一种用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置的制作方法

本发明属于航天技术领域，尤其涉及一种用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置。

背景技术：

针对我国首次月球无人采样任务，需要在低重力条件下将装入月壤的样品容器转移至密封容器。如何在正常(地表)环境下低成本模拟低重力环境开展样品容器转移试验尤为重要。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置，本实施例以包括月球在内地外天体采样样品容器转移至密封容器的需求为基础，综合考虑了样品容器自由下落、样品容器落入密封容器及样品容器在密封容器中下落的三个不同运动阶段的受力情况，完成了可模拟不同重力环境下样品容器转移试验装置的设计研制。本实施例所述的用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置设计简单易于实现，既能够满足任务需求，还能够广泛的应用于不同重力环境下的容器转移试验，确保了航天器在执行任务中的可靠性和安全性。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置，包括：传送驱动单元、位姿调整单元、主体支撑单元，模拟样品容器、模拟密封容器和模拟密封容器安装平台；

所述传送驱动单元和位姿调整单元依次设置在所述主体支撑单元上；

所述传送驱动单元，用于提供对所述模拟样品容器转移运动过程的导向和真实的续送力；

所述位姿调整单元，用于调整模拟密封容器安装平台的姿态，以及调整模拟样品容器和模拟密封容器的位姿关系；

其中，在初始时刻，传送驱动单元与所述模拟样品容器连接，所述位姿调整单元与所述模拟密封容器连接；连接后的模拟样品容器与模拟密封容器同轴。

在所示用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置中，所述传送驱动单元，包括：固定支架、传送支架、驱动电磁铁、提拉钢丝绳、弹射组件、拔销释放组件和模拟导向组件；

所述传送支架水平设置、与所述固定支架连接；

所述驱动电磁铁、弹射组件和模拟导向组件固定在传送支架上；

所述驱动电磁铁通过提拉钢丝绳与所述模拟样品容器连接；其中，所述驱动电磁铁，用于控制提拉钢丝绳的收缩，以对所述模拟样品容器提供补偿拉力；

所述模拟导向组件设置在所述模拟样品容器外侧，所述模拟导向组件的内径与所述模拟样品容器的外径相匹配；其中，所述模拟导向组件，用于控制所述模拟样品容器的初始下落方向；

所述模拟导向组件上设置有水平方向的空腔，所述拔销释放组件设置在所述空腔内，用于对所述模拟样品容器进行安装时的卡位；

所述弹射组件，用于控制所述拔销释放组件的释放，为所述模拟样品容器提供初始下落速度。

在所示用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置中，所述模拟密封容器安装平台包括：上安装平台和下回转平台；所述位姿调整单元，包括：着陆姿态调整组件；

其中，所述着陆姿态调整组件包括：第一铰链、第一调整机座、第一调整丝杆、第二铰链、第二调整机座、第二调整丝杆和锁紧组件；

所述第一调整丝杆和第二调整丝杆分别安装在所述第一调整机座和第二调整机座上；

所述第一调整丝杆，用于控制所述第一铰链的转动，通过第一铰链的转动调整所述上安装平台的倾斜角度；

所述第二调整丝杆，用于控制所述第二铰链的转动，通过第二铰链的转动调整所述下回转平台的倾斜角度；

所述锁紧组件，用于在上安装平台和下回转平台的倾斜角度调整完成之后，对上安装平台和下回转平台进行锁止。

在所示用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置中，所述位姿调整单元，包括：传送位置调整组件；其中，所述传送位置调整组件包括：水平偏差调整单元和同轴偏差调整转盘；所述同轴偏差调整转盘设置在所述水平偏差调整单元和所述模拟密封容器之间；

所述水平偏差调整单元包括：上移动平台、下移动平台、上平台调整螺旋旋钮、下平台调整螺旋旋钮、上平台锁紧旋钮、下平台锁紧旋钮和下固定平台；其中，所述下移动平台设置在下固定平台之上，所述上移动平台设置在所述下移动平台之上；所述上平台调整螺旋旋钮，用于调整上移动平台相对于下固定平台的位置；所述下平台调整螺旋旋钮，用于调整下移动平台相对于下固定平台的位置；所述上平台锁紧旋钮，用于在上移动平台调整完成之后，对上移动平台进行锁止；所述下平台锁紧旋钮，用于在下移动平台调整完成之后，对下移动平台进行锁止；

所述同轴偏差调整转盘包括：上转盘、下转盘、转动把手和压紧肘夹；其中，所述上转盘和下转盘的接触面为呈设定角度的斜面，在初始位置，所述上转盘和下转盘的接触面平行；所述转动把手与所述上转盘连接，用于调整上转盘的转动；所述压紧肘夹分别与所述水平偏差调整单元和所述模拟密封容器连接，用于在上转盘调整完成之后，对水平偏差调整单元和所述模拟密封容器进行压紧。

在所示用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置中，还包括：观察记录单元；所述观察记录单元，用于获取所述模拟样品容器下落过程的图像信息，以及，获取所述模拟样品容器下落过程的运动参数；

所述观察记录单元包括：第一观察记录组件、第二观察记录组件和第三观察记录组件；所述第一观察记录组件、第二观察记录组件和第三观察记录组件以所述模拟样品容器的轴心为圆心、按照设定半径均布在主体支撑单元周围。

在所示用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置中，还包括：控制单元，用于对所述传送驱动单元和观察记录单元进行控制，并获取数据。

本发明具有以下优点：

本发明以包括月球在内地外天体采样样品容器转移至密封容器的需求为基础，综合考虑了样品容器自由下落、样品容器落入密封容器及样品容器在密封容器中下落的三个不同运动阶段的受力情况，完成了可模拟不同重力环境下样品容器转移试验装置的设计研制。本发明所述的用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置设计简单易于实现，既能够满足任务需求，还能够广泛的应用于不同重力环境下的容器转移试验，确保了航天器在执行任务中的可靠性和安全性。

附图说明

图1是本发明实施例中一种用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种传送驱动单元的结构示意图；

图3是本发明实施例中一种着陆姿态调整组件的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种水平偏差调整单元的结构示意图；

图5是本发明实施例中一种同轴偏差调整转盘的结构示意图；

图6是本发明实施例中一种样品容器下落过程的受力状态示意图；

图7是本发明实施例中一种样品容器落入密封容器过程的受力状态示意图；

图8是本发明实施例中一种样品容器在密封容器中下落过程的受力状态示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。

为了验证不同重力环境，尤其是低重力条件下将地外天体采样的样品容器转移至密封容器设计的正确性。需要有相应的试验装置，要求该装置能够：1、在地面进行重力补偿从而模拟不同重力环境；2、具备设置模拟样品容器传送的位置和角度的能力；3、具备设置模拟密封容器安装平台的姿态角度的能力；4、精确测量模拟样品容器转移至模拟密封容器过程中不同运动阶段的运动参数。本领域技术人员应当明了的是，顾名思义，模拟样品容器模拟的是真实的样品容器，模拟密封容器模拟的是真实的密封容器，模拟密封容器安装平台模拟的是真实的密封容器安装平台。

在本实施例中，所述用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置综合考虑了样品容器转移过程可能遇到的安装位置偏差和着陆平台姿态等干扰因素，可以实现对样品容器转移所处的真实低重力环境进行模拟，支持开展样品容器自由下落、样品容器落入密封容器及在样品容器在密封容器中下落三个阶段的运动过程的验证试验。

参照图1，示出了本发明实施例中一种用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置的结构示意图。在本实施例中，所述样品容器转移试验装置包括：传送驱动单元1、位姿调整单元2、主体支撑单元3，模拟样品容器4、模拟密封容器5和模拟密封容器安装平台6。

如图1，所述传送驱动单元1和位姿调整单元2依次设置在所述主体支撑单元3上。在初始时刻，传送驱动单元1与所述模拟样品容器4连接，所述位姿调整单元2与所述模拟密封容器5连接；连接后的模拟样品容器4与模拟密封容器5同轴。

在本实施例中，所述传送驱动单元1，可以用于提供对所述模拟样品容器转移运动过程的导向和真实的续送力。所述位姿调整单元2，可以用于调整模拟密封容器安装平台的姿态，以及调整模拟样品容器和模拟密封容器的位姿关系。主体支撑单元3主要用于确保试验装置整体的稳定及装置各单元部件的相对位置关系。

优选的，在本实施例中，如图1所示，所述样品容器转移试验装置还可以包括：观察记录单元7。所述观察记录单元7，可以用于获取所述模拟样品容器下落过程的图像信息，以及，获取所述模拟样品容器下落过程的运动参数；进而判定所述模拟样品容器转移的可靠性。

其中，所述观察记录单元7具体可以包括：第一观察记录组件701、第二观察记录组件702和第三观察记录组件(图1中未示出)。所述第一观察记录组件、第二观察记录组件和第三观察记录组件以所述模拟样品容器4的轴心为圆心、按照设定半径均布在主体支撑单元3周围。其中，需要说明的是，所述第一观察记录组件、第二观察记录组件和第三观察记录组件分别由一个支架和一个高速摄像机组成，上述设定半径可以根据所述高速摄像机的具体性能参数(如焦距等)设置，以确保所述观察记录单元7可以观察到模拟样品容器4的完整下落过程。例如，所述设定半径包括但不仅限于0.5m。

在本发明的一优选实施例中，参照图2，示出了本发明实施例中一种传送驱动单元的结构示意图。在本实施例中，所述传送驱动单元1具体可以包括：固定支架101、传送支架102、驱动电磁铁103、提拉钢丝绳104、弹射组件105、拔销释放组件106和模拟导向组件107。驱动电磁铁103能够收紧提拉钢丝绳104，可通过控制提供相应的补偿拉力；弹射组件105可提供模拟样品容器初始的下落速度；拔销释放组件106确保模拟样品容器的安装卡位，在试验时可控制将模拟样品容器释放；模拟导向组件107确保模拟样品容器的初始下落方向。

具体的，所述传送支架102水平设置、与所述固定支架101连接。所述驱动电磁铁103、弹射组件105和模拟导向组件107固定在传送支架102上。所述驱动电磁铁103通过提拉钢丝绳104与所述模拟样品容器4连接；其中，所述驱动电磁铁103，用于控制提拉钢丝绳104的收缩，以对所述模拟样品容器4提供补偿拉力。所述模拟导向组件107设置在所述模拟样品容器4外侧，所述模拟导向组件107的内径与所述模拟样品容器4的外径相匹配(如，可以相同)；其中，所述模拟导向组件107，用于控制所述模拟样品容器的初始下落方向。所述模拟导向组件107上设置有水平方向的空腔，所述拔销释放组件106设置在所述空腔内，用于对所述模拟样品容器进行安装时的卡位。所述弹射组件105，用于控制所述拔销释放组件的释放，为所述模拟样品容器提供初始下落速度。

在本发明的一优选实施例中，如图1，优选的，所述位姿调整单元2具体可以包括：着陆姿态调整组件201和传送位置调整组件202。

其中，参照图3，示出了本发明实施例中一种着陆姿态调整组件的结构示意图。如图3，所述模拟密封容器安装平台6具体可以包括：上安装平台601和下回转平台602。所述着陆姿态调整组件201具体可以包括：第一铰链2011、第一调整机座2012、第一调整丝杆2013、第二铰链2014、第二调整机座2015、第二调整丝杆2016和锁紧组件2017。

在本实施例中，所述第一调整丝杆2013和第二调整丝杆2016分别安装在所述第一调整机座2012和第二调整机座2015上。所述第一调整丝杆2013，用于控制所述第一铰链2011的转动，通过第一铰链2011的转动调整所述上安装平台601的倾斜角度。所述第二调整丝杆2016，用于控制所述第二铰链2014的转动，通过第二铰链2014的转动调整所述下回转平台602的倾斜角度。所述锁紧组件2017，用于在上安装平台601和下回转平台602的倾斜角度调整完成之后，对上安装平台601和下回转平台602进行锁止。

可见，在本实施例中，着陆姿态调整组件201实现了对模拟密封容器安装平台的二维姿态调整。其中，通过调整丝杆的伸缩带动铰链实现对上安装平台和下回转平台的角度设置。在实际应用中，可以在各个丝杆的端部设置调整手柄，调整手柄可以按四分之一圈为一档进行调节，每档调整角度可以为0.17°，调整角度可使用精度为0.05°的二维倾角测量仪进行测量。

其中，所述传送位置调整组件202具体可以包括：水平偏差调整单元2021和同轴偏差调整转盘2022。所述同轴偏差调整转盘2022设置在所述水平偏差调整单元2021和所述模拟密封容器5之间。

优选的，参照图4，示出了本发明实施例中一种水平偏差调整单元的结构示意图。如图4，所述水平偏差调整单元2021具体可以包括：上移动平台20211、下移动平台20212、上平台调整螺旋旋钮20213、下平台调整螺旋旋钮20214、上平台锁紧旋钮20215、下平台锁紧旋钮20216和下固定平台20217。

在本实施例中，所述下移动平台20212设置在下固定平台20217之上，所述上移动平台20211设置在所述下移动平台20212之上。所述上平台调整螺旋旋钮20213，用于调整上移动平台相对于下固定平台的位置。所述下平台调整螺旋旋钮20214，用于调整下移动平台相对于下固定平台的位置。所述上平台锁紧旋钮20215，用于在上移动平台调整完成之后，对上移动平台进行锁止。所述下平台锁紧旋钮20216，用于在下移动平台调整完成之后，对下移动平台进行锁止。

优选的，参照图5，示出了本发明实施例中一种同轴偏差调整转盘的结构示意图。如图5，所述同轴偏差调整转盘2022具体可以包括：所述同轴偏差调整转盘包括：上转盘20221、下转盘20222、转动把手20223和压紧肘夹20224。

在本实施例中，所述上转盘20221和下转盘20222的接触面为呈设定角度的斜面，在初始位置，所述上转盘20221和下转盘20222的接触面平行。所述转动把手20223与所述上转盘20221连接，用于调整上转盘的转动。所述压紧肘夹20224分别与所述水平偏差调整单元2021和所述模拟密封容器5连接，用于在上转盘调整完成之后，对水平偏差调整单元和所述模拟密封容器进行压紧。

可见，在本实施例中，通过传送位置调整组件202完成了模拟样品容器相对于模拟样品容器的三维位姿调整设置。通过上/下平台调整螺旋旋钮可以控制上移动平台与下移动平台相对于下固定平台的位置，保证：±20°的角度调整；±3mm水平面二轴位置调整；以及0～200mm的高度位置调整。此外，在水平偏差调整单元上可安装同轴偏差调整转盘，通过转动把手的伸缩控制上、下转盘的相对位置，从而实现对模拟样品容器与模拟密封容器的二维姿态的精确调整，调整精度可达0.01°。

此外，在本实施例中，所述样品容器转移试验装置还可以包括：控制单元。其中，所述控制单元，可以用于对所述传送驱动单元和观察记录单元进行控制，并获取数据。

在本实施例中，基于上述样品容器转移试验装置可以实现对真实的样品容器的运动状态的验证试验。

(1)样品容器自由下落运动状态验证

样品容器自由下落运动状态过程表现为样品容器自由下落的过程，需要模拟出样品容器在低重力环境下所受的等效力和运动的真实状态，从而验证样品容器是否可以成功下落。

参照图6，示出了本发明实施例中一种样品容器下落过程的受力状态示意图。其中，所述样品容器所受合力为F_下＝mg(cosα-μsinα)，其中m表示样品容器的质量，g表示重力加速度，均为已知量；通过横卧安装的方法可以测量得到拟样品容器与导向组件之间的摩擦系数μ的取值；α表示样品容器与导向组件之间的倾角。

在本实施例中，通过着陆姿态调整组件的调整，可以得到不同的α取值；通过调整模拟样品容器的质量可以得到不同的m取值，从而模拟该阶段样品容器真实的受力状态。以此开展该运动状态下的验证试验。

还需要说明的是，图6中所示h表示样品容器与密封容器之间的距离，f表示样品容器与导向组件之间的摩擦力，F_n表示导向组件对模拟样品容器的支撑力。

(2)样品容器落入密封容器运动状态验证

样品容器落入密封容器运动状态过程表现为样品容器完成自由下落后，进入密封容器口的运动过程。采用动量等效法验证该运动阶段的状态，从而验证样品容器是否能够在一定的冲击惯性力作用下落入密封容器。

参照图7，示出了本发明实施例中一种样品容器落入密封容器过程的受力状态示意图。其中，以月面重力环境作为低重力环境的代表，使用模拟样品容器测试，令m_地＝m_月。为保证动量等效，试验中保证h_地＝h_月/6，即降低模拟试验的传送距离为月面实际传送距离的六分之一。

在本实施例中，通过所述样品容器转移试验装置调整α取值及模拟样品容器与模拟密封容器的相对位置。从而模拟该阶段样品容器真实的受力状态。以此开展该运动状态下的验证试验。

(3)样品容器在密封容器中下落运动状态验证

参照图8，示出了本发明实施例中一种样品容器在密封容器中下落过程的受力状态示意图。样品容器在密封容器中下落运动状态验证过程表现为样品容器进入封装容器口后的运动过程。采用过补偿方式，使得样品容器所具有的初始动量为零，从而验证样品容器在真实力的作用下、初始冲击惯性力为零的条件下是否有卡滞，并可测出不发生卡滞现象的允许轴线偏角范围。

该阶段与样品容器自由下落运动过程进行重力补偿的方法一致，通过调整容器内的样品质量达到改变m的目的。通过对α、模拟密封容器与模拟样品容器相对位姿的调整，从而模拟该阶段样品容器真实的受力状态。以此开展该运动状态下的验证试验。

总的来说，所述用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置可以实现如下功能：

在样品容器自由下落阶段：通过改变模拟样品容器质量(也即，样品容器内的样品质量)模拟不同的重力环境；通过着陆姿态模拟组件调整所述模拟密封容器安装平台姿态，模拟样品容器下落时的真实状态；通过对摩擦系数的测量，掌握样品容器下落过程的受力情况。

在样品容器落入密封容器阶段：通过改变试验的传送距离，模拟该阶段样品容器所遇到不同的重力环境；通过着陆姿态模拟组件调整所述模拟密封容器安装平台姿态，模拟样品容器下落时可能遇到的不同状态；通过多次试验，验证样品容器在不同的下落状态，以及相对密封容器不同的位姿关系时，落入密封容器的最大忍受边界。

在样品容器在密封容器阶段：通过改变模拟样品容器质量模拟不同的重力环境；通过着陆姿态模拟组件调整所述模拟密封容器安装平台姿态，模拟样品容器下落时的真实状态；通过传送位置调整组件调整样品容器与密封容器安装相对位姿，模拟样品容器在密封容器中运动可能遇到的不同状态；通过力过补偿方式，模拟样品容器所具有的初始动量为零，从而验证样品容器在真实力的作用下是否发生卡滞，获取不发生卡滞的最大忍受边界。

综上所述，本发明以包括月球在内地外天体采样样品容器转移至密封容器的需求为基础，综合考虑了样品容器自由下落、样品容器落入密封容器及样品容器在密封容器中下落的三个不同运动阶段的受力情况，完成了可模拟不同重力环境下样品容器转移试验装置的设计研制。本发明所述的用于模拟不同重力环境下的样品容器转移试验装置设计简单易于实现，既能够满足任务需求，还能够广泛的应用于不同重力环境下的容器转移试验，确保了航天器在执行任务中的可靠性和安全性。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。