本发明涉及一种小天体触碰采样器及其采样方法，可采集小天体表面跨尺度粒径样品，属于空间机构领域，可用于地外天体探测中有采样需求的任务中。
背景技术：
1、随着地外天体探测技术的发展，越来越多的星表探测活动要求进行采样。针对月球、火星等表面重力较大的星表，传统的钻、挖、铲等采样方式可以实现。但是在小天体等弱引力星体表面，传统的钻、采、挖等由于需要较大下压力，对于探测器极易飘走的小天体表面这些采样方式已不再适用。针对弱引力星表采样时间短、样品易飞溅、样品易悬浮且难收集、样品特性未明确等约束导致的采样困难等难题。
2、专利cn201210364492.3提出了一种深空小行星样品采集探测器的采样器，其采用驱动部分控制活塞启动，活塞通过推动气阀阀芯控制压缩气体的通断，弹射球体在高压气体的推动下以一定动能射出管口，通过撞击小行星表面产生土壤溅射达到采样的目的。该采样方式难以采集块状样品，且采样时弹射的飞溅样品易对探测器安全造成威胁。cn201410298650.9提出了一种用于小行星探测的钻取抓铲式复合采样器装置，其采用钻取机构、抓铲机构等进行采样，可进行深层和表层采样，该采样方式要求探测器着陆星表后再进行采样，且钻取采样时间较长。
技术实现思路
1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种小天体触碰采样器，可实现弱引力环境下块状样品和粉末状样品采集，能够保证采样卡滞情况下探测器安全，且采样时探测器无需着陆，同时采样时间更短。
2、本发明的技术解决方案是：第一方面，提供一种小天体触碰采样器，包括：块状采样头、粘附采样头、壳体、限位簧片、样品推送螺母、采样电机丝杠轴、采样电机、采样电机后轴、单向联轴器、分离丝杠、分离丝杠螺母、内套筒、外套筒、复位弹簧、分离弹簧、连接法兰、钢球、驱动源、轴承座、外壳，以及控制单元、采样器载体、样品封装容器；
3、单向联轴器包括：主动棘轮、被动棘轮、限位弹簧；
4、块状采样头、粘附采样头、样品推送螺母依次排列于壳体内腔中，能够在壳体内腔中直线滑动；初始状态下限位簧片的一端与壳体外表面固连，另一端卡在块状采样头上；
5、样品推送螺母的开口端抵住粘附采样头基座，采样电机丝杠轴穿过样品推送螺母另一端中心开孔与其形成螺旋副传动，使样品推送螺母在壳体内腔中直线滑动，从而推动块状采样头、粘附采样头向壳体采样端滑动；
6、壳体、采样电机、轴承座、外壳及外套筒依次固连；
7、采样电机一端与壳体固连，另一端与轴承座固连，采样电机后轴与单向联轴器的主动棘轮内孔之间为滑动副连接，单向联轴器的主动棘轮能够在采样电机后轴上往复滑动，限位弹簧位于主动棘轮与采样电机后轴之间，其两端分别被主动棘轮的翻边和采样电机后轴端面限位；单向联轴器的被动棘轮与分离丝杠之间固连，固连部分沿中心线穿过轴承座；分离丝杠与分离丝杠螺母之间为螺旋副连接；外壳的截面呈顺时针旋转90°的t形，其主体套装在分离丝杠螺母外侧，主体的一端与轴承座螺接，另一端伸出两个分支，外侧分支连接外套筒，内侧分支连接驱动源；内套筒套接在外套筒内，与外套筒之间为平动副连接，内套筒靠近采样口一端的开口有翻边，抵住外壳的分支端；外壳的内侧分支上还设置有孔洞，分离丝杠螺母置于外壳内，其推杆穿过外壳内侧分支上的孔洞抵住内套筒的翻边；分离丝杠螺母在分离丝杠的推动下能够沿采样器中心轴线方向平动，推动内套筒沿外套筒中心轴线方向移动；外套筒外表面为阶梯圆柱形，靠近外壳的一端为第一级台阶，其下方与内套筒形成空腔，用于放置复位弹簧；外套筒另一端连接法兰，靠近连接法兰一侧的外表面低于第一级台阶，与连接法兰左端面间形成凹槽，用于放置分离弹簧；复位弹簧一端抵住内套筒的翻边，另一端抵住外套筒的内壁，当该弹簧被压缩时，对内套筒产生恢复推力；分离弹簧一端抵住外套筒外壁，另一端抵住连接法兰，对连接法兰产生沿分离方向的推力；连接法兰通过间隙配合套装在外套筒一端的外边缘，能够沿分离方向滑动；外套筒靠近连接法兰的一端环绕筒壁均匀设置若干孔洞，钢球通过间隙配合嵌于外套筒的孔洞中，能够沿孔洞中心轴线上下浮动；内套筒靠近连接法兰的一端环绕外壁设置有凹槽，凹槽靠近连接法兰的边缘设置为斜坡；非分离状态下，斜坡的顶端能够抵住钢球，使外套筒和连接法兰保持锁紧状态；驱动源与外壳的内侧分支固连，驱动源外圆柱面与内套筒留有间隙，保证内套筒移动时不与驱动源外表面钩挂；连接法兰的右端面固连载荷设备；
8、控制单元是整个采样器的控制中枢，向采样器的采样电机发送放样指令和分离指令；
9、采样器载体为机械臂，与外壳外侧分支上预留的接口连接；
10、样品封装容器安装在探测器中，位于采样器载体活动范围内，用于存放采样器的块状采样头、粘附采样头。
11、优选的，块状采样头包括：样品腔体、高弹性金属丝、限位槽；块状采样头内部空腔为样品腔体，高弹性金属丝位于块状采样头采样口位置，一端连接采样口边缘、一端悬空于采样口，限位槽于块状采样头侧壁；
12、粘附采样头包括：基座、高弹性螺旋金属丝、限位槽；粘附采样头采样端为高弹性螺旋金属丝，限位槽于粘附采样头基座上。
13、优选的，单向联轴器的主动棘轮与被动棘轮之间为斜齿传动，限位弹簧通过控制装配时弹簧压缩高度实现预压推力使得主动棘轮与被动棘轮之间保持啮合。
14、优选的，驱动源能够更换为浮动电连接器，通过浮动电连接器实现载荷设备与采样器之间电气连接的快速连接与断开。
15、优选的，采样器载体为机械臂。
16、第二方面提供一种小天体触碰采样器的采样方法，包括：采样时，采样器载体将采样器的端口对准星表采样点，随后以一定速度将采样器向采样点移动；
17、首先进行块状样品采样；采样块状样品时，块状采样头与采样点接触后，采样点位置的块状样品将块状采样头封口处的高弹性金属丝推开，块状样品被计挤入样品腔体内，高弹性金属丝回位防止进入样品腔体的样品跌落，完成块状样品采样；之后采样器载体将采样器转移到返回器放样口位置；随后控制单元向采样电机发送放样指令，采样电机正转经采样电机丝杠轴驱动样品推送螺母向外推块状采样头，块状样品头在推力作用下推开限位簧片沿壳体内壁向外移动，最终离开壳体并被推入样品封装容器内，完成块状样品放样；粘附采样头随之被推到了壳体端部；
18、采样器被采样器载体转移到采样点进行粉末状样品采集；采样粉末状样品时，当粘附采样头与采样点接触后，粘附采样头通过吸附和夹持方式采集粒径较小的颗粒状样品，完成粉末状样品采集；之后采样器载体将采样器转移到返回器放样口位置；随后控制单元向采样电机发送放样指令，采样电机正转经采样电机丝杠轴驱动样品推送螺母向外推粘附采样头，粘附采样头在推力作用下推开限位簧片沿壳体内壁向外移动，最终离开壳体并被推入样品封装容器内，完成粉末状样品放样；
19、当探测器需要将与采样器连接法兰固连的载荷投放到星表时、或采样器经连接法兰固连的载荷被卡滞在星表时，此时控制单元发送分离指令使采样电机反向转动，采样电机后轴带动单向联轴器将转矩传递到分离丝杠，推动分离丝杠螺母向连接法兰方向运动，推动内套筒向连接法兰移动，当内套筒外表面凹槽移动到钢球位置时，内套筒对钢球内侧的支撑消失，通过预压态分离弹簧对连接法兰的轴向推力，钢球被连接法兰推着向外套筒内腔凹陷，掉进内套筒的凹槽，实现采样器与连接法兰之间的分离，完成采样器与载荷设备之间的分离；当采样器与载荷设备分离时，驱动源能够迅速断开与采样器连接法兰固连的载荷之间的动力连接。
20、优选的，粘附采样头通过吸附和夹持方式采集粒径较小的颗粒状样品，具体的：
21、一方面，采样点位置的粉末状样品吸附在粘附采样头上的多簇高弹性螺旋金属丝表面，高弹性螺旋金属丝表面通过分子间作用力吸附微米级小颗粒；另一方面，采样点位置的粉末状样品被挤入粘附采样头的多根高弹性螺旋金属丝之间：单个高弹性螺旋金属丝的螺距之间能够夹持毫米级粒径颗粒，多个高弹性螺旋金属丝之间能够夹持毫米级和厘米级粒径颗粒。
22、优选的，当电机正向转动推动块状采样头和粘附采样头时，主动棘轮不能带动被动棘轮转动，保证了采样器放样动作与分离动作隔离；当电机放样结束后反向转动时，主动棘轮带动被动棘轮转动，电机的驱动实现采样器与采样器载体之间的分离。
23、优选的，复位弹簧对内套筒施加了轴向弹力，防止内套筒在干扰载荷作用下向连接法兰方向运动导致采样器的外套筒与连接法兰分离。
24、本发明与现有技术相比具有如下优点：
25、(1)本发明提出了具有两种采样方式且异构备份，可实现弱引力环境下块状样品和粉末状样品采集；
26、(2)本发明采用高弹性金属丝和高弹性螺旋金属丝对块状样品进行收集，结构简单；
27、(3)本发明的采样器可携带载荷设备并可实现与载荷设备之间的分离，，一方面可通过采样器将载荷投放在星表，另一方面当载荷在星表卡滞时，可通过分离机构实现载荷与采样器之间的断开，保证探测器安全，且采样电机与分离电机复用。
28、(4)本发明的设计使得采样时探测器无需着陆，同时采样时间更短。
1.一种小天体触碰采样器，其特征在于包括：块状采样头(1)、粘附采样头(2)、壳体(3)、限位簧片(4)、样品推送螺母(5)、采样电机丝杠轴(6)、采样电机(7)、采样电机后轴(8)、单向联轴器(9)、分离丝杠(10)、分离丝杠螺母(11)、内套筒(12)、外套筒(13)、复位弹簧(14)、分离弹簧(15)、连接法兰(16)、钢球(17)、驱动源(18)、轴承座(19)、外壳(20)，以及控制单元、采样器载体、样品封装容器；
2.根据权利要求1所述的一种小天体触碰采样器，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的一种小天体触碰采样器，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的一种小天体触碰采样器，其特征在于：单向联轴器(9)的主动棘轮(9-1)与被动棘轮(9-2)之间为斜齿传动，限位弹簧(9-3)通过控制装配时弹簧压缩高度实现预压推力使得主动棘轮(9-1)与被动棘轮(9-2)之间保持啮合。
5.根据权利要求1所述的一种小天体触碰采样器，其特征在于：驱动源(18)能够更换为浮动电连接器，通过浮动电连接器实现载荷设备与采样器之间电气连接的快速连接与断开。
6.根据权利要求1所述的一种小天体触碰采样器，其特征在于：采样器载体为机械臂。
7.一种小天体触碰采样器的采样方法，其特征在于包括：采样时，采样器载体将采样器的端口对准星表采样点，随后以一定速度将采样器向采样点移动；
8.根据权利要求7所述的一种小天体触碰采样器的采样方法，其特征在于：粘附采样头(2)通过吸附和夹持方式采集粒径较小的颗粒状样品，具体的：
9.根据权利要求7所述的一种小天体触碰采样器的采样方法，其特征在于：当电机(7)正向转动推动块状采样头(1)和粘附采样头(2)时，主动棘轮(9-1)不能带动被动棘轮(9-2)转动，保证了采样器放样动作与分离动作隔离；当电机(7)放样结束后反向转动时，主动棘轮(9-1)带动被动棘轮(9-2)转动，电机(7)的驱动实现采样器与采样器载体之间的分离。
10.根据权利要求7所述的一种小天体触碰采样器的采样方法，其特征在于：复位弹簧(14)对内套筒(12)施加了轴向弹力，防止内套筒(12)在干扰载荷作用下向连接法兰(16)方向运动导致采样器的外套筒(13)与连接法兰(16)分离。
