专利名称：具有二次驱动功能的主动式锚固机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微重力环境下仪器设备锚固的锚固机构，属于深空探测定位系统技术领域。
背景技术：
微重力主要体现在深空探测中，空间技术的发展使得人类有可能向太阳系的某些星球发射探测器，并在某些星球表面着陆取回土壤和岩石样本，通过科学实验认识和利用星球。到目前为止，人类已实现了在月球和火星表面着陆，并成功地取回月面土壤及岩石样本。除月球和火星外，人类还向金星、木星以及小行星、彗星发射了着陆器。随着21世纪的到来，深空探测技术作为人类保护地球、进入宇宙和寻找新的生活家园的一个重要手段，弓丨起了世界各个国家的高度关注。深空探测将是人类在新世纪进行空间资源研究开发和利用、空间科学研究与技术创新的重要途径，将为人类离开地球去其他星球生活开创一个崭新的纪元。
小星体探测属于深空探测，近年来世界范围内掀起了小行星探测的热潮。小星体形成于46亿年前太阳系产生初期，含有太阳系形成初期的物质和元素，通过对小星体的探测，可以增进对太阳系的了解，探索太阳系的起源和生命起源。到目前为止，人类对小天体(包括小行星、彗星等)的探测由简单到复杂，由远距离观测到近距离观测，再到着陆小天体表面对其取样研究，这个过程是循序渐进、逐步深入的。在小天体的着陆探测中，小天体的表面引力特别小，着陆时仪器设备在其表面容易飘走，所以需要在仪器设备与小星体之间建立机械连接，将其牢牢的固定在小星体表面。
现有的将着陆器固定在小行星表面的锚定位方式有许多种，其中包括:
一、钻孔固定
原理:利用一个或两个钻头在小行星表面钻孔来固定着陆器，有两个钻头时它们转动方向相反，以减小由于钻头转动引起的着陆器转动。
优点:低速钻孔对表面区域产生较小的温度影响。
缺点:(I)钻孔所需时间较长且钻孔时所需施加的反作用力较大，时间越长燃料消耗越大，这就要求增加发射时燃料的携带量；(2)这种方法对表面硬度较低的小行星实现起来方便，而对于表面硬度较高的小行星，钻孔时间和所需反作用力会增大很多，甚至不能钻孔。
二、熔化成孔固定
原理:通过熔化装置在小行星表面形成孔，进而对着陆器进行固定。
优点:熔化装置运动部件少，减小了质量，提高了可靠性。
缺点:高温熔化能量高度集中，所需能量大，同时熔化时间也较长；在熔化过程中着陆器停留在空中，增加了着陆器上仪器翻倒的危险；如果星体表面成分不可熔化，着陆器将无法成功固定。
三、伸缩套管连接定位
美国的ST4/Champollion也曾计划进行Templel彗星的着陆探测,该计划后来被取消，其锚定位系统采用的是火工品驱动的伸缩套管结构。
原理:不同直径的刚性管同心地套接在一起，锚尖和直径小的刚性管套接，在驱动装置作用下锚尖带动套管射入星体表面，达到固定着陆器的目的。
优点:着陆点和着陆器之间是刚性连接，着陆器不会有水平方向的飘动；在着陆器定位过程中没有姿态保持，燃料消耗少。
缺点:由于小行星表面介质的各向异性，锚尖入射过程中会发生倾斜，会有很大的横向冲击载荷作用到着陆器上，对着陆器内部仪器造成损坏；在入射过程中伸缩套管运动部分质量会发生变化，给估算初始发射能量带来困难。
四、链式锚固定位
ESA的Rosetta彗星探测器采用链式锚固定位。
原理:推动锚体的活塞经撕裂销与膨胀缸之间形成固定连接，火工品点火后，撕裂销被拉断，锚体被高速推出膨胀缸，进而打入介质中。
优点:建立侵彻模型可估算侵彻预期深度所需的火工品能量；拉断撕裂销所需能量大，会产生大的爆发力，进而使得锚体产生大的侵彻速度。
缺点:锚尖不可变形，打入介质后不可变形的锚尖产生的锚固力较小；撕裂销不可重复使用，更换撕裂销需重新装配，所需时间长，制造撕裂销加工难度大、成本高。发明内容
本发明为解决现有的锚固机构中锚尖不可变形导致打入介质后锚固力较小的问题，进而提供一种具有二次驱动功能的主动式锚固机构。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:
本发明的具有二次驱动功能的主动式锚固机构，其特征在于:所述锚固机构由锚固单元和推进单元组成；
所述锚固单元包括锚尖、锚固爪、倒锥、阶梯推杆、活塞、燃烧室、火工装置、锚杆、锚杆端盖、多个均布的张开翼销和多个均布的张开翼；所述锚尖、燃烧室和锚杆均为中空结构，锚尖的一端大一端小，锚尖的大端与燃烧室的一端螺纹连接，燃烧室的另一端与锚杆的一端螺纹连接，燃烧室的另一端设置有火工装置，燃烧室的内腔中设置有活塞，阶梯推杆的大端与活塞固接，阶梯推杆位于锚尖内且与锚尖之间滑动连接，倒锥设置在锚尖内且与阶梯推杆的小端相邻设置，锚固爪固定在阶梯推杆的小端上，锚固爪的数量为四个，四个锚固爪呈星形设置，每个张开翼通过一个张开翼销安装在锚尖的大端上，多个张开翼呈星形设置；
所述推进单元包括膨胀缸、止推端盖、减振垫、活塞体、连接螺钉、活塞盖、火工装置、火工接头、限位环、多个压缩弹簧和多个活塞杆；膨胀缸的下端加工有外沿，止推端盖螺纹连接在膨胀缸的下端，减振垫设置在止推端盖的上端面上，活塞体位于膨胀缸内且与其滑动连接，活塞体上沿活塞体径向均布加工有多个盲孔，压缩弹簧和活塞杆的数量均与盲孔的数量一致设置，每个盲孔内设置有一个压缩弹簧和一个活塞杆，活塞杆可通过弹簧的弹性变形沿盲孔的轴向移动，活塞盖通过连接螺钉固装在活塞体的上端面上，火工接头通过螺纹连接在膨胀缸的上端，火工接头上设置有火工装置，膨胀缸上端的外壁上螺纹连接有限位环；
锚固单元的燃烧室外壁与膨胀缸端盖内壁滑动连接。
本发明的有益效果是:
本发明的具有二次驱动功能的主动式锚固机构的锚尖上设有张开翼，打入介质后，张开翼在阶梯推杆的作用下绕张开翼销张开，与现有的锚固机构中锚尖不可变形相比，大大提高了锚固力，降低了仪器设备在微重力环境下飘走的风险；本发明的锚固机构还具有质量轻、体积小、成本低、穿透能力强、锚固力高的优点；
本发明的锚固机构的活塞上安装有活塞杆，通过改变活塞杆的数量可以改变锚固单元的侵彻速度；另外，本发明的锚固机构还可用于小行星、彗星等表面引力较小的小天体的着陆器探测中，将着陆器固定在小天体表面，防止了着陆器在外力作用下飘走射、病毒、高低温等)的机器人自主作业；还可用于危险环境下(如辐在机器人上安装锚固机构，协助完成样品的采样和科学仪器操作等作业。
图1是本发明的具有二次驱动功能的主动式锚固机构的整体结构立体图，图2是具体实施方式
I中锚固单元I的立体剖视图。
具体实施方式
具体实施方式
一:如图1 2所示，本实施方式的具有二次驱动功能的主动式锚固机构由锚固单元I和推进单元2组成；
所述锚固单元I包括锚尖1-1、锚固爪1-2、倒锥1-3、阶梯推杆1_4、活塞1_7、燃烧室1-8、火工装置1-9、锚杆1-10、锚杆端盖1-11、多个均布的张开翼销1-5和多个均布的张开翼1-6 ;所述锚尖1-1、燃烧室1-8和锚杆1-10均为中空结构，锚尖1-1的一端大一端小，锚尖1-1的大端与燃烧室1-8的一端螺纹连接，燃烧室1-8的另一端与锚杆1-10的一端螺纹连接，燃烧室1-8的另一端设置有火工装置1-9，燃烧室1-8的内腔中设置有活塞1-7，阶梯推杆1-4的大端与活塞1-7固接，阶梯推杆1-4位于锚尖1-1内且与锚尖1-1之间滑动连接，倒锥1-3设置在锚尖1-1内且与阶梯推杆1-4的小端相邻设置，锚固爪1-2固定在阶梯推杆1-4的小端上，锚固爪1-2的数量为四个，四个锚固爪1-2呈星形设置，每个张开翼1-6通过一个张开翼销1-5安装在锚尖1-1的大端上，多个张开翼1-6呈星形设置；张开翼1-6与张开翼销1-5之间为间隙配合；
所述推进单元2包括膨胀缸2-1、止推端盖2-2、减振垫2_3、活塞体2_4、连接螺钉2-7、活塞盖2-8、火工装置2-9、火工接头2-10、限位环2_11、多个压缩弹簧2_5和多个活塞杆2-6 ;膨胀缸2-1的下端加工有外沿，止推端盖2-2螺纹连接在膨胀缸2-1的下端，减振垫2-3设置在止推端盖2-2的上端面上，活塞体2-4位于膨胀缸2-1内且与其滑动连接，活塞体2-4上沿活塞体径向均布加工有多个盲孔2-4-1，压缩弹簧2-5和活塞杆2-6的数量均与盲孔2-4-1的数量一致设置，每个盲孔2-4-1内设置有一个压缩弹簧2-5和一个活塞杆2-6，活塞杆2-6可通过弹簧2-5的弹性变形沿盲孔2-4-1的轴向移动，活塞盖2_8通过连接螺钉2-7固装在活塞体2-4的上端面上，火工接头2-10通过螺纹连接在膨胀缸2-1的上端，火工接头2-10上设置有火工装置2-9，膨胀缸2-1上端的外壁上螺纹连接有限位环2-11 ;限位环2-11与膨胀缸2-1内壁之间为间隙配合，锚固单元I的燃烧室1-8外壁与膨胀缸端盖2-2内壁滑动连接。
火工装置2-9触发后，产生的高压气体经过火工接头2-10作用于活塞盖2_8表面，活塞杆2-6被压缩，活塞体2-4、活塞杆2-6、压缩弹簧2-5、活塞盖2_8、连接螺钉2_7组成的整体在膨胀缸2-1腔内产生高速滑行，活塞体2-4的高速滑行会推动锚固单元I沿止推端盖2-2中心孔的高速滑行，当活塞体2-4滑行到膨胀缸2-1底部时被减振环2-3阻止滑行，此时锚固单元I已获得极高的速度，锚固单元I经止推端盖2-2的中心孔飞出膨胀缸2-1 ；
当锚固单元I被高速推出推进单元2的膨胀缸2-1后，进而侵彻到介质中一定深度，当锚固单元I的侵彻运动结束后，锚固单元I内部的火工装置1-9被点火，火工装置1-9产生的高压气体充满燃烧室1-8的内腔，此高压气体会推动活塞1-7高速运动，活塞1-7会推动阶梯推杆1-4高速运动，在阶梯推杆1-4作用下，图1所示闭合的张开翼1-6绕张开翼销1-5张开，形成图2所示的张开效果，同时锚固爪1-2也在阶梯推杆1-4作用在倒锥1-3表面被张开，进而经锚尖1-1顶部的四个小孔被推出锚尖1-1，形成图2所示的张开效果。张开的张开翼1-6及锚固爪1-2会与侵彻介质产生相互作用，张开翼1-6增大在松软介质中的锚固力，锚固爪1-2增大在较硬介质中的锚固力。
火工装置1-9被点火两次，因此具有二次驱动功能。
具体实施方式
二:如图1和图2所示，本实施方式锚尖1-1的小端为圆锥形，锚尖1-1的大端为圆柱形。如此设置，可提高侵彻深度，增大锚固力。其它组成及连接方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三:如图1和图2所示，本实施方式活塞杆2-6的数量为二 六个。如此设置，可调节锚体出射速度，以达到不同的侵彻速度。其它组成及连接方式与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四:如图1和图2所示，本实施方式张开翼1-6的数量为四 六个。如此设置，可提高在较软介质中的锚固力。其它组成及连接方式与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
五:如图1和图2所示，本实施方式张开翼1-6由弹性材料制成。如此设置，在较硬介质中会发生变形，可适应不同硬度的介质。其它组成及连接方式与具体实施方式
一、二或四相同。
工作原理:
当需要对仪器设备进行锚固时，将火工装置2-9点火，锚固单元I被推出推进单元2，且被打入到介质中，然后再将火工装置1-9点火，使张开翼1-6及锚固爪1-2的张开，增大锚固单元I在介质中的锚固力，最终对仪器设备造成锚固。
权利要求
1.一种具有二次驱动功能的主动式锚固机构，其特征在于:所述锚固机构由锚固单元(I)和推进单元(2)组成； 所述锚固单元(I)包括锚尖(1-1)、锚固爪(1-2)、倒锥(1-3)、阶梯推杆(1-4)、活塞(1-7)、燃烧室(1-8)、火工装置(1-9)、锚杆(1-10)、锚杆端盖(1-11)、多个均布的张开翼销(1-5)和多个均布的张开翼(1-6);所述锚尖(1-1)、燃烧室(1-8)和锚杆(1-10)均为中空结构，锚尖(1-1)的一端大一端小，锚尖(1-1)的大端与燃烧室(1-8)的一端螺纹连接，燃烧室(1-8)的另一端与锚杆(1-10)的一端螺纹连接，燃烧室(1-8)的另一端设置有火工装置(1-9)，燃烧室(1-8)的内腔中设置有活塞(1-7)，阶梯推杆(1-4)的大端与活塞(1-7)固接，阶梯推杆(1-4)位于锚尖(1-1)内且与锚尖(1-1)之间滑动连接，倒锥(1-3)设置在锚尖(1-1)内且与阶梯推杆(1-4)的小端相邻设置，锚固爪(1-2)固定在阶梯推杆(1-4)的小端上，锚固爪(1-2)的数量为四个，四个锚固爪(1-2)呈星形设置，每个张开翼(1-6)通过一个张开翼销(1-5)安装在锚尖(1-1)的大端上，多个张开翼(1-6)呈星形设置； 所述推进单元(2)包括膨胀缸(2-1)、止推端盖(2-2)、减振垫(2-3)、活塞体(2-4)、连接螺钉(2-7)、活塞盖(2-8)、火工装置(2-9)、火工接头(2-10)、限位环(2_11)、多个压缩弹簧(2-5)和多个活塞杆(2-6);膨胀缸(2-1)的下端加工有外沿，止推端盖(2-2)螺纹连接在膨胀缸(2-1)的下端，减振垫(2-3)设置在止推端盖(2-2)的上端面上，活塞体(2-4)位于膨胀缸(2-1)内且与其滑动连接，活塞体(2-4)上沿活塞体径向均布加工有多个盲孔(2-4-1)，压缩弹簧(2-5)和活塞杆(2-6)的数量均与盲孔(2-4-1)的数量一致设置，每个盲孔(2-4-1)内设置有一个压缩弹簧(2-5)和一个活塞杆(2-6)，活塞杆(2-6)可通过弹簧(2-5)的弹性变形沿盲孔(2-4-1)的轴向移动，活塞盖(2-8)通过连接螺钉(2-7)固装在活塞体(2-4)的上端面上，火工接头(2-10)通过螺纹连接在膨胀缸(2-1)的上端，火工接头(2-10)上设置有火工装置(2-9)，膨胀缸(2-1)上端的外壁上螺纹连接有限位环(2-11)； 锚固单元(I)的燃烧室(1-8)外壁与膨胀缸端盖(2-2)内壁滑动连接。
2.根据权利要求1所述的具有二次驱动功能的主动式锚固机构，其特征在于:锚尖(1-1)的小端为圆锥形，锚尖(ι-1)的大端为圆柱形。
3.根据权利要求1或2所述的具有二次驱动功能的主动式锚固机构，其特征在于:活塞杆(2-6)的数量为二 六个。
4.根据权利要求3所述的具有二次驱动功能的主动式锚固机构，其特征在于:张开翼(1-6)的数量为四 六个。
5.根据权利要求1、2或4所述的具有二次驱动功能的主动式锚固机构，其特征在于:张开翼(1-6)由弹性材料制成。
全文摘要
具有二次驱动功能的主动式锚固机构，它涉及一种主动式锚固机构。本发明为解决现有的锚固机构中锚尖不可变形导致打入介质后锚固力较小的问题。阶梯推杆的大端与活塞固接，倒锥设置在锚尖内且与阶梯推杆的小端相邻设置，锚固爪固定在阶梯推杆的小端上，每个张开翼通过一个张开翼销安装在锚尖的大端上，多个张开翼呈星形设置；止推端盖螺纹连接在膨胀缸的下端，减振垫设置在止推端盖的上端面上，活塞体位于膨胀缸内且与其滑动连接，活塞体上沿活塞体径向均布加工有多个盲孔，火工接头上设置有火工装置，膨胀缸上端的外壁上螺纹连接有限位环；锚固单元的燃烧室外壁与膨胀缸端盖内壁滑动连接。本发明用于微重力环境下着陆器及仪器设备锚固。
文档编号E02D5/80GK103174137SQ201310108199
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月29日 优先权日2013年3月29日
发明者赵志军, 赵京东, 王爽, 刘宏 申请人:哈尔滨工业大学