一种空间螺旋展开暴露平台

技术领域

本发明涉及行星科学采样返回技术领域，具体涉及一种具有螺旋展开功能的空间暴露平台。

背景技术

行星际尘粒收集是空间采样返回任务的重要组成部分，行星际尘粒的采集过程本质上就是获得不同星体样品的过程，是深空采样返回任务的重要拓展和相互补充。各国在空间探测领域都进行了行星际尘粒采样平台建设，建成了各类行星际尘粒采样平台。行星际尘粒采样平台的重大成果体现在返回的尘粒样品，以及行星科学家们对这些样品的提取分析工作所得出的科学研究成果。空间微粒样品的收集和研究工作开始于20世纪80年代。通过分析Solar Maximum卫星回收的热控板和COMET-1的高纯金属收集板上撞击留下的残留物，发现了微陨石和太空碎片。距今，空间收集星际尘粒近40年，收集方式主要有二种，一是来自于航天器表面撞击的残留物，包括LDEF(1984-1990，NASA/ESA)、EuReCa(1992-1993，ESA)，HST(1989-1993，NASA/ESA)和SFU(1995-1996，JAXA)；二是利用微粒收集装置被动接收尘粒，有Euro-Mir(1996-1997，ESA)、ODC(1997-1998，NASA)以及MPAC&SEED(2002-2005，JAXA)。2012年，NASA执行的Stardust计划采集了81P/Wild2彗星的彗尾样品。

星尘号是美国宇航局于1999年发射的太空探测器，主要任务是从慧星怀尔德2号的彗发收集尘埃样本，并带回地球进行分析。2014年8月14日，科学家宣布发现了2006年返回地球的“星尘号”太空舱可能存在的星际尘埃颗粒。气凝胶尘收集器是两个网球拍形状的收集器，能够从航天器中伸缩。进行分析的星尘样本收集托盘中存放着高透光率、低密度的气凝胶物质，星尘样本被收集在超低密度的气凝胶中。覆盖在收集器上的气凝胶使灰尘颗粒从高速减速到完全停止时保持原始状态。这个网球拍大小的收集托盘包含了90块气凝胶，提供了超过1000平方厘米的表面积来捕捉彗星和星际尘埃颗粒。收集器的一边从Wild2收集物质，另一边则对星尘号在太空旅行时遇到的物质进行采样。

气凝胶可以在不破坏颗粒的情况下收集行星际尘粒，是一种多孔的、类似海绵结构的硅基固体，其中99.8％的体积是空的，气凝胶的密度是玻璃的1/1000，当粒子撞击气凝胶时，它会被埋在物质中，形成一条长长的轨迹，其长度可达本身尺寸长度的200倍。气凝胶完成尘粒样本收集后，尘粒收集板在将折叠在返回舱内返回地球，回收舱在2006年航天器通过地球时从航天器中释放出来。

2006年返回舱回收后，镶嵌有气凝胶的样本收集装置被带到洁净系数为医院手术室100倍的洁净室，以确保行星际尘粒不被污染。初步估计表明，气凝胶收集器中至少有100万个微尘粒。其中10个粒子的直径至少为100微米(0.1毫米)，最大的大约为1000微米(1毫米)。在彗星尘埃收集器背面的样品收集器上也发现了大约45个行星际尘粒撞击痕迹。

收集器在回收舱中折叠时所占的表面积与展开后表面积一致，折叠结构没有起到增加暴露面积的作用，返回时折叠整个收集板，收集板及其伸展装置所占空间较大，增加发射成本。

收集板在收集暴露过程中，如果需要进行姿态调整，就需要使得整个航天器进行姿态调整，不能保证收集平面在行星际尘粒通量最大的角度收集尘埃颗粒。

收集板各个收集单元间整体固连，各个收集单元之间没有角度差异，因此无法统计因角度不同造成的行星际尘粒通量差异。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种空间螺旋展开暴露平台。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种空间螺旋展开暴露平台，包括伸缩驱动装置、第一伸缩柱、空心轴电机、导轨驱动装置、螺旋导轨和样品托盘，所述伸缩驱动装置的驱动端连接并驱动所述第一伸缩柱伸缩，所述第一伸缩柱的每节伸缩段上分别安装有所述空心轴电机，所述空心轴电机上连接有所述样品托盘并驱动所述样品托盘绕所述第一伸缩柱周向转动；所述螺旋导轨环绕在所述样品托盘外周侧，所述导轨驱动装置与所述螺旋导轨连接并驱动所述螺旋导轨展开或收回；其中，所述伸缩驱动装置驱动所述第一伸缩柱缩回时，每节伸缩段上的样品托盘围绕所述第一伸缩柱周向排布成圆柱型结构。

本发明的有益效果是：本发明的暴露平台利用升降结构将圆柱形结构的各个样品托盘瓣片进行升降，使暴露平台的样品托盘在展开阶段实现螺线形状排列，保证充足的暴露空间；样品托盘安装在空心轴电机上，随着第一伸缩柱的延长，样品托盘位置可在空心轴电机的控制下随意变动。本发明的暴露平台在展开过程中，可根据特定天文事件情况，进行角度调整、姿态调整、实现在平面最大通量情况下收集行星际尘粒，有效增加样本数量。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述空心轴电机安装在所述第一伸缩柱的每节伸缩段顶部外侧，所述空心轴电机的电机轴外侧壁上连接有所述样品托盘，所述样品托盘与所述第一伸缩柱之间间隔布置。

采用上述进一步方案的有益效果是：样品托盘与第一伸缩柱相互之间不会发生干涉。

进一步，每节所述伸缩段顶部的空心轴电机上至少连接有两个所述样品托盘。

采用上述进一步方案的有益效果是：空心轴电机上连接两个样品托盘可以使样品托盘按照双螺线形状排布，进一步增大暴露面积。

进一步，每个所述空心轴电机的电机轴外侧壁上的样品托盘均匀间隔排布。

采用上述进一步方案的有益效果是：有利于展开和收回。

进一步，所述伸缩驱动装置包括第一丝杠驱动部和第一平行四边形伸缩杆，所述第一平行四边形伸缩杆位于所述第一伸缩柱的中空结构内，所述第一平行四边形伸缩杆一端与所述第一伸缩柱内侧的一节伸缩段顶部连接，另一端的两根铰接杆分别连接所述第一丝杠驱动部的第一固定块和第一滑块，所述第一滑块在所述第一丝杠驱动部的驱动下靠近或远离所述第一固定块，进而驱动所述第一平行四边形伸缩杆进行伸缩运动。

采用上述进一步方案的有益效果是：将第一平行四边形伸缩杆隐藏在第一伸缩柱内，节省空间，也有利于第一伸缩柱的伸缩控制。

进一步，所述第一丝杠驱动部还包括第一底座以及分别安装在所述第一底座上的第一驱动电机、第一丝杠和第一滑轨，所述第一滑轨并排布置在所述第一丝杠一侧，所述第一滑块螺纹连接在所述第一丝杆上并与所述第一滑轨滑动连接，所述第一驱动电机与所述第一丝杆一端连接，所述第一固定块位于所述第一丝杠另一端。

进一步，所述螺旋导轨包括若干螺旋导轨段，所述导轨驱动装置的驱动端连接有第二伸缩柱，所述第二伸缩柱的每节伸缩段上分别连接一个所述螺旋导轨段，其中，所述导轨驱动装置驱动所述第二伸缩柱伸出时，每节伸缩段上的螺旋导轨段依次首尾对接形成螺线型导轨结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：有利于节省空间。

进一步，所述螺旋导轨采用聚醚醚酮基碳纤维增强热塑复合材料，所述螺旋导轨上安装有可沿其运行的巡检机器人。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用聚醚醚酮基碳纤维增强热塑复合材料，可以在保证结构刚度的同时，保证结构的轻型特点，大大降低发射重量需求，并降低驱动结构转向和伸展带来的能量损耗。采用巡检机器人，可以进行空间原位观测，向地面传送资料。

进一步，所述导轨驱动装置包括第二丝杠驱动部和第二平行四边形伸缩杆，所述第二平行四边形伸缩杆位于所述第二伸缩柱的中空结构内，所述第二平行四边形伸缩杆一端与所述第二伸缩柱内侧的一节伸缩段顶部连接，另一端的两根铰接杆分别连接所述第二丝杠驱动部的第二固定块和第二滑块，所述第二滑块在所述第二丝杠驱动部的驱动下靠近或远离所述第二固定块，进而驱动所述第二平行四边形伸缩杆进行伸缩运动。

进一步，所述样品托盘横截面呈扇形结构，所述样品托盘的各个面上分别设有用于安装及暴露样品单元的镂空。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以将封装好的暴露样品单元嵌入样品托盘的镂空中，待暴露实验结束后随暴露平台整体返回地面。暴露样品单元尺寸略大于样品托盘上镂空尺寸，可以通过过盈配合的方式夹紧嵌入样品托盘内。

附图说明

图1为本发明空间螺旋展开暴露平台收回状态示意图；

图2为本发明空间螺旋展开暴露平台展开过程状态示意图；

图3为本发明空间螺旋展开暴露平台完全展开后状态示意图；

图4为本发明空间螺旋展开暴露平台展开后样品托盘同方向排布状态示意图；

图5为本发明伸缩驱动装置内部结构示意图；

图6为本发明巡检机器人在螺旋导轨上的状态示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、伸缩驱动装置；11、第一平行四边形伸缩杆；12、第一丝杠；13、第一滑块；14、第一固定块；15、第一底座；16、第一滑轨；17、第一驱动电机；

2、第一伸缩柱；3、空心轴电机；

4、导轨驱动装置；41、第二平行四边形伸缩杆；42、第二丝杠；43、第二滑块；44、第二固定块；45、第二底座；46、第二滑轨；47、第二驱动电机；

5、第二伸缩柱；51、导轨固定座；

6、螺旋导轨；61、螺旋导轨段；

7、样品托盘；71、暴露样品单元；8、底板；9、红外光谱仪；91、拉曼质谱仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-图6所示，本实施例的一种空间螺旋展开暴露平台，包括伸缩驱动装置1、第一伸缩柱2、空心轴电机3、导轨驱动装置4、螺旋导轨6和样品托盘7，所述伸缩驱动装置1的驱动端连接并驱动所述第一伸缩柱2伸缩，所述第一伸缩柱2的每节伸缩段上分别安装有所述空心轴电机3，所述空心轴电机3上连接有所述样品托盘7并驱动所述样品托盘7绕所述第一伸缩柱2周向转动；所述螺旋导轨6环绕在所述样品托盘7外周侧，所述导轨驱动装置4与所述螺旋导轨6连接并驱动所述螺旋导轨6展开或收回；其中，所述伸缩驱动装置1驱动所述第一伸缩柱2缩回时，每节伸缩段上的样品托盘7围绕所述第一伸缩柱2周向排布成圆柱型结构。

其中，伸缩驱动装置1和导轨驱动装置4分别安装在底板8上。

本实施例的暴露平台利用升降结构将圆柱形结构的各个样品托盘瓣片进行升降，使暴露平台的样品托盘在展开阶段实现螺线形状排列，保证充足的暴露空间；各个样品托盘在收回时围成圆柱型折展结构，可以有效提高整个结构的折展比，大大增加暴露面积，能够减小暴露平台在折叠情况下所占空间，降低发射和回收成本；样品托盘安装在空心轴电机上，随着第一伸缩柱的延长，样品托盘位置可在空心轴电机的控制下随之变动。本发明的暴露平台在展开过程中，可根据特定天文事件情况，进行角度调整、姿态调整、实现在平面最大通量情况下收集行星际尘粒，有效增加样本数量。

如图1-图4所示，所述空心轴电机3安装在所述第一伸缩柱2的每节伸缩段顶部外侧，所述空心轴电机3的电机轴外侧壁上连接有所述样品托盘7，所述样品托盘7与所述第一伸缩柱2之间间隔布置。样品托盘与第一伸缩柱相互之间不会发生干涉。

如图1-图4所示，每节所述伸缩段顶部的空心轴电机3上至少连接有两个所述样品托盘7。空心轴电机上连接两个样品托盘可以使样品托盘按照双螺线形状排布，进一步增大暴露面积。

如图1-图4所示，为了方便暴露平台的展开和收回，每个所述空心轴电机3的电机轴外侧壁上的样品托盘7均匀间隔排布。

如图5所示，所述伸缩驱动装置1包括第一丝杠驱动部和第一平行四边形伸缩杆11，所述第一平行四边形伸缩杆11位于所述第一伸缩柱2的中空结构内，所述第一平行四边形伸缩杆11一端与所述第一伸缩柱2内侧的一节伸缩段顶部连接，另一端的两根铰接杆分别连接所述第一丝杠驱动部的第一固定块14和第一滑块13，所述第一滑块13在所述第一丝杠驱动部的驱动下靠近或远离所述第一固定块14，进而驱动所述第一平行四边形伸缩杆11进行伸缩运动。将第一平行四边形伸缩杆隐藏在第一伸缩柱内，节省空间，也有利于第一伸缩柱的伸缩控制。

如图1-5所示，所述第一丝杠驱动部还包括第一底座15以及分别安装在所述第一底座15上的第一驱动电机17、第一丝杠12和第一滑轨16，所述第一滑轨16并排布置在所述第一丝杠12一侧，所述第一滑块13螺纹连接在所述第一丝杆12上并与所述第一滑轨16滑动连接，所述第一驱动电机17与所述第一丝杆12一端连接，所述第一固定块14位于所述第一丝杠12另一端。

其中，本实施例的螺旋导轨可以采用单根螺旋线结构。具体的，所述螺旋导轨6采用聚醚醚酮基碳纤维增强热塑复合材料，根据热塑性纤维增强复合材料性能进行纤维防线设计，利用纤维/树脂的流动性合理设计传力路径，使得增强纤维能够有效地承力。利用热塑复合材料的特殊性能，将导轨与伸缩柱上的导轨固定座进行结合，实现样品平台展开。采用聚醚醚酮基碳纤维增强热塑复合材料，可以在保证结构刚度的同时，保证结构的轻型特点，大大降低发射重量需求，并降低驱动结构转向和伸展带来的能量损耗。

如图1-图4所示，本实施例的一个优选方案为，所述螺旋导轨6包括若干螺旋导轨段61，所述导轨驱动装置4的驱动端连接有第二伸缩柱5，所述第二伸缩柱5的每节伸缩段上分别连接一个所述螺旋导轨段61，其中，所述导轨驱动装置4驱动所述第二伸缩柱5伸出时，每节伸缩段上的螺旋导轨段61依次首尾对接形成螺线型导轨结构。具体的，在所述第二伸缩柱5的每节伸缩段的顶部分别连接有一个导轨固定座51，在导轨固定座51靠近所述螺旋导轨段61的一侧设有横杆，利用横杆与螺旋导轨段61进行连接。采用分段导轨结构，螺旋导轨材料可选用聚醚醚酮基碳纤维增强热塑复合材料，也可选用其他复合材料或金属材料。

其中，所述螺旋导轨6上安装有可沿其运行的巡检机器人。所述巡检机器人包括红外光谱仪9和拉曼质谱仪91。采用巡检机器人，可以进行空间原位观测，向地面传送资料。拉曼光谱仪、红外光谱仪等监测设备通过螺线轨迹在轨进行巡检、表面形貌观察等操作，实现全试验区域气凝胶样品观测。可实时采集、记录及传输数据下行至地面科研人员，作为试验分析的参考和依据。地面工作人员也可实时发送控制指令，对在样本在轨试验状态进行观测和指导。

如图1-图5所示，所述导轨驱动装置4与所述伸缩驱动装置1采用相同的驱动结构。具体的，所述导轨驱动装置4包括第二丝杠驱动部和第二平行四边形伸缩杆41，所述第二平行四边形伸缩杆41位于所述第二伸缩柱5的中空结构内，所述第二平行四边形伸缩杆41一端与所述第二伸缩柱5内侧的一节伸缩段顶部连接，另一端的两根铰接杆分别连接所述第二丝杠驱动部的第二固定块44和第二滑块43，所述第二滑块43在所述第二丝杠驱动部的驱动下靠近或远离所述第二固定块44，进而驱动所述第二平行四边形伸缩杆41进行伸缩运动。如图1-5所示，所述第二丝杠驱动部还包括第二底座45以及分别安装在所述第二底座45上的第二驱动电机47、第二丝杠42和第二滑轨46，所述第二滑轨46并排布置在所述第二丝杠42一侧，所述第二滑块43螺纹连接在所述第二丝杆42上并与所述第二滑轨46滑动连接，所述第二驱动电机47与所述第二丝杆42一端连接，所述第二固定块44位于所述第二丝杠42另一端。

如图1-图4所示，所述样品托盘7横截面呈扇形结构，所述样品托盘7的各个面上分别设有用于安装及暴露样品单元71的镂空，优选方型镂空。可以将封装好的暴露样品单元嵌入样品托盘的镂空中，待暴露实验结束后随暴露平台整体返回地面。暴露样品单元71尺寸略大于样品托盘7上镂空尺寸，可以通过过盈配合的方式夹紧嵌入样品托盘内。

如图1-图4所示，本实施例的第一伸缩柱2包括有四节伸缩段，每节伸缩段上连接有两个样品托盘7，通过伸缩驱动装置1可以将第一伸缩柱2的每节伸缩段及其上的样品托盘瓣片进行升降，使得暴露平台上的所有样品托盘7在展开阶段实现双螺线形状排列，保证充足的暴露空间。样品托盘连接在伸缩段的空心轴电机上，随着伸缩柱的伸长，样品托盘位置随之变动，可以将所有的样品托盘排布在两条直线上，如图4所示。

本实施例的空间螺旋展开暴露平台的展收过程为，暴露平台由收回状态变为展开状态，即由图1-图3的过程为，伸缩驱动装置1的第一丝杠驱动部驱动第一滑块13靠近第一固定块14，使第一平行四边形伸缩杆11带动第一伸缩柱2伸出，第一伸缩柱2上每节伸缩段上的样品托盘7随之上升，并由原来的圆柱型结构逐渐变成螺线型结构排布(伸缩段上安装两个样品托盘时为双螺线型结构排布)，同时，导轨驱动装置4的第二丝杠驱动部也驱动第二滑块43靠近第二固定块44，使第二平行四边形伸缩杆41带动第二伸缩柱5伸出，第二伸缩柱5上每节伸缩段上的螺旋导轨段61逐渐对接成螺线型结构，图2为暴露平台展开过程中螺旋导轨段61两两对接状态图，图3为暴露平台完全展开后螺旋导轨段61依次首尾对接状态图。暴露平台完全展开后，第一伸缩柱2上各节伸缩段上的样品托盘7相互之间互不干涉。可以根据特定天文事件，进行整体收集方向的调整，各个样品托盘7可以旋转至同一个角度，提高收集效率。如图4，可利用空心轴电机3调整样品托盘7的角度和方向，可将样品托盘7分别排布在一条直线上。暴露平台由展开状态变为收回状态，即由图3到图1的过程为，利用伸缩驱动装置1的第一丝杠驱动部驱动第一滑块13远离第一固定块14，使第一平行四边形伸缩杆11带动第一伸缩柱2缩回，第一伸缩柱2上每节伸缩段上的样品托盘7收回，并围成一圆柱型结构，能够减小暴露平台在折叠情况下所占空间，降低发射和回收成本；同时，导轨驱动装置4的第二丝杠驱动部也驱动第二滑块43远离第二固定块44，使第二平行四边形伸缩杆41带动第二伸缩柱5缩回，第二伸缩柱5上每节伸缩段上的螺旋导轨段61解除对接并随伸缩段叠加收回。

本实施例的暴露平台能够支持上百个科学样本的暴露实验，暴露平台在展开过程中，可根据特定天文事件情况，进行角度调整、姿态调整、实现在平面最大通量情况下收集行星际尘粒，有效增加样本数量。本实施例的暴露平台能够根据需求调整每个样品托盘的角度，地面能够发射控制信号并传输到暴露平台，暴露平台接收指令后，配合伸缩驱动装置和导轨驱动装置，将样品托盘和螺旋导轨驱动到指定位置，在探测器整体经历某些特定天文事件时，可以根据尘粒通量最大角度进行尘粒收集；此平台在默认的运行姿态下能够收集不同角度的尘粒，可以帮助了解不同收集角度尘粒通量的异同；样品托盘收回后呈圆柱型结构，可将第一伸缩柱通过柱销连接在返回舱中，返回地面。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。