一种用于小行星的破岩采样设备及其使用方法技术

本发明专利技术公开了一种用于小行星的破岩采样设备及其使用方法,其破岩采样设备包括移动平台、安设在移动平台前端的岩块收集组件和热剥落组件、安设在移动平台后端的太阳能组件，热剥落组件包括依次连接的微波发生器、波导管和微波照射板，微波照射板对位于移动平台前端的矿岩岩块进行热剥落，形成剥落岩块；岩块收集组件包括沿气流方向依次连通布置的喷气气幕管、岩块收集管、岩块收集箱、抽气泵、第二控制阀、储气罐、第一控制阀、空气压缩机，空气压缩机的排气口通过耐压管道与喷气气幕管内部前端相连通用于形成循环气流。本发明专利技术满足在设备小型化、低功率条件下的小行星矿岩的连续有效破碎；保证了一次航空组件发射的长时间、大产量持续采矿作业。量持续采矿作业。量持续采矿作业。

【技术实现步骤摘要】
一种用于小行星的破岩采样设备及其使用方法


[0001]本专利技术属于航天与太空采矿
，尤其涉及一种用于小行星的破岩采样设备及其使用方法。

技术介绍

[0002]小行星一般被认为是太阳系形成早期的残留物，广泛存在于整个太阳系内，对于研究太阳系的起源与演化具有重要意义。截止2020年7月，天文学家已经发现了超过15000颗的近地小行星，而且这个数量在以每个月几百颗的速度增加。而依据小行星的构成，可划分为碳质、岩石质、金属质等。其中，金属质小行星多含镍、金、铂等稀有金属，且资源量巨大。例如，据行星资源公司称，铂族金属这一地球上最稀有和最有用的元素之一在小行星上的含量却非常高，以至于一颗直径500米左右富含铂的小行星所含铂族金属比人类历史以来在地球上开采的铂族金属都要多。
[0003]美国宇航局、欧洲空间局、日本宇宙空间研发机构等机构先后都完成了小行星的交会、着陆、采样等任务。特别地，美国政府与卢森堡政府都已经批准了民营企业开展小行星采矿工程资格。目前，这两家公司都已经开始了相关在轨实验，以突破低成本的矿产勘探，并执行开采具有较高经济价值的小行星。
[0004]截至目前，与小行星采矿相关的星体采矿为月球与火星。月球采矿与星体采矿常用的采样技术包括钻取采矿、机械臂铲挖采矿、研磨采矿和抓取采矿，但上述方法由于采样反作用力大且采样时间长，不适用于小行星。此外，小行星表面可能存在强度较高的巨型岩石结构，这给完整矿岩的破碎带来了极大的困难。
[0005]小行星采矿前期技术设想和实践可以概括为以下四类：r/>[0006]1、接触式法
[0007]采样机贴近小行星表面后利用高压空气松动地表风化层后送入收集装置。
[0008]2、撞击法
[0009]采用弹丸射击或者撞击小行星表面。由于小行星的重力微弱，反弹引起的岩屑将沿样本收集器内壁弹射进入样本容器。
[0010]3、抓捕法
[0011]探测器抵达后对小行星捕捉并消旋，将探测器和小行星的共同体转移至地月轨道，其后发射载人飞船完成对接，宇航员出仓采样作业。
[0012]4、钻井法
[0013]利用钻头使得地下岩石粉碎后暴露，利用传输收集装置完成样本采集。其中，2005年日本隼鸟号对一小行星进行了采样实践，采用了射弹撞击后容纳回收的方法，但采样量极其微小。
[0014]当然除了上述这些外，还有振动、超声波等其他非主流的概念方法。其中接触式法与撞击法可能只适合于小规模的采样，而抓捕法只适用于小天体，且具有技术难度大的特点。目前最主流的是钻井法，钻井过程前需要将矿机或者采样机与小行星表面相互锚定，但
由于小行星表面的微重力环境，其岩屑或小行星土壤的结构比较松散，这使得其钻井技术挑战变得比地球表面的实施更加困难，尤其大型高效的钻井设备几乎无法使用。

技术实现思路

[0015]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种反作用力小、有效破碎度高、采样量大的用于小行星的破岩采样设备及其使用方法。
[0016]本专利技术提供的这种用于小行星的破岩采样设备，包括底部带有行走轮的移动平台、安设在移动平台前端的岩块收集组件和热剥落组件、安设在移动平台后端的太阳能组件，所述太阳能组件包括太阳能电池板，用以吸收太阳能储存电量并为移动平台、热剥落组件和岩屑收集组件提供电能；所述热剥落组件包括依次连接的微波发生器、波导管和微波照射板，微波照射板朝移动平台前端布置，微波发生器通过波导管将微波传至微波照射板，微波照射板对位于移动平台前端的矿岩岩块进行热剥落，形成剥落岩块；所述岩块收集组件包括沿气流方向依次连通布置的喷气气幕管、岩块收集管、岩块收集箱、抽气泵、第二控制阀、储气罐、第一控制阀、空气压缩机，所述空气压缩机的排气口通过耐压管道与喷气气幕管内部前端相连通用于形成循环气流，喷气气幕管前端与移动平台合围形成方形的采样口，所述微波照射板置于喷气气幕管和岩块收集管之间，储气罐内的气体经空气压缩机压缩后向喷气气幕管内喷出引导剥落岩块定向移动至岩块收集管，抽气泵启动驱动剥落岩块被吸入岩块收集箱中。
[0017]所述移动平台包括底部安有行走轮的设备平台及旋转安装于设备平台前端的支撑板，喷气气幕管、岩块收集管、岩块收集箱、波导管和微波照射板安装于支撑板上，微波发生器、抽气泵、储气罐和空气压缩机安装于设备平台上。
[0018]所述采样口由喷气气幕管与支撑板合围而成，所述微波照射板与采样口平面同轴平行布置。
[0019]在所述支撑板上设有一用于固定微波照射板的支撑柱喷气气幕管与岩块收集管对称布置在支撑柱前后两侧。
[0020]所述微波照射板为方形且为采样口面积的1/4。
[0021]所述第一控制阀和第二控制阀均为单向节流阀。
[0022]在岩块收集箱上设有与抽气泵相连通布置的滤气口。
[0023]一种适用于上述破岩采样设备的使用方法，包括如下步骤：
[0024]S1、将移动平台移至待破碎的矿岩岩块处，调整行走轮状态使采样口与矿岩岩块的壁面垂直接触，固定移动平台的行走轮；
[0025]S2、开启喷气气幕管、抽气泵、第二控制阀、第一控制阀和空气压缩机，使喷气气幕管喷出的气流经岩块收集管、岩块收集箱、抽气泵、第二控制阀与储气罐形成稳定气流通道；
[0026]S3、开启微波发生器，激发微波经波导管传至微波照射板，辐照矿岩岩块的壁面；矿岩岩块的壁面受表面加热载荷作用，发生热剥落形成剥落岩块，岩屑在稳定气流的引导下进入岩块收集管，岩块在抽气泵的吸力作用下在收集箱中不断聚集；
[0027]S4、当岩块收集箱内集满岩块后，关闭微波发生器、第一控制阀、第二控制阀、空气压缩机、喷气气幕管、抽气泵，更换岩块收集箱，完成一次采样；
[0028]S5、重复步骤S1至S3，即可开始下一次矿岩的破碎与收集。
[0029]本专利技术基于岩石热剥落机理，利用微波瞬间加热矿岩岩块表面，使得加热表面及其表面下方的薄层在压应力下瞬间剥落并向垂直于矿岩岩块表面的方向弹射；岩块剥落一层后，形成的新鲜面又会发生同样的过程，使得剥落凹陷不断向岩块内部延伸，有效克服了低重力环境下传统小行星矿岩破碎实践中反作用力大、有效破碎难度大与采样量小的技术难题，满足在设备小型化、低功率条件下的小行星矿岩的连续有效破碎，缓解了航天发射难度，设备具有小型化、组成简单、技术成熟、可靠性高、一次航天发射套件能持续工作的特点。
[0030]本专利技术统筹了小行星矿岩破碎与收集的一体化设计，储气罐气体的循环利用与太阳能电池板的稳定工作保证了一次航空组件发射的长时间、大产量持续采矿作业。
附图说明
[0031]图1为本专利技术中用于小行星的破岩采样设备的结构示意图。
[0032]图中示出的标记及所对应的构件名称为：
[0033]1、移动平台；11、行走轮；12、设备平台；13、支撑板；14、支撑柱；
[0034]2、岩块收集组件；21、喷气气幕管；22、岩块收集管；23、岩块收集箱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于小行星的破岩采样设备，其特征在于：包括底部带有行走轮(11)的移动平台(1)、安设在移动平台前端的岩块收集组件(2)和热剥落组件(3)、安设在移动平台后端的太阳能组件，所述太阳能组件包括太阳能电池板(4)，用以吸收太阳能储存电量并为移动平台、热剥落组件和岩屑收集组件提供电能；所述热剥落组件包括依次连接的微波发生器(31)、波导管(32)和微波照射板(33)，微波照射板朝移动平台前端布置，微波发生器通过波导管将微波传至微波照射板，微波照射板对位于移动平台前端的矿岩岩块(5)进行热剥落，形成剥落岩块(6)；所述岩块收集组件包括沿气流方向依次连通布置的喷气气幕管(21)、岩块收集管(22)、岩块收集箱(23)、抽气泵(24)、第二控制阀(25)、储气罐(26)、第一控制阀(27)、空气压缩机(28)，所述空气压缩机的排气口通过耐压管道(281)与喷气气幕管内部前端相连通用于形成循环气流，喷气气幕管前端与移动平台合围形成方形的采样口(29)，所述微波照射板置于喷气气幕管和岩块收集管之间，储气罐内的气体经空气压缩机压缩后向喷气气幕管内喷出引导剥落岩块定向移动至岩块收集管，抽气泵启动驱动剥落岩块被吸入岩块收集箱中。2.根据权利要求1所述的用于小行星的破岩采样设备，其特征在于：所述移动平台包括底部安有行走轮的设备平台(12)及旋转安装于设备平台前端的支撑板(13)，喷气气幕管、岩块收集管、岩块收集箱、波导管和微波照射板安装于支撑板上，微波发生器、抽气泵、储气罐和空气压缩机安装于设备平台上。3.根据权利要求2所述的用于小行星的破岩采样设备，其特征在于：所述采样口由喷气气幕管与支撑板合围而成，所述微波照射板与采样口平面同轴平行布置。4.根据权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭懿德，黄麟淇，李夕兵，孙景楠，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：