深空探測自動采樣機構的特點及應用

劉志全 龐彧 李新立

(北京空間飛行器總體設計部,北京100094)

1 引言

為探索空間資源分布、了解宇宙發展演化歷史,人類已多次開展了行星表面土壤和巖石樣品的采樣和分析。利用采樣機構獲取樣品并對樣品進行分析研究,是深空探測中的重要任務和關鍵技術。國際空間組織、研究機構對深空探測采樣返回技術投入了大量精力,并已取得了很多有價值的成果。隨著我國月球探測工程的深入發展,我國未來將要實現月球土壤樣品的自動采集與返回[1-2]。本文在對國外深空探測自動采樣機構應用特點及發展趨勢分析的基礎上,結合我國探月工程實際需求,提出月面自動采樣機構發展及應用的建議,從而為我國探月工程中的月面自動采樣提供技術參考。

2 深空探測自動采樣機構的組成及特點

半個世紀以來,NASA 多次成功實現了對月球、火星的采樣探測;前蘇聯曾成功完成了月球、金星采樣探測;ESA 對火星的采樣探測未能成功,對彗星的采樣探測器正在軌道運行;日本宇宙航空研究開發機構成功完成了對小行星的采樣探測。在這些采樣活動中,除阿波羅(A pollo)月球探測器采取有人采樣方式外[3-4],其余都采用了無人操作的自動采樣機構,主要包括:挖取式自動采樣機構、鉗取式自動采樣機構、研磨式自動采樣機構、鉆取式自動采樣機構及其它新型自動采樣機構等。

2.1 挖取式自動采樣機構

挖取式自動采樣機構通常是由類似鏟形的采樣機構以挖掘的方式獲取樣品,該類機構在NASA 火星探測任務中的海盜號(Viking)著陸器、鳳凰號(Phoenix)探測器和火星極區著陸器上都得到了應用。

1975年發射的海盜號火星著陸器,采用機械臂末端安裝挖取式自動采樣機構進行采樣[5]。采樣機構主要由鏟體、蓋子、螺線管振蕩器、篩網、反向鏟、驅動電機等部分組成,如圖1 所示。采樣機構前端是帶有蓋子的鏟形容器,內置驅動電機可驅動鏟體繞軸向180°旋轉。鏟體頂端裝有螺線管振蕩器和孔徑2mm 的金屬篩網,用來篩選采集的樣品。鏟體底部裝有反向鏟。在機械臂向后拖動時,反向鏟可以將堅實的火星土壤翻松,以便鏟體能以較小的鏟入力完成采樣。

為了收集火星土,采樣機構的蓋子首先是打開的,隨后機械臂帶動鏟體插入火星土壤,一旦鏟體內充滿樣品,則觸動指示開關給出信號,使蓋子合上完成樣品的采集。鏟體繞軸向180°翻轉,螺線管振蕩器驅動篩網振動,使直徑小于2mm 的顆粒掉入分析儀器的收集器內。剩余顆粒度較大樣品可由機械臂送到其它的分析儀器內。海盜號探測器所用挖取式自動采樣機構重11.3kg, 功率30W, 外形尺寸614.8mm×233.7mm ×342.9mm,最大采樣深度約200mm ,最大挖取力為133N。

挖取式自動采樣機構的主要優點是結構簡單、可靠性高,適用于淺表層松軟土壤及小型巖石采樣。采樣鏟通常安裝于機械臂末端,可以靈活選擇采樣地點,規避障礙,還可進行重復采樣動作,因此獲取的樣品量較大。挖取式自動采樣機構通常還復合有其它功能機構來完成特定任務,如海盜號著陸器上的采樣機構復合有分離篩選機構、鳳凰號探測器上的采樣機構復合有破冰鉆等。挖取式自動采樣機構的缺點是:獲取的樣品無法保留其層理特性,且不能對深層月壤及較大的月巖進行采樣,因此所采樣品信息量有限。

圖1 海盜號火星著陸器上挖取式自動采樣機構Fig.1 Automatic scoop sam pling mechanism on Viking Lander

2.2 鉗取式自動采樣機構

1995-1997年由香港理工大學研制的微型末端感應器(M icro End Effector, M EE)鉗取式自動采樣機構,應用于ESA 和意大利空間中心(ASI)合作的“行星表面小樣本采樣工具”研制項目中[6]。該機構擬用于從火星或彗星表面采集微量土壤樣品。

M EE 鉗取式自動采樣機構安裝于機械臂末端的旋轉支座上,主要由鉗口、鉗臂、絲杠、螺母及驅動電機組成(見圖2)。鉗口結構類似一對鉗子,每個鉗口頂端有尖銳齒,兩鉗口閉合后形成鉆頭狀。鉗臂是連接鉗口和螺母的一系列連桿,每個鉗口兩側各安裝一對鉗臂。

采樣時,機械臂末端的旋轉支座先固定不動,MEE 電機驅動絲杠正向旋轉,帶動螺母向上平移,同時帶動鉗臂運動使鉗口閉合形成鉆頭形狀。隨后機械臂末端旋轉支座轉動帶動采樣機構形成的微型鉆頭鉆入土壤。土壤松動后,機械臂抬起,旋轉支座停止轉動。M EE 電機驅動絲杠反向旋轉,帶動螺母向下移動使鉗口張開。在攝像機的監控下,調整機械臂姿態。電機的正反向驅動實現了鉗口的開合。這樣,采樣機構就可夾住和采集小塊的目標巖石和土壤樣品。M EE 質量1.76kg,功率5W,采樣能力約0.2cm3,可以鉆進深度約1～2cm。

鉗取式自動采樣機構結構簡單、可靠性高,可實現采集樣品的有效傳遞,但受到采樣能力及適用范圍限制,鉗取式自動采樣機構應用較少。在ESA 的小獵犬2 號(Beagle-2)火星探測器中,雖然采用了類似鉗取式與研磨式復合的采樣機構,但由于此任務的失敗,該采樣機構也未能得到真正的應用。

圖2 MEE 鉗取式自動采樣機構Fig.2 Automatic pincer sam pling mechanism on M EE

2.3 研磨式自動采樣機構

2003年NASA 研制的“火星巡視探測器”(Mars Exploration Rover , ME R)攜帶了由英國Honeybee Robotic 公司設計的研磨式自動采樣機構, 即巖石研磨工具(Rock Abrasion Tool,RAT)[7],如圖3 所示。

圖3 “火星巡視探測器”上的研磨式自動采樣機構Fig.3 Automatic abrasion sampling mechanism on MER

RAT 安裝于機械臂末端,主要由研磨輪、旋轉刷、轉動刷、轉動支架、蝶形翼和驅動電機組成,重705g,直徑70mm,長100mm,功耗11W。研磨輪兩端帶有金剛石尖齒,通過高速旋轉的方式研磨堅硬的巖石。旋轉刷和轉動刷可及時將研磨產生的巖石屑從工作區域清除。蝶形翼由兩個半圓形支架鉸接組成,采樣機構工作時,蝶形翼在機械臂作用下展開壓緊于巖石表面,可起到輔助支撐的作用。

RAT 上的研磨輪和旋轉刷由各自的電機驅動,分別以角速度ω2(約30rad/s)和ω3轉動。研磨輪、旋轉刷和各自電機都安裝在轉動支架上,而轉動支架在其電機驅動下以角速度ω1轉動。因此,研磨輪在繞自身軸心以角速度ω2高速自轉的同時還繞轉動支架中心以角速度ω1 進行公轉,最終可以在巖石上研磨出一個直徑45mm 、深度為5mm 的圓形區域。同理旋轉刷可以及時將研磨產生的碎屑清掃出研磨區域。研磨可以使巖石內部未受空間環境輻射的巖心裸露出來。隨后,探測器上機械臂末端攜帶的科學探測儀器就位于裸露出來的巖心處,開始進行在線分析。

研磨式自動采樣機構可以有效去除巖石表層風化、輻照和氧化層,能夠對保存了星體信息的巖石內部樣品進行采樣,從而保證了采樣分析的科學性和準確性;但研磨后的樣品的層理性被破壞,可達到的采樣深度有限,不具有樣品收集和保存能力。因此,采用研磨式自動采樣機構,只能實現樣品的在線分析,而不是取樣返回地球后的實驗室分析。

2.4 鉆取式自動采樣機構

鉆取式自動采樣機構是通過鉆孔方式獲得星體土壤或巖心樣品的機構。1976年, 蘇聯月球-24(Luna-24)探測器上攜帶的采樣機構就是鉆取式自動采樣機構[6]。

該鉆取式自動采樣機構主要由鉆機、傳送機構、回收機構、鉆桿、支撐桁架、導軌等部分組成,如圖4所示。整個采樣機構通過支撐桁架固連于著陸器側面。傳送機構安裝在支撐桁架的中部,可為鉆機沿導軌向下運動提供驅動力。傳送機構的工作原理類似卷揚機,鋼絲繩的一端纏繞在傳送機構中的卷筒上,鋼絲繩的另一端與鉆機相連。當傳送機構中的電機驅動卷筒轉動來纏繞鋼絲繩時,鋼絲繩收緊,對鉆機施加了沿導軌向下的作用力。鉆機安裝于支撐桁架的導軌上,在傳送機構鋼絲繩的作用下可沿著導軌運動。鉆機自帶的電機驅動鉆桿繞其軸線做回轉運動。鉆機和傳送機構同時工作時,鉆桿在周向回轉切削力和軸向加載力的共同作用下鉆入月壤。鉆桿橫截面為雙層同心圓結構,其內層鉆桿的內壁上裝有專門的柔性取樣袋,如圖5 所示。隨著鉆探深度增大,月壤逐漸進入內層鉆桿的空腔內,柱形月壤被柔性取樣袋收集其中。柔性取樣袋頂端封閉并與鋼絲繩連接,鋼絲繩沿支撐桁架向上纏繞在回收機構的卷筒上。當鉆桿鉆入指定深度后,柔性取樣袋下端收緊封裝所取樣品。回收機構安裝于支撐桁架的頂端,其工作原理與傳送機構相似,即利用回收機構的電機驅動回收卷筒纏繞鋼絲繩的方法,將內層鉆桿中的柔性取樣袋提出并纏繞至回收卷筒上。回收機構中裝有分離釋放裝置,將纏繞了柔性取樣袋的卷筒彈入返回器內。最后,火工品斷開支撐桁架與返回器之間的連接,關閉并密封上升器艙蓋,如圖6 所示。

圖4 Luna-24月球著陸器上的鉆取式自動采樣機構Fig.4 Automatic drilling sampling mechanism on Luan-24 Lander

Luna-24 著陸器上鉆取式自動采樣機構的質量為55kg,鉆探功率為900W,采樣深度達1.6m,實現采集月壤質量170.1g ,樣品直徑8mm,并在不破壞月壤層理特性的情況下運送回地球。該鉆取式自動采樣機構在月面工作時間2.2h,鉆孔時間1h,總能耗小于35Ah。

鉆取式自動采樣機構是迄今適用范圍最廣的一種深空探測自動采樣機構,它獲取的樣品可以是星體土壤也可以是巖心樣品;它的采樣深度可從幾厘米到幾米。此外,雙層鉆桿的結構能夠保持所采樣品的層理特性。因此用鉆取式自動采樣機構獲得的樣品具有更大的科學價值。但是鉆取式自動采樣機構組成復雜、技術難度大,需要采取一系列有效的可靠性措施來防止卡鉆、埋鉆等潛在故障。

圖5 鉆桿剖面圖Fig.5 Section of drill stem

圖6 Luna-24 著陸器上鉆取式自動采樣機構工作原理Fig.6 Principle of automatic drilling sampling mechanism on Luan-24 Lander

2.5 其它新型自動采樣機構

近年來,隨著科技進步以及人類對空間認識的不斷深入,其它一些新型采樣機構開始陸續被研制出來。2002年, ASI 為NASA 的 火星探測任務(Mars Exploration Mission)開展了深層鉆孔(Deep Driller)項目研究,所研制的新型多鉆桿組合采樣機構,擬用于鉆取火星表層2.5m 深的土壤樣品,并將樣品轉移至科學分析儀器或儲存容器內[8]。針對傳統鉆機質量大、體積大、能耗高等缺點,激光鉆孔技術、超聲波切割技術、仿生學原理在采樣機構的設計中得到了應用。2003年, NASA 噴氣推進實驗室(JPL)研制了超聲波鉆孔機(USDC),這種鉆機的鉆頭不會轉動,而是依靠超聲波產生的振動能來驅動其振動切入土壤(或巖石)。鉆桿的頂部安裝有超聲波激勵器,該激勵器可將超聲波信號經由壓電物質轉化為振動能輸出到鉆桿上[9]。1997年,美國燃氣技術研究所(G TI)和NASA 對激光鉆孔技術在火星表面采樣的應用進行了可行性試驗與研究[10]。2005年,英國薩瑞大學將生物仿生學原理應用到機構設計中,研制了木蜂產卵式自動采樣機構[11]。這些新型自動采樣機構是將新技術與傳統采樣原理相結合的產物,還需在未來的應用環境中加以考核。

3 深空探測自動采樣機構的發展趨勢

基于對國外深空探測采樣機構的特點分析,對深空探測采樣機構的發展趨勢作出如下展望:

(1)具有深層采樣能力的鉆取式自動采樣機構是未來深空探測采樣機構的主要發展方向之一。星體表面的土壤和巖石受到空間風化、氧化及紫外輻射等環境的影響較大,從表層樣品獲取的科學信息十分有限。為了獲取更加豐富的、有效的星體信息,需要設法獲得原始的、沒有被破壞的樣本(如,巖石表層內幾厘米深的中心部分或垂直深入星體表面超過1m 的土壤樣本[12])。挖取式和鉗取式自動采樣機構僅適用于星體表層松軟土壤樣品采樣;研磨式自動采樣機構雖然可以對巖心采樣,但不具有樣品收集功能,僅適用于在線分析;而鉆取式自動采樣機構適用范圍廣泛(采樣深度從幾厘米到幾米均可),無論是巖心樣品還是土壤樣品均能實現采樣。因此鉆取式自動采樣機構具有極大的發展潛力。隨著科技的進步,綜合有激光、超聲波等技術的鉆取式自動采樣機構,將會大幅度提高自動采樣機構的采樣能力和效率。

(2)多功能、低能耗、輕小型自動采樣機構是未來遠距離(遠大于月球探測距離)深空探測采樣機構發展的趨勢之一。由于空間探測任務的特殊性,采樣機構的重量、功耗、構型等指標很大程度上受到探測器系統運載能力的約束。在遠距離深空探測任務中,由于很難實現采樣返回,因此對采樣機構同時具有樣品保存、分選、處理等功能的要求就更加突出。挖取式和鉗取式自動采樣機構以其重量輕、能耗低、可靠性高、兼容性好等優點而更能適應未來發展的需求, 因此多功能復合的小型挖取式和鉗取式自動采樣機構在遠距離深空探測中有著極好的發展前景。

4 我國月面自動采樣機構發展的建議

根據我國的月球探測發展規劃,我國未來將要實現對月壤樣品的無人自動采樣與返回,結合月球探測工程的科學目標和探測器系統的功能需求,建議采用鉆取式自動采樣機構來獲取內容更加豐富的月球表層及深層的科學研究信息,以適應我國航天跨越式發展的新形勢。建議采用有效的機構可靠性保證措施,來保證鉆取式自動采樣機構可靠工作,以適應鉆取式自動采樣機構復雜、工作環境惡劣的特點;在條件允許的情況下,建議適當增加挖取式或復合其它功能的采樣機構,以增加獲取樣品的種類和數量,提高采樣任務可靠性。

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[1]歐陽自遠.月球——人類走進深空的前哨站[M].北京:科學出版社,2002

[2]歐陽自遠.月球科學概論[M].北京:中國宇航出版社,2005

[3]Bugos G E, Boyd J W.Robotic lunar precursors to Apollo[R].AIAA-2007-6163, 2007

[4]Martin Co.Apollo lunar surface drill(ALSD)final report[R].Baltimore, M C, 1968

[5]Moore H J, Liebes S.Rock pushing and sampling under rocks on Mars[R].NASA-TM-80489, 1978

[6]Matti Anttila.Concept eveluation of Mars drilling and sampling instrument[D].Holand:H elsinki University of Technology,2005

[7]Myrick T.The RAT as a rock physical properties tool[C]// Space Conference Oragnized by AIAA.AIAA-2004-6096, 2004

[8]Re E, M agnani P G, Ylikorpi T, et al.Deeeri drill tool prototype and drilling system development for Mars soil sampling applications[C]//ASTRA2002 Conference,2002

[9]Bar-Cohen Y.Ultrasonic sampler and sensor platform for in-siu astrobiological exploration[R].SPIE Smart Structures and Materials Symposium.CA, 2003:50-55

[10]Brian C G, James G R.Geological investigation of lunar and Martian subsurface using laser drilling system[C]// California :Space 2004 Conference and Exhibit,2004:28-30

[11]Gao Yang, Ellery Alex.Deploylable wood wasp drill for planetary subsurface sampling[R].IEEEAC paper#1591, vision 1, 2005

[12]Ylikorpi T, Visentin G, Suomela J.A robotic rover-Based deep driller for Mars exploration[C]// Proceedings of the 35thAerospace Mechanisms Symposium, Ames Research Center, 2001