双体振贯月壤采样器结构设计与样机实验*

薄明伟，郭 辉，赵海宁，孙 凤，徐方超，李 强

(沈阳工业大学 机械工程学院,辽宁 沈阳 110870)

0 引言

从古至今，人类对月球的探索从未停止，最早人们通过眼睛去观看夜晚的星象进行占卜；随着科技的进步，人们通过天文望远镜对月球进行远距离的观察；随着航天科技的发展，环月卫星、探月飞船、深空探测器等一系列航天设备的问世，人们已经实现探月、登月的成功，现在，人们想要从月球取回一些土壤进行研究。

月壤是一层覆盖月球表面厚度达数米的松软风化物，颗粒细小且结构松散。Apollo探月计划地面接收部门在对返回的月球样品进行分类时，把直径大于等于10 mm的团块定义为月岩来进行处理；把直径小于10 mm的颗粒定义为狭义上的月壤。月壤的三相组成与地球土体不同，不含有液相和气相仅含有固相，而固相全部由矿物质组成，这些矿物质与地球土壤中的矿物质组成相同[1]。

从20世纪70年代开始，各国对月壤取样做了很多准备和工作：有作为回转钻探取样代表的前苏联的luna探测器[2]，但其工作方式容易破坏月壤的层理结构；有选用人工取样的美国Apollo计划[3]，但这需要人进行工作而且较为繁琐。2015年中国哈尔滨工业大学陈化智等[4]提出了一种利用电机带动凸轮达到振动方式的取样机构，其整体体积和重量较大。2017年，哈尔滨工业大学徐传喜[5]再次提出螺杆储能擒纵式采样方案，但是其结构复杂，传动链过多，能耗损失严重。结合前人的优点，弥补其不足，本文设计了一种新型采样装置以达到月球取样的目的。

1 采样器设计要求以及系统组成

1.1 采样器设计要求

(1)结构简单，能耗较低。

(2)针对不同环境，采样速度、冲击力可控。

(3)采用模块化设计，可应对不同的采样方式。

采样装置设计参数如表1所示。

表1 采集装置设计参数

1.2 系统组成和工作过程

采样装置主要由驱动单元、采样单元、传感器单元组成，如图1所示。驱动单元选用电磁驱动的方式给采样装置提供冲击力。采样单元包括振动组A侧、振动组B侧，采样单元通过转接口与驱动单元进行对接。传感器用来检测驱动位移，刃口用来增加对月壤的切削力，加快对月壤的采集。

1-传感器；2-驱动单元；3-转接口；4-振动组A侧；5-振动组B侧；6-月壤排屑；7-导向结构；8-刃口；9-月壤

采样过程中，机械臂提供向下的月壤钻探的压力，冲击驱动单元同时产生呈周期变化的钻探力，驱动力通过转接口传入采样管，使振动组A和振动组B形成相对运动，进而击碎月壤岩石层将月壤贯入采样管中，这种贯入式采样由于振动幅度较小不会产生较大的颗粒位移，从而保证进入采样管的月壤不会改变其本身的层理信息。采样管向下不断采样，周围月壤通过相对运动会在外壁蠕动排到月壤表层，这个过程持续到采样结束。

2 结构设计和仿真分析

2.1 双体振贯式驱动单元结构设计与分析

采样器驱动单元根据音圈电机的工作原理，在驱动器外壳内侧开通线圈槽，槽内缠绕通电线圈，线圈采用“头接头、尾接尾”的接线方式，在线圈中通入正弦的激励电流。在驱动单元中心内部的激振单元采用永磁铁-软铁-永磁铁的交替组合形式，将每一个永磁铁的磁感线集中束缚在其内部，将磁感应强度最大化。线圈将会产生交变磁场，永磁铁在磁场中会产生与交变磁场同频率的驱动力。该交变力通过转接头传导到振动组的A、B两侧产生振捣贯入的作用，进而达到采样的目的。驱动单元结构如图2所示。

1-上端盖；2-软铁环；3-永磁环；4-线圈骨架；5-线圈；6-外壳；7-中心柱；8-接头；9-波形弹簧

2.2 贯入式采样管结构设计

采样管的结构主要分为转接口、导向和采样刃口三个主要部分。由于驱动单元的结构是将外壳和中心激振单元分为两个半圆，因此与之对接的采样管也设计为A、B两半，并在径向设计两个特殊的C型槽孔作为导向和限位，如图3、图4所示。

图3 采样管外部结构 图4 采样管内部结构

3 采样器动力学模型与受力过程

采样器受力过程如图5所示，采样器振动系统模型如图6所示。振动组A的质量为m1，振动组B的质量为m2，当两个振动组质量相同时，设m1=m2=m，二者由刚度为k的弹簧连接，系统阻尼系数为c。对m2施加正弦激振力F(t)，则m1受到反作用力-F(t)。振动组A与振动组B的初始位移和速度均为零。

图5 采样器受力过程 图6 采样器振动系统模型

系统的动力学方程为：

(1)

F=A0sin(ωt+φ).

(2)

其中：m为振动组的质量；F为产生的电磁力；ω为电流的角频率；φ为电流的初始相位；A0为振动组的振幅。采样器参数见表2，表中f0为给予的电流频率。

表2 采样器参数

通过MATLAB仿真软件对振动组A进行运动仿真分析得到其运动曲线，如图7所示。

图7 振动组仿真位移图

4 实验分析与论证

利用采样器样机进行实验研究，采集对象选用石灰、炉灰、白沙材料进行1∶5∶1配比并封装在固定容器中进行压实，模拟月壤的物理学特性。

实验过程中，每给定一次电流幅值，在该电流幅值不变的情况下，通过改变其频率，从而得到不同的采样速度曲线。电流幅值选用1 A～4 A，每次递增1 A，电流频率选用20 Hz～70 Hz每次递增10 Hz，总共进行24次采样试验，采样速度如图8所示。

图8 采样速度

通过分析在不同电流参数下的采样速度，得出贯入采样的最高速度为162.0 mm/min，可以证明方案是可行的。我们在保证采样能力的同时，对整体结构进行了重新设计。

5 结论

本文针对我国探月工程计划的采样任务设计了一种机械手末端采样装置，用以采集原始状态下的深层月壤样品。提出了运用电磁驱动式的高频冲击贯入式取芯方法，并运用电磁驱动方式，设计出了一种采样器结构，通过模拟采样试验发现，该采样器的采样速度随电流频率和电流幅值的增加而增加。本文研究为中国航天探月取样器提供了一种新的结构方案。