一種用于月壤探測(cè)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(shuō)是一種用于月壤探測(cè)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(gè)用于安裝星體探測(cè)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(duì)月球體內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)開(kāi)展科學(xué)探測(cè)。
【專利說(shuō)明】
一種用于月壤探測(cè)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(shuō)是一種用于月壤探測(cè)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(cè)手段，采用環(huán)繞器攜帶撞擊穿透器對(duì)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(duì)天體內(nèi)部進(jìn)行探測(cè)。圍繞探測(cè)和著陸器探測(cè)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的天體探測(cè)手段，但圍繞探測(cè)無(wú)法對(duì)天體表皮內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，著陸探測(cè)需著陸器登錄到天體實(shí)施直接觀測(cè)，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度高且在登錄階段成本巨大，特別是對(duì)于小天體探測(cè)，由于其動(dòng)力學(xué)復(fù)雜、弱引力等原因，著陸探測(cè)的難度和成本更高。
[0003]高速撞擊穿透探測(cè)作為一種天體探測(cè)的手段有別于圍繞探測(cè)、著陸器探測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)主要是:需求能源小，可以更加有效和廉價(jià)的深入天體，探測(cè)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(yáng)系其他天體;可以實(shí)現(xiàn)單次多點(diǎn)撞擊，從而形成探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，這在月球探測(cè)方面具有獨(dú)到優(yōu)勢(shì);通過(guò)撞擊穿透小天體，對(duì)小天體內(nèi)部物質(zhì)和結(jié)構(gòu)開(kāi)展科學(xué)探測(cè)，為揭開(kāi)太陽(yáng)系形成演化以及探索生命起源提供線索。這種高速撞擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jī)武器平臺(tái)，穿透器或撞擊器相當(dāng)于天機(jī)武器。因此開(kāi)展小型化高速撞擊穿透器的研究可為未來(lái)深空探測(cè)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(cè)介質(zhì)一定的深度又能保證其所攜帶的有效載荷和探測(cè)設(shè)備能夠“存活”下來(lái)，這對(duì)于穿透器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于月壤探測(cè)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(duì)月球體內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)開(kāi)展科學(xué)探測(cè)。
[0005]為了實(shí)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(cè)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(gè)用于安裝星體探測(cè)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(guò)渡，所述內(nèi)弧面頂部位置不超過(guò)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(guò)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(jī)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(gè)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(diǎn)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(guò)螺紋連接各個(gè)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(jì)有專用儀器安裝模塊，用于測(cè)量?jī)x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(duì)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(guò)撞擊穿透小天體，對(duì)月球體內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)開(kāi)展科學(xué)探測(cè)，為揭開(kāi)太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)撞擊穿透器內(nèi)部的儀器在撞擊后短期生存問(wèn)題，防護(hù)從兩個(gè)方面展開(kāi)，一個(gè)是器件本體的撞擊防護(hù)設(shè)計(jì)，如器件形狀力學(xué)特性、器件內(nèi)安裝、空填等手段;另一個(gè)是器件與穿透器間的撞擊防護(hù)，主要是緩沖設(shè)計(jì)。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明的等軸測(cè)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(shí)施方式】
[0028]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)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(cè)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(gè)用于安裝星體探測(cè)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(jì)可以使穿透器有效的潛入月壤到達(dá)預(yù)期位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)月球內(nèi)部的探測(cè)。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(shí)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(guò)渡，避免應(yīng)力集中。所述內(nèi)弧面頂部位置不超過(guò)距彈尖h/2-h/3，既保證穿透器在侵徹過(guò)程中彈體頭部有足夠強(qiáng)度，同時(shí)兼顧合適的內(nèi)腔容積，潛入時(shí)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(guò)程中沖擊載荷對(duì)彈體內(nèi)部電子元件的損傷，在穿透過(guò)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(guò)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(qiáng)度高、耐腐蝕性好等特點(diǎn)，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(jì)(外傾結(jié)構(gòu))可以讓穿透器在飛行過(guò)程中保持穩(wěn)定的姿態(tài)，同時(shí)也可以增加外殼的強(qiáng)度，在下潛的過(guò)程中起到保護(hù)內(nèi)部?jī)x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(gè)比較好的位姿，同時(shí)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(shí)為儀器提供抗熱、抗輻照的空間環(huán)境保護(hù)，并且實(shí)現(xiàn)減震緩沖。多個(gè)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(gè)模塊內(nèi)部，最大程度對(duì)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(duì)內(nèi)部元器件的損壞。本實(shí)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(dòng)的傳遞，盡量把載荷孤立在各個(gè)模塊的內(nèi)部。設(shè)計(jì)時(shí)分別計(jì)算侵徹過(guò)程中的最大軸向和橫向過(guò)載，然后根據(jù)有效載荷所能承受的最大過(guò)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(guò)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(jī)械連接與分離，同時(shí)也可以為結(jié)構(gòu)模塊提供一個(gè)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(jī)械連接接口，該機(jī)械連接接口通過(guò)機(jī)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(guò)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(duì)后蓋的螺紋聯(lián)接進(jìn)行強(qiáng)度校核。初步設(shè)計(jì)中不計(jì)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(guò)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(shí)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(diǎn)，并且殼體內(nèi)部設(shè)有隔熱材料。在與月球表面碰撞過(guò)程中，通過(guò)壓縮孔隙吸收大量能量，保護(hù)探測(cè)裝置在侵徹過(guò)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(shí)驗(yàn)與仿真分析的模型交互驗(yàn)證進(jìn)行優(yōu)化，包括數(shù)值模擬撞擊過(guò)程、試驗(yàn)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(gè)結(jié)構(gòu)的最終結(jié)構(gòu)樣式。它可以顯著提升整個(gè)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(duì)撞擊穿透和撞擊防護(hù)要求，建立了穿透動(dòng)力學(xué)和撞擊防護(hù)動(dòng)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(guò)螺紋與穿透器外殼相連接，并且與推進(jìn)裝置間設(shè)有機(jī)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(cè)儀器，為儀器提供一個(gè)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(qiáng)大的減振防護(hù)阻尼層設(shè)計(jì)來(lái)支撐其內(nèi)部?jī)x器在這種速度的撞擊下的完整性。
[0040]本發(fā)明以實(shí)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(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，深入分析深空探測(cè)領(lǐng)域撞擊探測(cè)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(shí)盡量減小有效的過(guò)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(shí)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(kuò)展等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于月壤探測(cè)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(gè)用于安裝星體探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)渡，所述內(nèi)弧面頂部位置不超過(guò)距彈尖 h/2-h/3。5.按權(quán)利要求2所述的用于月壤探測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)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(jī)械連接接口。8.按權(quán)利要求7所述的用于月壤探測(cè)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(cè)的高速穿透器結(jié)構(gòu)，其特征在于:多個(gè)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(cè)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(hào)】G01N33/24GK105929140SQ201610539048
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年7月11日
【發(fā)明人】駱海濤, 劉廣明, 富佳, 于敏, 于長(zhǎng)帥, 王鵬
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所