吸纳式星壤采样器设计与分析

发布时间：2020-04-18 14:07

【摘要】：深空探测源于人类探索自然内在动力,探测月球、火星、目标小行星土壤岩层信息,解决人类生存空间需求,具有重大意义。由于小天体的微重力特性及地表复杂性,因此采样功能还应具有低反作用力、高效破岩能力、质轻体小及低功耗的特点。本文设计了一种吸纳式采样器,利用回转冲击辅助碎岩及气流激励吸纳方式获取样品,辅以飞轮储能、磁控振动使功耗降到最低,通过ADAMS对机构运动仿真得出最优解,并进行仿真实验。首先针对小天体探测采样任务,在弱引力及地表复杂的采样环境中,分析了采样功能及指标,设计了一种气流吸纳方式的采样器。由飞轮、电机及减速器构成的飞轮储能机构不仅节能,还对采样器整体可靠性有所提高;反向对称分布的永磁体进一步降低功耗并使之轻质化;钻杆在密珠轴承中的旋转冲击能使钻头破岩高效化;气流吸纳采样方式解决了弱引力采样环境的难题。基于采样指标从钻头切削参数设计,建立了钻头切削星壤力学模型,分析了此切削参数下钻头的钻取性能。其次采用飞轮储能原理实现低能耗作业,采用磁控无源振动激励实现碎岩的高效化,采用密珠轴系冲回功能实现机构的轻量化,并分别进行了动力学分析。从飞轮储能原理着手,依据能量守恒及动量定理,得到飞轮的转动惯量,从而选取电机参数。针对磁力驱动系统,根据电磁理论,结合实际经验,获得磁力与永磁体间距的关系。通过建立磁力振动冲击数学模型,结合MATLAB函数图,确定磁力大小。针对密珠钻进结构,结合静强度计算准则,计算了密珠轴承的过盈量。根据赫兹理论,对最大接触应力进行了分析并对比容许静负荷进行优化。通过ADAMS软件对储能驱动机构进行动力学仿真分析,得出飞轮转动惯量的最优解。对反向对称分布的磁力驱动部件进行优化计算,验证磁力大小与电机对钻杆的转矩是否合理。对密珠钻进机构的过盈量与最大接触应力进行分析计算。仿真分析表明,吸纳式星壤采样方法,能在低耗条件下高效破岩,能实现微重力采样功能,为深空探测提供了一种有效采样途径。
【图文】：

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吸纳式星壤采样器设计与分析“星尘号”采样器”是 Discovery 计划中的一部分，是 NASA（同时也是世界回地球的探测器，也是继阿波罗计划以后美国第二个取回其探测的目标是采集 81P/Wild 2 彗星尘。探测器于 1999 年后近 3 年完成了两次彗星尘埃采集，探测载荷主要包括四、彗星和星际尘埃分析装置（CIDA）、导航相机及尘埃流量d 2 彗星相遇时，将打开用于搜集彗星尘埃的装置，这一成，形如一个网球拍[10]。图 1.1 是“星尘号”收集 Wild 2

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图 1.2 中分辨率成像仪(MRI)图像和彗星探测任务相比较而言，深空撞击计划的主任务周月的时间里，，取得了大量的成果，并且还有希望在今后日至 7 月 14 日之间，使用红外光谱仪共获得了 3835 张科学家对坦普尔彗星挥发物的演化、固态物质的演化了一些研究，取得了过去未曾有过的新的成果。塞塔号彗星探测器务于 1993 年 11 月由 ESA 科学委员会批准作为 ESA 长。这个任务的最初目标是与 46P/Wirtanen 彗星交会，uryumov-Gerasimenko 彗星交会。为了获得足够的轨道地球的重力加速。在它飞向这个彗星的 10 年旅程中，测器是迄今为止欧洲最先进的科学探测器之一，它所表面进行软着陆的探测器。2004 年 3 月 2 日，罗塞塔维尔坦彗星，并在其表面着陆。罗塞塔着陆器重约 10进行软着陆的飞行器。着陆的瞬间，使用一个鱼叉将着
【学位授予单位】：北华航天工业学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V423.6

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