题目：一种多功能小行星采样器 机械设计及性能测试

    人类对外太空的探索需求日益增加，除了对月球、火星等较大星球进行登陆探索外，对小行星进行探索也是目前研究的重要方向。由于小行星是伴随着太阳系形成的，其组成成分可能含有多种包括金、铂在内的金属矿物和稀有元素，以及复杂的有机物质，对人类探索生命的起源和发展有深刻的意义。因此，设计一种采样器直接对小行星表面物质进行采样是研究其物质成分的重要手段。

    小行星采样器的设计和试验测试研究面临着诸多困难：采样器的质量、体积和功耗有严格的限制，且在微重力环境下难以保证足够的钻进力，还需完成保持层理信息的深层采样，并具有样品预处理和就地分析的能力。但是，国内外在小行星采样器设计方面仍缺乏具有针对性的系统研究，因此本文围绕任务要求，提出可行的设计原理和试验方案，主要研究工作如下：

    本文首先分析了小行星采样器的主要功能和性能指标，根据其工作流程将采样器分为钻进机构、取样机构、样品转移机构、体积测量机构和密封加热机构。进而通过多种方案的对比分析，确定了优选方案，并完成了原理方案设计。在此基础上，进一步进行了各子系统的详细设计，利用调节钻进速度参数、特殊结构的钻具和研磨的方式保证了小作用力下的高硬度钻进采样；通过设计特殊的密封结构，完成了高温状态下的样品密封，保证了加热生成气体的输出。之后通过零部件优化配置设计完成了采样、转移、密封、加热等功能集成一体化设计。

钻杆和密封加热机构为采样器的核心零部件，其性能影响整个采样器的采样效果和样品分析效果。针对钻杆的细长结构特点，建立了钻杆在整个钻进过程中的动力学模型。研究了钻杆顶部安装端和支撑端距离不断变化状态下的钻杆动态失稳条件。进一步进行了有限元仿真分析，得到了钻杆整体在工作过程中的基频变化规律。同时，对密封加热机构进行了密封接触性能理论分析和仿真验证，得到了保证可靠密封、加热情况下的驱动扭矩。

    最后，研制了小行星采样器的原理样机，并开展了采样器的试验研究，得到了采样器的钻取、加热温度等试验数据，验证了采样器设计的合理性。