弱引力天体表面物质破碎剥离化学作动装置及剥离方法与流程

[0001]
本发明涉及一种适用于弱引力天体表面物质破碎剥离的化学作动装置及剥离方法，属于深空探测技术领域。


背景技术：

[0002]
在深空探索的进程中，对地外天体的探测目标已转向为“追溯生命起源、完善天体认识、打造未来家园”。小天体是人类了解太阳系起源演变的重要载体，承载着丰富的科学信息，同时含有丰富的贵金属及稀有元素，具有巨大的利用价值，因此对小天体进行探测具有重要的科学与工程意义。
[0003]
大多数小天体表面(或部分表面)存储一层表壤层，形成的主要是由于“空间风化”，包括天体撞击、太阳风离子输入、物质溅射和微陨石轰击等，会使小天体原始物质碎裂后产生大量大小不一、形态各异的碎屑和砂粒。另外，太阳辐照、太阳风和空间离子都会在小天体表面空间产生静电场，使得直径较小的颗粒产生悬浮层，在盈利作用下逐渐沉积形成表壤。小天体表面的表壤、碎屑和沙砾等都是采样任务的作业目标。小天体特性较为复杂，存在较大的不确定性，具有引力微弱、表面温度低、高真空等环境特征，因此采样器应具备低反作用力、不依赖固定附着姿态的作业能力；需适应真空、低温、空间辐照等苛刻的工作环境；同时需进行多功能集成，以实现轻量化设计，适应空间机构的要求。目前地外星壤采样执行机构多基于传统的机械作业原理，难以适应小天体采样任务特殊性，需设计一种新型的采样执行机构以适应后续任务需求。
[0004]
此外，主带彗星等天体次表层由于受到的空间风华作用较表面弱，更容易保持原态的科学信息，具有特定的科学探测价值。然后由于小天体弱引力高真空环境特征，造成探测器难以附着、大力载机具难以作业，需要高效可靠的表面物质剥离手段进行表层开坑，为次表层物质探测提供条件，且不能引入污染物破坏星体原有物质组分。目前尚未有有效的技术手段实现上述目标。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提出一种适用于弱引力天体表面物质破碎剥离的化学作动装置及剥离方法，解决弱引力、真空、低温环境下天体表面物质剥离的问题，为星体样品采集和次表层科学探测提供先决条件。
[0006]
本发明采用的技术解决方案是：
[0007]
一种适用于弱引力天体表面物质破碎剥离的化学作动装置，包括助推器、弹托以及气囊侵彻体；弹托和气囊侵彻体依次安装于助推器内部；助推器采用化学能为气囊侵彻体提供定向加速功能；弹托将助推器的化学反应产物密封于助推器腔体内，避免该化学反应产物对星体产生污染；气囊侵彻体在加速作用下冲击星体表面并进入一定深度后对星体表面进行开坑，将星表物质剥离，之后弹出坑底。
[0008]
进一步的，所述开坑是指在星体表面形成坑状结构。
[0009]
进一步的，助推器包括推进剂点火具、推进剂、导向管；
[0010]
所述助推器为顶面封闭的长圆筒构型，其顶部为推进剂点火具，侧壁为导向管，推进剂安置于推进剂点火具下方；所述弹托安装于推进剂下方，并固定于导向管内壁；所述气囊侵彻体安装于弹托下方。
[0011]
进一步的，气囊侵彻体包括壳体、开坑气囊、内导向杆、开坑气囊点火具、开坑气囊气体发生剂、弹射气囊、弹射气囊气体发生剂、侵彻弹头、弹射气囊点火具和密封层；
[0012]
所述侵彻弹头位于气囊侵彻体的壳体底部，弹射气囊点火具和弹射气囊依次安装于侵彻弹头上方；所述弹射气囊气体发生剂置于弹射气囊内部，两道密封层安装于弹射气囊上方，将所述开坑气囊点火具及开坑气囊气体发生剂密封于两道密封层之间；开坑气囊置于壳体与位于上侧的密封层构成的腔体内，内导向杆沿轴线安装于壳体与位于上侧的密封层构成的腔体中心，用于给开坑气囊导向。
[0013]
进一步的，推进剂点火具点火后，引发推进剂发生化学反应，推动弹托及气囊侵彻体沿导向管运动；
[0014]
运动至导向管末端时，导向管对弹托进行结构限位，使得导向管与弹托形成密闭腔体，将推进剂化学反应产物密封于助推器腔体内，避免化学产物对星体产生污染，同时将气囊侵彻体打入星表。
[0015]
进一步的，当气囊侵彻体被助推器打入星表后，开坑气囊点火具点火，引发开坑气囊气体发生剂发生化学反应，令位于上侧的密封层破碎，进而使开坑气囊膨胀从而掀开星表物质实现开坑。
[0016]
进一步的，开坑气囊膨胀后，将开坑气囊气体发生剂的化学产物密封于开坑气囊内部，避免化学产物对星体产生污染。
[0017]
进一步的，开坑气囊膨胀后，弹射气囊点火具点火，引发弹射气囊气体发生剂发生化学反应，使得弹射气囊膨胀，进而将开坑气囊弹离星体表面，为后续探测提供作业界面。
[0018]
进一步的，所述星体是指弱引力天体。
[0019]
进一步的，导向管的长、宽、口径比为40:3:2，其材料为凯芙拉，膛内有效行程为导向管长度的3/4；推进剂采用硝化棉火药，其与气囊侵彻体的质量比为3.5:1。
[0020]
进一步的，本发明还提出一种弱引力天体表面物质破碎剥离方法，步骤如下：
[0021]
(a)在助推阶段，推进剂点火具点火，推进剂发生化学反应，推动弹托和气囊侵彻体导向管运动；运动至导向管底部后，导向管对弹托实施机械限位，导向管和弹托形成密闭空间，将推进剂化学反应产物封闭于导向管腔体内；气囊侵彻体脱离导向管，继续运动；
[0022]
(b)在开坑阶段，气囊侵彻体在惯性力作用下运动至星体表面开始侵彻作业，侵彻至一定深度后，停止运动，开坑气囊点火具点火，使得开坑气囊气体发生剂发生化学反应，开坑气囊气体发生剂化学反应产物使得开坑气囊膨胀，对星体进行开坑；弹射气囊点火具点火，弹射气囊气体发生剂发生化学反应，使得弹射气囊膨胀，将开坑气囊弹离星体表面，为后续星体次表层探测提供作业界面，完成弱引力天体表面物质破碎剥离。
[0023]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0024]
(1)本发明可在探测器非着陆状态下实施远程独立开坑作业，降低对探测器着陆能力的反要求。
[0025]
(2)本发明采用化学能替代传统的机械能作业，相较于传统的机械装置，具有体积
小、重量轻、质能比高等优点。
[0026]
(3)本发明助推作业过程中所涉及的化学反应发生于导向管腔体内部，化学反应产物可密封于弹托与导向管组成的腔体内部，避免了其污染外部环境。
[0027]
(4)本发明开坑作业过程中所涉及的化学反应均发生在密闭气囊内部，化学反应产物可被有效密封于气囊内部，避免了其与星体直接解除，进而避免其污染星体。
[0028]
(5)本发明采用双气囊设计，即可实现有效大体积开坑，又可实现有效避让，使得开坑面完全暴露，为后续星体次表层科学探测提供作业界面。
[0029]
(6)本发明包含助推器、弹托、气囊侵彻体三部分。助推器采用化学能作动原理，为气囊侵彻体提供定向功能；弹托的作用为将助推器的化学反应产物密封于助推器腔体内，避免该化学反应产物对星体产生污染；气囊侵彻体在加速作用下冲击星体表面并进入一定深度后，打开开坑气囊将星表物质剥离，之后弹射气囊启动将气囊弹出坑底，从而解决弱引力、真空、低温环境下天体表面物质剥离需求，为星体样品采集和次表层科学探测提供先决条件。
附图说明
[0030]
图1为弱引力天体表面物质破碎剥离的化学作动装置结构示意图一；
[0031]
图2为弱引力天体表面物质破碎剥离的化学作动装置结构示意图二；
[0032]
图3是助推器作业流程示意图；
[0033]
图4是侵彻体作业流程示意图。
具体实施方式
[0034]
本发明涉及一种适用于弱引力天体表面物质破碎剥离的化学作动装置及剥离方法，用于在微重力真空环境中针对弱引力天体表层物质剥离需求，提供化学作动能轰击星表并使用气囊膨胀撑开星体表层松软物质，可作为小天体采样的辅助手段实现样品星体剥离，亦可作为星表快速高效无污染的开坑手段，为科学载荷对天体次表层物质进行探测提供先决条件。本机构适用于深空探测技术领域，可应用小行星、主带彗星等弱引力真空环境小天体的表面采样及开坑探测作业。
[0035]
如图1所示，本发明提出的一种适用于弱引力天体表面物质破碎剥离的化学作动装置：包括助推器1、弹托2、气囊侵彻体3三部分。弹托2位于助推器1和气囊侵彻体3之间；助推器1采用化学能为气囊侵彻体3提供定向功能；弹托2将助推器1的化学反应产物密封于助推器腔体内，避免该化学反应产物对星体产生污染；气囊侵彻体3在加速作用下冲击星体表面并进入一定深度后对星体表面进行开坑，将星表物质剥离，之后弹出坑底。本发明中开坑是指在星体表面形成坑状结构。
[0036]
如图2所示，助推器1包括推进剂点火具4、推进剂5、导向管6；气囊侵彻体3包括壳体7、开坑气囊8、内导向杆9、开坑气囊点火具10、开坑气囊气体发生剂11、弹射气囊12、弹射气囊气体发生剂13、侵彻弹头14、弹射气囊点火具15和密封层16。
[0037]
助推器1为顶面封闭的长圆筒构型，其顶部为推进剂点火具4，侧壁为导向管6，推进剂5安置于推进剂点火具4下方。其中导向管6的长、宽、口径比为40:3:2，其材料为凯芙拉，膛内有效行程为导向管6长度的3/4。推进剂5采用硝化棉火药，其与气囊侵彻体3的质量
比为3.5:1。
[0038]
弹托5安装于推进剂5下方，并固定于导向管6内壁，其材料为凯芙拉。
[0039]
本发明采用双气囊设计，即可实现有效大体积开坑，又可实现有效避让，使得开坑面完全暴露，为后续星体次表层科学探测提供作业界面。
[0040]
气囊侵彻体3安装于弹托2下方。侵彻弹头14位于气囊侵彻体3的壳体7底部，其材料为凯芙拉；弹射气囊点火具15、弹射气囊12安装于侵彻弹头14上方。所述弹射气囊气体发生剂13置于弹射气囊12内部，所述密封层16安装于弹射气囊12上方。开坑气囊点火具10及开坑气囊气体发生剂11密封于密封层16内部。开坑气囊8置于壳体7与密封层16构成的腔体内。
[0041]
内导向杆9安装于壳体7与密封层16构成的腔体中心，其材料为钛合金，用于给开坑气囊8导向。
[0042]
助推作业过程中所涉及的化学反应发生于导向管腔体内部，化学反应产物可密封于弹托与导向管组成的腔体内部，避免了其污染外部环境。开坑作业过程中所涉及的化学反应均发生在密闭气囊内部，化学反应产物可被有效密封于气囊内部，避免了其与星体直接接触，进而避免其污染星体。
[0043]
本发明提出的弱引力天体表面物质破碎剥离的化学作动装置作业流程包括助推和开坑两个阶段。
[0044]
助推阶段：
[0045]
助推器1、弹托2、气囊侵彻体3的初始相对位置如图3a所示；推进剂点火具4点火，推进剂5发生化学反应，推动弹托2和气囊侵彻体3沿导向管6运动，如图3b所示；运动至导向管6底部后，导向管6对弹托2实施机械限位，导向管6和弹托2形成密闭空间，将推进剂5化学反应产物封闭于导向管6腔体内；气囊侵彻体3脱离导向管6，继续运动，如图3c所示。
[0046]
开坑阶段：
[0047]
气囊侵彻体3在惯性力作用下运动至星体表面开始侵彻作业，如图4d位置；侵彻至一定深度后，停止运动，如图4e所示；开坑气囊点火具10点火，使得开坑气囊气体发生剂11发生化学反应，令位于上侧的密封层16破碎，如图4f所示；开坑气囊气体发生剂11化学反应产物使得开坑气囊8膨胀，对星体进行开坑，如图4g所示；弹射气囊点火具15点火，弹射气囊气体发生剂13发生化学反应，使得弹射气囊12膨胀，将开坑气囊8弹开，如图4h所示；开坑气囊8弹离星体表面，为后续星体次表层科学探测提供作业界面，如图4i所示。
[0048]
本发明可在探测器非着陆状态下实施远程独立开坑作业，降低对探测器着陆能力的反要求。采用化学能替代传统的机械能作业，相较于传统的机械装置，具有体积小、重量轻、质能比高等优点。
[0049]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。