一種用于月壤探測的高速撞擊穿透器結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及高速撞擊穿透器結(jié)構(gòu)，具體地說是一種用于月壤探測的高速撞擊穿透器結(jié)構(gòu)。包括穿透器殼體、穿透器潛頭、分離端蓋、儀器安裝模塊、緩沖阻尼層及潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)，其中穿透器外殼的內(nèi)壁上設(shè)有緩沖阻尼層、并且內(nèi)部設(shè)有多個用于安裝星體探測儀器的儀器安裝模塊，所述穿透器外殼的前端和后端分別與穿透器潛頭和分離端蓋連接，所述穿透器潛頭內(nèi)設(shè)有潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)。本發(fā)明質(zhì)量輕、剛度高，具有優(yōu)良的減振性能，能夠有效的撞擊穿透小天體，從而對月球體內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)開展科學(xué)探測。
【專利說明】
一種用于月壤探測的高速撞擊穿透器結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及高速撞擊穿透器結(jié)構(gòu)，具體地說是一種用于月壤探測的高速撞擊穿透器結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]高速穿透器作為一種天體探測手段，采用環(huán)繞器攜帶撞擊穿透器對天體進(jìn)行高速撞擊以便將儀器以碰撞方式嵌入天體表面，對天體內(nèi)部進(jìn)行探測。圍繞探測和著陸器探測是當(dāng)前國內(nèi)外廣泛采用的天體探測手段，但圍繞探測無法對天體表皮內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行探測，著陸探測需著陸器登錄到天體實施直接觀測，其實現(xiàn)技術(shù)難度高且在登錄階段成本巨大，特別是對于小天體探測，由于其動力學(xué)復(fù)雜、弱引力等原因，著陸探測的難度和成本更高。
[0003]高速撞擊穿透探測作為一種天體探測的手段有別于圍繞探測、著陸器探測，其優(yōu)點主要是:需求能源小，可以更加有效和廉價的深入天體，探測天體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還適用于研究表面覆蓋冰層的木星、土星及太陽系其他天體;可以實現(xiàn)單次多點撞擊，從而形成探測網(wǎng)絡(luò)，這在月球探測方面具有獨到優(yōu)勢;通過撞擊穿透小天體，對小天體內(nèi)部物質(zhì)和結(jié)構(gòu)開展科學(xué)探測，為揭開太陽系形成演化以及探索生命起源提供線索。這種高速撞擊實驗驗證的關(guān)鍵技術(shù)也可認(rèn)為是天基武器打擊中、高軌道目標(biāo)的模擬，軌道器相當(dāng)于天機武器平臺，穿透器或撞擊器相當(dāng)于天機武器。因此開展小型化高速撞擊穿透器的研究可為未來深空探測和天基武器系統(tǒng)的研究奠定關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。撞擊穿透器將以約300m/s的速度撞擊星球表面，相當(dāng)于從4.5km的高空自由降落在地球表面，穿透器的使命是既保證能夠有效穿透被探測介質(zhì)一定的深度又能保證其所攜帶的有效載荷和探測設(shè)備能夠“存活”下來，這對于穿透器的結(jié)構(gòu)設(shè)計將是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于月壤探測的高速撞擊穿透器結(jié)構(gòu)。該穿透器結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、剛度高，具有優(yōu)良的減振性能，能夠有效的撞擊穿透小天體，從而對月球體內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)開展科學(xué)探測。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]—種用于月壤探測的高速穿透器結(jié)構(gòu)，包括穿透器殼體、穿透器潛頭、分離端蓋、儀器安裝模塊、緩沖阻尼層及潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)，其中穿透器外殼的內(nèi)壁上設(shè)有緩沖阻尼層、并且內(nèi)部設(shè)有多個用于安裝星體探測儀器的儀器安裝模塊，所述穿透器外殼的前端和后端分別與穿透器潛頭和分離端蓋連接，所述穿透器潛頭內(nèi)設(shè)有潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)。
[0007]所述穿透器潛頭外部采用流線型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，所述潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)置于其空腔內(nèi)。
[0008]所述潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)為填充于穿透器潛頭內(nèi)部空腔的泡沫鋁。
[0009]所述穿透器潛頭的中空結(jié)構(gòu)采用內(nèi)弧面，該內(nèi)弧面以兩段圓弧平滑過渡，所述內(nèi)弧面頂部位置不超過距彈尖h/2_h/3。
[0010]所述穿透器殼體的壁厚相等，所述穿透器殼體的前端為與穿透器潛頭一體過渡連接的流線型，后端為外傾結(jié)構(gòu)，所述穿透器外殼的前端和后端設(shè)有用于連接穿透器潛頭和分離端蓋的安裝螺紋。
[0011]所述穿透器殼體的殼體壁厚選用彈體抗壓/拉分析和抗彎分析的極限壁厚的最大值。
[0012]所述分離端蓋與穿透器外殼的后端螺紋連接，所述分離端蓋的外側(cè)設(shè)有用于與推進(jìn)器連接的機械連接接口。
[0013]所述分離端蓋的直徑為112mm，厚度為15mm，所述分離端蓋上的螺紋螺牙為7圈，螺距為2mm。
[0014]多個儀器安裝模塊之間采用螺紋連接，并在其間設(shè)有減振保護(hù)層。
[0015]所述穿透器殼體內(nèi)部空隙填充有減震緩沖材料。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點與有益效果是:
[0017]1.本發(fā)明的幾何構(gòu)型一方面可以安全高效的貫穿嵌入月球內(nèi)部，節(jié)省空間、結(jié)構(gòu)緊湊。另一方面可以有效的減振緩沖，保證穿透器內(nèi)部的儀器在沖擊載荷的作用后正常工作。
[0018]2.本發(fā)明主要結(jié)構(gòu)采用鈦合金加工制造，質(zhì)量輕且剛度性能好。通過螺紋連接各個主要結(jié)構(gòu)，且連接件間布有減震阻尼結(jié)構(gòu)。儀器安裝模塊與外殼之間的減振層由泡沫鋁填充，殼體內(nèi)壁敷有絕熱阻尼層，從而提高減振防護(hù)性能。
[0019]3.本發(fā)明設(shè)計有專用儀器安裝模塊，用于測量儀器的安裝和內(nèi)部傳感器的固定，以達(dá)到撞擊后生存的目的。
[0020]4.本發(fā)明穿透器上設(shè)有專用的設(shè)備接口，潛頭與殼體間、分離端蓋與殼體間及各模塊間分別設(shè)有安裝螺紋，儀器安裝模塊為儀器留有安裝空間及固定接口。
[0021]5.本發(fā)明的基本原理是采用環(huán)繞器攜帶撞擊穿透器對月球進(jìn)行高速撞擊以便將儀器以撞擊方式嵌入天體表面。通過撞擊穿透小天體，對月球體內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)開展科學(xué)探測，為揭開太陽系形成演化以及探索生命起源提供線索。
[0022]6.本發(fā)明為實現(xiàn)撞擊穿透器內(nèi)部的儀器在撞擊后短期生存問題，防護(hù)從兩個方面展開，一個是器件本體的撞擊防護(hù)設(shè)計，如器件形狀力學(xué)特性、器件內(nèi)安裝、空填等手段;另一個是器件與穿透器間的撞擊防護(hù)，主要是緩沖設(shè)計。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的等軸測視圖；
[0024]圖2為本發(fā)明的主視圖；
[0025]圖3為本發(fā)明的左視圖；
[0026]圖4為本發(fā)明的爆炸視圖。
[0027]其中:I為穿透器殼體，2為穿透器潛頭，3為尾部分離端蓋，4為儀器安裝模塊，5為緩沖阻尼層，6為潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0028]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0029]如圖1-4所示，本發(fā)明提供的一種用于月壤探測的高速穿透器結(jié)構(gòu)，包括穿透器殼體1、穿透器潛頭2、分離端蓋3、儀器安裝模塊4、緩沖阻尼層5及潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)6，其中穿透器外殼I的內(nèi)壁上設(shè)有緩沖阻尼層5、并且內(nèi)部設(shè)有多個用于安裝星體探測儀器的儀器安裝模塊4，所述穿透器外殼I的前端和后端分別與穿透器潛頭2和分離端蓋3連接，所述穿透器潛頭2內(nèi)設(shè)有潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)6。
[0030]所述穿透器潛頭2的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以使穿透器有效的潛入月壤到達(dá)預(yù)期位置，從而實現(xiàn)對月球內(nèi)部的探測。所述穿透器潛頭2為錐體構(gòu)件，其外部采用流線型結(jié)構(gòu)，以確保彈體的侵徹能力和飛行中的穩(wěn)定性。內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，所述潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)6設(shè)置于穿透器潛頭2的空腔內(nèi)。本實施例中，所述潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)6為填充于穿透器潛頭2內(nèi)部空腔的泡沫鋁。所述穿透器潛頭2的后部有與穿透器外殼I連接的安裝螺紋。
[0031]所述穿透器潛頭2的中空結(jié)構(gòu)采用內(nèi)弧面，該內(nèi)弧面以兩段圓弧平滑過渡，避免應(yīng)力集中。所述內(nèi)弧面頂部位置不超過距彈尖h/2-h/3，既保證穿透器在侵徹過程中彈體頭部有足夠強度，同時兼顧合適的內(nèi)腔容積，潛入時減小月壤阻力。
[0032]所述緩沖阻尼層5和潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)6的主要作用是降低侵徹過程中沖擊載荷對彈體內(nèi)部電子元件的損傷，在穿透過程中減緩沖擊，保護(hù)內(nèi)部元器件在沖擊之后能正常工作。
[0033]所述穿透器殼體I的壁厚相等，所述穿透器殼體I的前端為與穿透器潛頭2—體過渡連接的流線型，后端為外傾結(jié)構(gòu)，所述穿透器外殼I的前端和后端設(shè)有用于連接穿透器潛頭2和分離端蓋3的安裝螺紋。
[0034]所述穿透器殼體I為鈦合金加工制造而成的等厚度筒形結(jié)構(gòu)，鈦合金具有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕性好等特點，殼體壁厚選用彈體抗壓/拉分析和抗彎分析的極限壁厚的最大值。末端的阻流設(shè)計(外傾結(jié)構(gòu))可以讓穿透器在飛行過程中保持穩(wěn)定的姿態(tài)，同時也可以增加外殼的強度，在下潛的過程中起到保護(hù)內(nèi)部儀器的作用。所述穿透器殼體I的尾部外傾結(jié)構(gòu)還可以使穿透器在撞擊后通訊元件維持一個比較好的位姿，同時也可以減緩沖擊的效果，保護(hù)尾部的通信模塊，最大程度減小側(cè)面凹陷。
[0035]所述儀器安裝模塊4為穿透器上設(shè)備提供安裝空間，同時為儀器提供抗熱、抗輻照的空間環(huán)境保護(hù)，并且實現(xiàn)減震緩沖。多個儀器安裝模塊4之間采用螺紋連接，并在其間設(shè)有減振保護(hù)層，可以把沖擊損傷限制在單個模塊內(nèi)部，最大程度對內(nèi)部組件進(jìn)行保護(hù)。所述穿透器殼體I內(nèi)部空隙填充有減震緩沖材料，最大限度上減小沖擊對內(nèi)部元器件的損壞。本實施例中，所述減震緩沖材料采用泡沫鋁。
[0036]各儀器安裝模塊4之間連接處設(shè)置的減振保護(hù)層，減輕模塊之間沖擊振動的傳遞，盡量把載荷孤立在各個模塊的內(nèi)部。設(shè)計時分別計算侵徹過程中的最大軸向和橫向過載，然后根據(jù)有效載荷所能承受的最大過載閾值以及所選緩沖材料的彈性模量與阻尼系數(shù)，以確定軸向和環(huán)周向的阻尼層厚度。因沖擊過程中軸向沖擊載荷為主，故前端緩沖性能要求高于側(cè)壁。
[0037]所述尾部分離端蓋3可以完成與推進(jìn)器的機械連接與分離，同時也可以為結(jié)構(gòu)模塊提供一個密閉緩沖的結(jié)構(gòu)空間。所述分離端蓋3與穿透器外殼I的后端螺紋連接，所述分離端蓋3的外側(cè)設(shè)有用于與推進(jìn)器連接的機械連接接口，該機械連接接口通過機械分離裝置與推進(jìn)器連接，以確保穿透器在達(dá)到預(yù)期位置預(yù)期速度后與推進(jìn)裝置快速分離。在彈體侵徹過程中，由于慣性效應(yīng)，穿透器的分離端蓋3將受到惡劣的拉伸載荷作用，因此需要對后蓋的螺紋聯(lián)接進(jìn)行強度校核。初步設(shè)計中不計算螺牙尺寸，所述分離端蓋3的直徑為112mm，厚度為15mm，所述分離端蓋3上的螺紋螺牙為7圈，螺距為2mm。
[0038]為保障著陸過程中穿透器上設(shè)備的安全，穿透器殼體I內(nèi)部設(shè)有減震阻尼層，同時以泡沫鋁作為減振材料。泡沫鋁具有密度小、緩沖吸能性能好等特點，并且殼體內(nèi)部設(shè)有隔熱材料。在與月球表面碰撞過程中，通過壓縮孔隙吸收大量能量，保護(hù)探測裝置在侵徹過程不被破壞。
[0039]本發(fā)明提供的高速穿透器結(jié)構(gòu)基于地面實驗與仿真分析的模型交互驗證進(jìn)行優(yōu)化，包括數(shù)值模擬撞擊過程、試驗分析力學(xué)減振性能和尺寸優(yōu)化，建立最佳的模型，采用數(shù)值優(yōu)化的方法得到的整個結(jié)構(gòu)的最終結(jié)構(gòu)樣式。它可以顯著提升整個高速穿透器結(jié)構(gòu)的整體剛性和抗振性能。其中穿透器殼體和穿透器潛頭為主要承載結(jié)構(gòu)，針對撞擊穿透和撞擊防護(hù)要求，建立了穿透動力學(xué)和撞擊防護(hù)動力學(xué)模型，并采用數(shù)值仿真進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到性能要求;分離端蓋通過螺紋與穿透器外殼相連接，并且與推進(jìn)裝置間設(shè)有機械分離裝置以確保穿透器在達(dá)到預(yù)期位置預(yù)期速度后與推進(jìn)裝置快速分離;穿透器內(nèi)部安裝模塊預(yù)留足夠的空間安裝科學(xué)探測儀器，為儀器提供一個防輻射、沖擊、隔熱的空間，便于其撞擊后生存;殼體內(nèi)部安裝的強大的減振防護(hù)阻尼層設(shè)計來支撐其內(nèi)部儀器在這種速度的撞擊下的完整性。
[0040]本發(fā)明以實現(xiàn)小型化智能空間穿透器的高速精確撞擊和撞擊后短期生存為目標(biāo)，采用理論、建模與仿真、實驗測試相結(jié)合的方法，深入分析深空探測領(lǐng)域撞擊探測任務(wù)的精確制導(dǎo)和撞擊防護(hù)的需求與要求。并在目標(biāo)的侵徹深度下盡可能的增加有效載荷容積，同時盡量減小有效的過載，使得穿透器在一定的侵徹角范圍內(nèi)都滿足生存要求。
[0041]以上所述僅為本發(fā)明的實施方式，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)、擴展等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種用于月壤探測的高速穿透器結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括穿透器殼體(I)、穿透器潛頭(2)、分離端蓋(3)、儀器安裝模塊(4)、緩沖阻尼層(5)及潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)(6)，其中穿透器外殼(I)的內(nèi)壁上設(shè)有緩沖阻尼層(5)、并且內(nèi)部設(shè)有多個用于安裝星體探測儀器的儀器安裝模塊(4)，所述穿透器外殼(I)的前端和后端分別與穿透器潛頭(2)和分離端蓋(3)連接，所述穿透器潛頭(2)內(nèi)設(shè)有潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)(6)。2.按權(quán)利要求1所述的用于月壤探測的高速穿透器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述穿透器潛頭(2)外部采用流線型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，所述潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)(6)設(shè)置于其空腔內(nèi)。3.按權(quán)利要求2所述的用于月壤探測的高速穿透器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述潛頭減振阻尼結(jié)構(gòu)(6)為填充于穿透器潛頭(2)內(nèi)部空腔的泡沫鋁。4.按權(quán)利要求2所述的用于月壤探測的高速穿透器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述穿透器潛頭(2)的中空結(jié)構(gòu)采用內(nèi)弧面，該內(nèi)弧面以兩段圓弧平滑過渡，所述內(nèi)弧面頂部位置不超過距彈尖 h/2-h/3。5.按權(quán)利要求2所述的用于月壤探測的高速穿透器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述穿透器殼體(I)的壁厚相等，所述穿透器殼體(I)的前端為與穿透器潛頭(2) —體過渡連接的流線型，后端為外傾結(jié)構(gòu)，所述穿透器外殼(I)的前端和后端設(shè)有用于連接穿透器潛頭(2)和分離端蓋(3)的安裝螺紋。6.按權(quán)利要求5所述的用于月壤探測的高速穿透器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述穿透器殼體(I)的殼體壁厚選用彈體抗壓/拉分析和抗彎分析的極限壁厚的最大值。7.按權(quán)利要求1所述的用于月壤探測的高速穿透器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述分離端蓋(3)與穿透器外殼(I)的后端螺紋連接，所述分離端蓋(3)的外側(cè)設(shè)有用于與推進(jìn)器連接的機械連接接口。8.按權(quán)利要求7所述的用于月壤探測的高速穿透器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述分離端蓋(3)的直徑為112mm，厚度為15mm，所述分離端蓋(3)上的螺紋螺牙為7圈，螺距為2mm。9.按權(quán)利要求1所述的用于月壤探測的高速穿透器結(jié)構(gòu)，其特征在于:多個儀器安裝模塊(4)之間采用螺紋連接，并在其間設(shè)有減振保護(hù)層。10.按權(quán)利要求1所述的用于月壤探測的高速穿透器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述穿透器殼體(I)內(nèi)部空隙填充有減震緩沖材料。
【文檔編號】G01N33/24GK105929140SQ201610539048
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月11日
【發(fā)明人】駱海濤, 劉廣明, 富佳, 于敏, 于長帥, 王鵬
【申請人】中國科學(xué)院沈陽自動化研究所