后，运动到样品容器，将第二级取样器7脱离，保留在样品容器中，完成两种尺寸样品的采集。
34.针对上述样品采集机构，本发明设计了一种微重力环境下样品防逃逸装置，可以容纳该两级取样器，并可防止取样器逃逸，该装置包括：第一级容器2、第二级容器10、导向环1、第一层板簧3以及第二层板簧4。
35.如图1所示，导向环1为与样品采集机构的机械臂骨架8的锥形凸起形状配合的环形结构，上端为锥形敞口，下端为圆柱体，外缘设置有对接法兰；样品采集机构向下运动进入本发明的防逃逸装置的导向环1时，锥形敞口引导机械臂骨架8进入防逃逸装置，运动到位后，机械臂骨架8卡在导向环1上。
36.如图7所示，第一层板簧3和第二层板簧4具有一个环形结构，其上设置有多个弹性材料制成的簧片，簧片的一端固定在环形结构上，另一端为自由端，朝向环形结构的中心轴，并且相对于环形结构所在平面有一定倾斜角度，所有簧片的自由端围成一个空心结构。
37.第二级容器10的上、下两端均开口，上端外缘设置有对接法兰，用于与导向环1的对接法兰固定。第二层板簧4的环形结构固定在第二级容器10的上端内壁上，放置方式为簧片整体位于环形结构所在平面的下方。
38.第一级容器2的上端开口，下端封闭，其开口端与第二级容器10下端对接并固定在一起，第一级容器2和第二级容器10连接为一个容器。
39.第一层板簧3安装在第一级容器2的上端内壁上，放置方式为簧片整体位于环形结构所在平面的下方。第一层板簧3和第二层板簧4通过铆接方式分别与第二级容器10和第一级容器2连接；导向环1的对接法兰与第二级容器2对接法兰为螺栓连接。
40.本发明的防逃逸装置的工作过程如下：
41.(1)第一层取样器放入样品防逃逸装置
42.机械臂通过第一级取样器6完成小天体表面直径≥30mm样品颗粒采集后，首先运动至样品防逃逸装置正上方，然后沿垂直方向靠近样品防逃逸装置。导向环1与机械臂骨架8通过锥面配合实现定位。在直线作动器9作用下，第一级取样器6与机械臂骨架8分离，同时第一级取样器6和第二级取样器7垂直向下运动。在第一级取样器6推力作用下，第二层板簧4的簧片和第一层板簧3的簧片被推开，两层板簧依次开启。样品采集装置运动到位，同时第一层板簧3上分布的簧片回弹并进入第一级取样器6外表面设置的止回环，簧片卡住第一级取样器，保证两级取样器顺利脱开，同时保证第一级取样器6卡在容器内，防止其逃逸；第一级取样器6放入动作完成，机械臂返回。
43.(2)第二层取样器放入容器
44.机械臂通过第二级取样器7完成小天体表面直径＜20mm样品颗粒采集后，首先运动至防逃逸装置正上方，然后沿垂直方向靠近。导向环1与机械臂骨架8通过锥面配合实现定位。在直线作动器9作用下，第二级取样器7与机械臂骨架8分离，同时第二级取样器7垂直向下运动。在第二级取样器7推力作用下，第二层板簧4开启。第二级取样器7在运动过程中与第一级取样器6接触并带动第一级取样器6垂直向下运动。第一级取样器6运动到位，同时第二层板簧4上分布的簧片回弹并进入第二级取样器7外表面的止回槽，第二级取样器7的放入动作完成，机械臂返回。
45.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。

技术特征：
1.一种微重力环境下双级收纳容器，与样品采集机构配合使用；所述样品采集机构包括直线作动器(9)、机械臂骨架(8)、第一级取样器(6)以及第二级取样器(7)，其特征在于，所述双级收纳容器包括导向环(1)、第一级容器(2)、第二级容器(10)、第一层板簧(3)以及第二层板簧(4)；导向环(1)为与样品采集机构的机械臂骨架(8)的锥形凸起形状配合的环形结构，上端为锥形敞口，下端为圆柱体，外缘设置有对接法兰；第一层板簧(3)和第二层板簧(4)具有一个环形结构，其上设置有多个弹性材料制成的簧片，簧片的一端固定在环形结构上，另一端为自由端，朝向环形结构的中心轴，并且相对于环形结构所在平面有一定倾斜角度，所有簧片的自由端围成一个空心结构；第二级容器(10)的上、下两端均开口，上端外缘设置有对接法兰，用于与导向环(1)的对接法兰固定；第二层板簧(4)的环形结构固定在第二级容器(10)的上端内壁上，放置方式为簧片整体位于环形结构所在平面的下方；第一级容器(2)的上端开口，下端封闭，其开口端与第二级容器(10)下端对接并固定在一起，第一级容器(2)和第二级容器(10)连接为一个容器；第一层板簧(3)安装在第一级容器(2)的上端内壁上，放置方式为簧片整体位于环形结构所在平面的下方。2.如权利要求1所述的一种微重力环境下双级收纳容器，其特征在于，第一级取样器(6)外表面设置的止回环。3.如权利要求2所述的一种微重力环境下双级收纳容器，其特征在于，第二级取样器(7)外表面的止回槽。4.如权利要求1所述的一种微重力环境下双级收纳容器，其特征在于，第一层板簧(3)和第二层板簧(4)通过铆接方式分别与第二级容器(10)和第一级容器(2)连接。5.如权利要求1所述的一种微重力环境下双级收纳容器，其特征在于，导向环(1)的对接法兰与第二级容器(2)对接法兰为螺栓连接。6.一种基于权利要求3所述的微重力环境下双级收纳容器的使用方法，其特征在于，包括：(1)第一级取样器(6)放入样品防逃逸装置样品采集机构通过第一级取样器(6)完成样品颗粒采集后，首先运动至样品防逃逸装置正上方，然后沿垂直方向靠近样品防逃逸装置；导向环(1)与机械臂骨架(8)通过锥面配合实现定位；在直线作动器(9)作用下，第一级取样器(6)与机械臂骨架(8)分离，同时第一级取样器(6)和第二级取样器(7)垂直向下运动；在第一级取样器(6)推力作用下，第二层板簧(4)的簧片和第一层板簧(3)的簧片被推开，两层板簧依次开启；样品采集机构运动到位，同时第一层板簧(3)上分布的簧片回弹并进入第一级取样器(6)外表面设置的止回环，簧片卡住第一级取样器(6)，第一级取样器(6)放入动作完成；(2)第二级取样器(7)放入样品防逃逸装置样品采集机构通过第二级取样器(7)完成样品颗粒采集后，首先运动至防逃逸装置正上方，然后沿垂直方向靠近；导向环(1)与机械臂骨架(8)通过锥面配合实现定位；在直线作动器(9)作用下，第二级取样器(7)与机械臂骨架(8)分离，同时第二级取样器(7)垂直向下运动；在第二级取样器(7)推力作用下，第二层板簧(4)开启，第二级取样器(7)在运动过程
中与第一级取样器(6)接触并带动第一级取样器(6)垂直向下运动。第一级取样器(6)运动到位，同时第二层板簧(4)上分布的簧片回弹并进入第二级取样器(7)外表面的止回槽，第二级取样器(7)的放入动作完成。

技术总结
本发明公开了一种微重力环境下样品防逃逸装置及使用方法，通过设置两级容器，以及在每一级容器口部设置板簧，可以容纳两个取样器，并能防止取样器逃逸；通过采用板簧结构，可以实现无源条件下防逃逸结构的开启与闭合；本发明的防逃逸装置结构简单、小巧，可以实现有限空间下防逃逸结构的安装固定。限空间下防逃逸结构的安装固定。限空间下防逃逸结构的安装固定。


技术研发人员：王名亮 王春勇 康昌玺 刘轶鑫 杜永刚 王波 王琎
受保护的技术使用者：兰州空间技术物理研究所
技术研发日：2022.09.15
技术公布日：2023/4/25