微弱引力天體巖石驟冷采樣方法
【專利摘要】本發明提供一種微弱引力天體的巖石驟冷采樣方法，包括：步驟S1，探測器上的驟冷劑噴射裝置接近目標天體上的采樣點；步驟S2，驟冷劑噴射裝置噴灑驟冷劑導致采樣點的巖石破碎；步驟S3，將采樣點的碎石收集到探測器的樣品艙內。本發明利用巖石在高溫情況下突然使其急劇降溫會發生劇烈“冷縮”效應而產生的巨大內應力，導致巖石破裂。從而方便進一步小行星巖石樣本的獲取。在采樣過程中無須對其施加過大的作用力，因此滿足在小行星附近微弱引力環境下使用。
【專利說明】微弱引力天體巖石驟冷采樣方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于宇航技術及外空間巖石采樣【技術領域】，特別涉及一種適用于小行星等微弱引力地外天體上使用的微弱引力天體的巖石驟冷采樣方法。
【背景技術】
[0002]巖石采樣是在星際探測航天器上使用的一項常用技術，其目的是將地外天體的巖石樣品從完整的巖石上取下收回探測航天器。在太陽系的大行星上，由于大行星的表面引力比較大，探測器在其表面有較大的重力，因此可以有效地使用鉆探的方式獲取較為深層的巖石樣品，另外大行星表面都附著有大氣層，其表面固態物質大部分以風化層態分布，便于探測器獲取樣品。
[0003]但是小行星等小型天體的情況則與大行星有很大的不同，小行星中的絕大部分直徑都不超過10km，其中很多甚至只有數百米的尺度，在其表面引力極為微弱，所以探測器很難依靠自身重力給巖石采樣鉆頭施加足夠的鉆探壓力，在大星體上常用的鉆探采樣技術在小天體上并不適用。
[0004]目前世界上已經進行過小行星目標采樣的探測器只有日本的“隼鳥號”。該探測器采用的采樣方法是用從探測器本體發射一枚高速彈丸擊碎巖石，并用專門研制的碎石收集罩來收集彈丸迸濺起的巖石碎渣。“隼鳥號”在實際探測過程中彈丸發射失敗，但是“隼鳥號”的樣品返回艙還是帶回了總質量約1.5毫克的巖石微粒，這是小行星表面存在塵埃態風化層的證據。但根據“隼鳥號”在研制過程中地面模擬試驗的結果來看，采用高速彈丸迸濺碎石的方法即使成功也最多只能采集到數百毫克的巖石樣品，采樣效率很低。
【發明內容】
[0005]本發明要解決現有技術中的天體巖石采樣方法難以應用到微弱引力的小型天體的技術問題。
[0006]本發明的技術方案為:一種天體巖石驟冷采樣方法，包括:步驟SI，探測器上的驟冷劑噴射裝置接近目標天體上的采樣點；步驟S2，驟冷劑噴射裝置噴灑驟冷劑導致采樣點的巖石破碎；步驟S3，將采樣點的碎石收集到探測器的樣品艙內。
[0007]進一步地，在步驟SI之前包括:步驟S11，姿軌控系統控制探測器接近目標天體。
[0008]進一步地，步驟SI之前包括:步驟S12，使用近距離寬視場視頻相機觀察目標天體，選擇采樣點。
[0009]進一步地，在步驟S12之后，步驟SI之前包括:步驟S13，利用非接觸式測溫儀對多個選定的采樣點進行測溫。
[0010]進一步地，在步驟S13之后包括:步驟S14，若采樣點溫度均未達到要求的采樣溫度時，對采樣點實施加熱。
[0011]進一步地，步驟S14中，采用高能激光加熱裝置對采樣點實施加熱。
[0012]進一步地，驟冷劑為液化惰性氣體。
[0013]本發明與現有技術相比的優點在于:本發明利用巖石在高溫情況下突然使其急劇降溫會發生劇烈“冷縮”效應而產生的巨大內應力，導致巖石破裂。從而方便進一步小行星巖石樣本的獲取。在采樣過程中無須對其施加過大的作用力，也不必借助重力，因此滿足在小行星附近微弱弓I力環境下使用的需要。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1示出了本發明的天體巖石驟冷采樣方法的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0015]本發明涉及的技術為星際探測器在目標天體上采樣的技術。
[0016]本發明的技術解決方案為:采用巖石驟冷采樣技術進行采樣，綜合利用小行星探測器上的載荷設備，選取小行星表面溫度較高的區域，如果區域內巖石溫度無法達到采樣需求，則可考慮在特定點位采用激光等加熱手段對選定位置進行專門加熱。然后在選定的位置上噴灑大量巖石驟冷劑，使其發生碎裂。最后再用碎石收集裝置將碎石樣本收集到探測器的樣品艙內。
[0017]本發明方案的原理是:構成小行星星體的主要是巖石，屬于脆性材料物質，該類物質的抗拉強度較低，并且具有“熱脹冷縮”的熱力學特性。對一塊溫度較高的巖石噴灑驟冷齊U，會導致巖石的局部溫度急劇降低，并且溫度在短時間內難以達到平衡，這樣會導致周圍的巖石溫度高，處于較高的熱膨脹態，而局部的巖石溫度低，處于冷縮態。在不同的溫度狀態的巖石間則會產生巨大的溫差內應力，當這一內應力超過巖石的破壞極限強度時，就會導致巖石的碎裂。
[0018]本發明可應用于小行星的巖石采樣應用中，在實施過程無需對巖石本體施加很大的機械作用力，能夠在小型天體附近的微弱引力環境中很好地完成采樣任務，適用于小行星附近極微弱的引力環境下的采樣任務需求。
[0019]本技術對巖石施加驟冷作用的巖石驟冷劑將采用液氦等極低溫的液化惰性氣體。該類氣體具有穩定的化學特性，在其揮發過程中只會對巖石樣品施加急劇降溫的物理作用，不會產生其他化學反應，能夠很好地保持小行星巖石樣品的原始物質特性。
[0020]本發明的一個實施例的方法的小行星探測器上裝有以下種類的設備:
[0021]1.近距離寬視場視頻相機。(該視頻相機用于觀察環境，選擇采樣點)
[0022]2.非接觸式測溫儀。(用于對采樣目標點進行測溫)
[0023]3.具有自主控制能力的探測器姿軌控分系統。(用于探測器在目標星周圍相對位置的自主控制)
[0024]4.高能激光加熱裝置。(當采樣目標點溫度不夠高時，對目標點進行加熱)
[0025]5.驟冷劑儲存及噴射裝置。(用于對采樣目標點的巖石實施驟冷破碎作業)
[0026]6.碎石采集裝置。(最終實現將巖石樣品的采樣收集)
[0027]參見圖1所示的小行星巖石采樣工作流程，本發明的一個實施例的方法包括:1、在小行星探測器開始實施采樣任務后，由姿軌控(姿態軌道控制)系統控制探測器接近目標星。2、在到達與目標星合適的距離后，使用近距離寬視場視頻相機觀察目標星，選擇采樣點。3、利用非接觸式測溫儀對多個選定的采樣目標點進行測溫，若采樣點溫度均未達到要求的采樣溫度時，可以采用高能激光加熱裝置對采樣點實施加熱。4、若有采樣點溫度滿足要求后，則可進入下一步環節，探測器在姿軌控系統的控制下使探測器的驟冷劑噴口抵近采樣點，然后驟冷劑噴射裝置噴灑足夠量的驟冷劑導致采樣點巖石的破碎。5、最后由碎石采集裝置將采樣點的碎石收集到探測器的樣品艙內。
【權利要求】
1.一種微弱引力天體的巖石驟冷采樣方法，其特征在于，包括: 步驟Si，探測器上的驟冷劑噴射裝置接近目標天體上的采樣點； 步驟S2，所述驟冷劑噴射裝置噴灑驟冷劑導致所述采樣點的巖石破碎； 步驟S3，將所述采樣點的碎石收集到所述探測器的樣品艙內。
2.根據權利要求1所述的微弱引力天體的巖石驟冷采樣方法，其特征在于: 在步驟SI之前包括:步驟S11，姿軌控系統控制所述探測器接近所述目標天體。
3.根據權利要求1或2所述的微弱引力天體巖石驟冷采樣方法，其特征在于: 在步驟SI之前包括:步驟S12，使用近距離寬視場視頻相機觀察所述目標天體，選擇所述采樣點。
4.根據權利要求3所述的微弱引力天體的巖石驟冷采樣方法，其特征在于: 在步驟S12之后，步驟SI之前包括:步驟S13，利用非接觸式測溫儀對多個選定的所述采樣點進行測溫。
5.根據權利要求4所述的微弱引力天體的巖石驟冷采樣方法，其特征在于，: 在步驟S13之后包括:步驟S14，若所述采樣點溫度均未達到要求的采樣溫度時，對所述采樣點實施加熱。
6.根據權利要求5所述的微弱引力天體的巖石驟冷采樣方法，其特征在于，步驟S14中，采用高能激光加熱裝置對采樣點實施加熱。
7.根據權利要求1所述的微弱引力天體的巖石驟冷采樣方法，其特征在于，所述驟冷劑為液化惰性氣體。
【文檔編號】G01N1/04GK104458317SQ201410484020
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】張嘉雷, 張曉敏, 張燕, 徐志明, 徐云飛, 韓孟飛, 徐森 申請人:航天東方紅衛星有限公司