小行星冲击碎岩器设计分析与实验研究
发布时间：2021-09-06 15:45
小行星保留了太阳系形成的早期信息,是人类研究太阳系起源和演化的重要载体,小行星上具有丰富的物质资源,从小行星上采集资源已经成为人类可持续发展中资源获取的一个重要途径;目前世界上发射了多个探测器对小行星进行探测采样,其中罗塞塔号、奥西里斯号、隼鸟号和隼鸟2号代表人类进行了一系列的采样研究。在我国的小行星探测计划中,主要针对2016 HO3小行星进行探测采样,该小行星直径约38米,自转速度较快,此外该小行星还具有微重力和地质构造不确定的特点,我国计划对其进行附着采样,所以在针对该小行星进行采样的过程中,主要的技术难点是解决采样器如何能够在微重力的条件下将不确定的地质构造变成散体进行收集。目前人类已经进行了多次小行星采样任务,从采样模式来看,应该借鉴国外的成功经验,应以一触即分离的采样模式为主,附着采样为辅,冲击碎岩（相当于模拟爆破碎岩）具有安全性更高的优势,更能将岩石冲碎或者将小行星表面风化物溅射进而达到收集小行星表面样品的目的,本文提出了一种小行星冲击碎岩器用于未来的小行星采样。本文针对小行星冲击碎岩器进行了结构设计,主要针对气缸的参数和降低反作用力的方法进行设计。碎岩器将小行星表面岩石...
【文章来源】：北华航天工业学院河北省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
星尘探测器采样状态示意图
小行星冲击碎岩器设计分析与实验研究4图1.1聂耳-舒梅克号探测器在爱神星上软着陆及着落点图像1.2.1.2星尘号星尘号是美国宇航局的“探索”计划（DiscoveryProgram）任务之一[25-27]，1999年2月7日发射升空，2004年1月2日在距81P/Wild-2彗星彗核237±1km处飞过，2006年1月15日返回地球。“星尘”的主任务是采集彗星的挥发物质和飞行过程中的宇宙物质。“星尘”首次成功实现了彗星的采样返回，获取了不少于100万个颗粒，其中大于0.1mm的颗粒约10个，最大粒径颗粒接近1mm，首次在彗星中发现了有机物。星尘号获取彗星粒子的方式如下，星尘号探测器通过高速飞掠与彗星粒子产生相对运动（相对速度6.1km/s），探测器伸出一个网球拍大小的尘埃采集器，捕获高速飞来的粒子，如图1.2所示。采集器中装有气凝胶，气凝胶由轻量化多孔结构的硅基固体材料组成，密度沿着粒子进入的方向逐渐增大，粒子撞上气凝胶后将逐渐减速到与采集器同样大小，与采集器相对静止而被采集器成功捕获。尘埃采集器直接安装在返回舱内部，采样时通过延伸铰链探出返回舱，采样完成后，可连同样品通过铰链转动直接收回至返回舱内，直至返回器返回地面回收，如图1.3所示。图1.2星尘探测器采样状态示意图图1.3尘埃采集器展开及在返回器内的位置
北华航天工业学院硕士学位论文51.2.1.3隼鸟号为了进一步认识小行星，确定小行星矿物组成和化学成分，小行星探测发展到表面软着陆和采样返回阶段。2003年5月9日，日本宇宙航空研究开发机构JAXA(JapanAerospaceExplorationAgency)研制了一颗近地无人采样返回小行星探测器隼鸟号Hayabusa，目标小行星为25143（Itokawa，1998SF36），在2005年11月20日和26日，进行了两次样品采集任务，成为人类第一个小行星采样返回探测器[28]。该探测器采用接触即分离形式进行采样[29]，如图1.4所示。探测器与小行星表面接触过程中，通过射弹撞击小行星表面，造成表层土壤或岩块发生颗粒溅射，溅射颗粒通过角形罩进入样品容器进行存储。Hayabusa采样装置主要由抛射器、锥形罩、可扩展编织罩、金属罩组成。抛射器可发射金属射弹撞击小行星表面，为提高可靠性，抛射器采用了三管设计，如图1.5a）所示，Hayabusa金属射弹采用稀有金属钽作为材料，质量约为5g，运行最大速度可达300m/s，射弹与小行星表面接触面为半球形，如1.5b）所示，射弹诱发土壤颗粒溅射过程如图1.6和图1.7所示。Hayabusa采样装置与小行星表面接触时，通过罩形结构形成封闭环境，在防护探测器免受尘土污染的同时，确保溅射的颗粒物质只能在金属罩、扩展编织罩、锥形罩内运动，进入样品罐内，并通过探测器内转移机构将样品转移至样品容器中。根据JAXA公布的资料显示，此次采样获取了约1500个颗粒样本。图1.4隼鸟号的接触即走采样方式示意a）抛射器示意图b）射弹形状示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]1542天! 小行星探测器隼鸟2号终入“龙宫”[J]. 李琦. 今日科苑. 2019(03)
[2]NASA“奥西里斯-雷克斯”探测器在小行星上发现了水[J]. 航天返回与遥感. 2018(06)
[3]日本探测器飞抵小行星“龙宫”[J]. 关毅. 自然杂志. 2018(04)
[4]漫谈小行星及其探测与开发[J]. 东方星. 国际太空. 2017(07)
[5]小行星探测进展及技术特点分析[J]. 廖慧兮,王彤,贾晓宇. 国际太空. 2017(07)
[6]飞向月球——嫦娥工程[J]. 尹怀勤,王洪鹏. 军事文摘. 2016(22)
[7]“奥西里斯”升空去贝努小行星采样[J]. 焦维新. 国际太空. 2016(09)
[8]近地小行星威胁与防御研究现状[J]. 马鹏斌,宝音贺西. 深空探测学报. 2016(01)
[9]日本H2A火箭搭载“隼鸟”2号小行星探测器发射升空[J]. 夏毅敏. 军民两用技术与产品. 2015(01)
[10]美国星尘号探测器首次实现彗星采样返回[J]. 羽子. 国际太空. 2011(01)
博士论文
[1]月壤采样器钻进动力学分析与试验研究[D]. 殷参.中国矿业大学（北京） 2012
硕士论文
[1]小行星快速膨胀碎岩方法研究[D]. 冯伟娜.北华航天工业学院 2019
[2]吸纳式星壤采样器设计与分析[D]. 陈彪.北华航天工业学院 2018
[3]星壤撞击器侵彻特性及其影响因素研究[D]. 刘润涛.哈尔滨工业大学 2017
[4]基于日地平衡点的小行星捕获轨道设计与优化[D]. 李斌.北京理工大学 2016
本文编号：3387732
【文章来源】：北华航天工业学院河北省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
星尘探测器采样状态示意图
小行星冲击碎岩器设计分析与实验研究4图1.1聂耳-舒梅克号探测器在爱神星上软着陆及着落点图像1.2.1.2星尘号星尘号是美国宇航局的“探索”计划（DiscoveryProgram）任务之一[25-27]，1999年2月7日发射升空，2004年1月2日在距81P/Wild-2彗星彗核237±1km处飞过，2006年1月15日返回地球。“星尘”的主任务是采集彗星的挥发物质和飞行过程中的宇宙物质。“星尘”首次成功实现了彗星的采样返回，获取了不少于100万个颗粒，其中大于0.1mm的颗粒约10个，最大粒径颗粒接近1mm，首次在彗星中发现了有机物。星尘号获取彗星粒子的方式如下，星尘号探测器通过高速飞掠与彗星粒子产生相对运动（相对速度6.1km/s），探测器伸出一个网球拍大小的尘埃采集器，捕获高速飞来的粒子，如图1.2所示。采集器中装有气凝胶，气凝胶由轻量化多孔结构的硅基固体材料组成，密度沿着粒子进入的方向逐渐增大，粒子撞上气凝胶后将逐渐减速到与采集器同样大小，与采集器相对静止而被采集器成功捕获。尘埃采集器直接安装在返回舱内部，采样时通过延伸铰链探出返回舱，采样完成后，可连同样品通过铰链转动直接收回至返回舱内，直至返回器返回地面回收，如图1.3所示。图1.2星尘探测器采样状态示意图图1.3尘埃采集器展开及在返回器内的位置
北华航天工业学院硕士学位论文51.2.1.3隼鸟号为了进一步认识小行星，确定小行星矿物组成和化学成分，小行星探测发展到表面软着陆和采样返回阶段。2003年5月9日，日本宇宙航空研究开发机构JAXA(JapanAerospaceExplorationAgency)研制了一颗近地无人采样返回小行星探测器隼鸟号Hayabusa，目标小行星为25143（Itokawa，1998SF36），在2005年11月20日和26日，进行了两次样品采集任务，成为人类第一个小行星采样返回探测器[28]。该探测器采用接触即分离形式进行采样[29]，如图1.4所示。探测器与小行星表面接触过程中，通过射弹撞击小行星表面，造成表层土壤或岩块发生颗粒溅射，溅射颗粒通过角形罩进入样品容器进行存储。Hayabusa采样装置主要由抛射器、锥形罩、可扩展编织罩、金属罩组成。抛射器可发射金属射弹撞击小行星表面，为提高可靠性，抛射器采用了三管设计，如图1.5a）所示，Hayabusa金属射弹采用稀有金属钽作为材料，质量约为5g，运行最大速度可达300m/s，射弹与小行星表面接触面为半球形，如1.5b）所示，射弹诱发土壤颗粒溅射过程如图1.6和图1.7所示。Hayabusa采样装置与小行星表面接触时，通过罩形结构形成封闭环境，在防护探测器免受尘土污染的同时，确保溅射的颗粒物质只能在金属罩、扩展编织罩、锥形罩内运动，进入样品罐内，并通过探测器内转移机构将样品转移至样品容器中。根据JAXA公布的资料显示，此次采样获取了约1500个颗粒样本。图1.4隼鸟号的接触即走采样方式示意a）抛射器示意图b）射弹形状示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]1542天! 小行星探测器隼鸟2号终入“龙宫”[J]. 李琦. 今日科苑. 2019(03)
[2]NASA“奥西里斯-雷克斯”探测器在小行星上发现了水[J]. 航天返回与遥感. 2018(06)
[3]日本探测器飞抵小行星“龙宫”[J]. 关毅. 自然杂志. 2018(04)
[4]漫谈小行星及其探测与开发[J]. 东方星. 国际太空. 2017(07)
[5]小行星探测进展及技术特点分析[J]. 廖慧兮,王彤,贾晓宇. 国际太空. 2017(07)
[6]飞向月球——嫦娥工程[J]. 尹怀勤,王洪鹏. 军事文摘. 2016(22)
[7]“奥西里斯”升空去贝努小行星采样[J]. 焦维新. 国际太空. 2016(09)
[8]近地小行星威胁与防御研究现状[J]. 马鹏斌,宝音贺西. 深空探测学报. 2016(01)
[9]日本H2A火箭搭载“隼鸟”2号小行星探测器发射升空[J]. 夏毅敏. 军民两用技术与产品. 2015(01)
[10]美国星尘号探测器首次实现彗星采样返回[J]. 羽子. 国际太空. 2011(01)
博士论文
[1]月壤采样器钻进动力学分析与试验研究[D]. 殷参.中国矿业大学（北京） 2012
硕士论文
[1]小行星快速膨胀碎岩方法研究[D]. 冯伟娜.北华航天工业学院 2019
[2]吸纳式星壤采样器设计与分析[D]. 陈彪.北华航天工业学院 2018
[3]星壤撞击器侵彻特性及其影响因素研究[D]. 刘润涛.哈尔滨工业大学 2017
[4]基于日地平衡点的小行星捕获轨道设计与优化[D]. 李斌.北京理工大学 2016
本文编号：3387732
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