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刘志,高金忠,于茂华,等.火星样品返回任务中样品捕获定向概念与验证[J].中国空间科学技术（中英文）,2024,44(5):107-114.
LIU Z,GAO J Z,YU M H,et al.Concept and verification of capture and orient module for Mars sample return[J].Chinese Space Science and Technology,2024,44(5):107-114(in Chinese).
一
文章导读
1.研究背景
2021年5月5日，天问一号探测器成功着陆火星乌托邦平原南部预选着陆区。经过近两年飞行和探测，“天问一号”一次性实现了“绕、落、巡”三大任务。按照中国行星探测工程的整体规划，到2030年前后将完成火星取样返回任务。无人火星采样返回探测在科学成果获取和工程能力提升等方面均具有重要意义，与已经多次实现的火星着陆巡视任务相比，火星采样返回任务周期更长，任务关键点更多，技术风险更高。
受限于火星表面起飞的能力，携带火星样品及容器进入环火轨道的平台质量有限，无法采用传统的对接机构形式完成样品转移任务，只能通过在轨道器上配置样品容器捕获转移装置系统，捕获上升器释放的样品容器，并将其转移至返回器内。作为任务关键环节，NASA和JPL在过去几十年一直在开展火星样品捕获定向系统研究，提出了十多种系统方案。提出的方案采用了严格的模块化设计，由捕获、定向和转移等子系统组成。其中，捕获子系统采用了合盖式、收缩锥和叶片式等方案，均属于被动陷阱式捕获方式；定向子系统采用了弧刷式、磁通钉扎和转杯驱动等方法，这些方法配置了多种传感器对样品容器进行识别测量；转移子系统则采用了回转臂、直线滑轨等方式。根据各子系统方案，优化组合提出了2种较为完整的系统方案，即MACARONE和CCRS Concept。该系统方案均采取模块化设计策略，实施了独立的功能与空间分区设计，其最大包络达到1.3m，质量超过100kg，存在系统集成度不足、占用结构空间多和质量大等缺点。
针对火星采样返回任务需求，提出一种样品捕获回收任务系统架构，基于定向与转移一体化设计思路，采用4个旋转扇面实现样品容器定位，并由传送带机构实现样品容器姿态回正与转移，制定了样品定向与转移策略，设计和研制了样品捕获定向机构，经地面样机测试验证，该机构具有定向与转移功能集成度高、样品容器姿态回正适应性强、转移可靠性高等特点。
2.文章梗概
针对火星样品返回任务中样品捕获回收概念，提出了一种样品捕获定向系统架构，以实现火星轨道样品容器的在轨捕获、姿态定向，并将样品容器转移到封装桶内。该方案使用捕获盖进行样品容器的捕获；4个扇面形成可收缩的捕获空间，用于约束定位样品容器；扇面上的传送带与样品容器接触，利用摩擦力与突出挡条带动样品容器运动，传送带相互协同传动用于实现样品容器姿态回正，并转移到封装桶内。为了准确实现样品定向与直线转移，基于扇面转角测量信号制定了扇面与传送带的协调动作策略。设计和研制了样品捕获定向机构样机，测试验证了样品捕获、定向和转移功能。该机构具有质量小（＜12kg）、定向与转移功能集成度高、样品容器姿态回正适应性强、转移可靠性高等特点，可应用于火星样品返回任务。
3.总结与展望
1）提出了一种样品捕获定向任务系统架构，用于火星轨道样品容器的在轨捕获、定向，并将样品容器转移到封装桶内。
2）所提方案的捕获空间由1个捕获盖与4个扇面围拢形成，4个扇面协同转动对样品容器进行约束与定位；扇面上的传送带与样品容器接触，利用摩擦力与突出挡条作用带动样品容器实现姿态回正与直线转移。
3）与国外捕获定向独立分区布局不同，所提方案的捕获空间内集成了姿态回正转移功能，无须配置专门的样品容器姿态测量传感器，实现了多功能创成与轻量化，质量不大于12kg，优于国外同类方案。
4）针对圆柱形样品容器定向与转移，制定了扇面夹持与传送带传动之间协同工作策略，样机试验表明，样品捕获、定向与转移功能协调有效。
5）目前对样品容器捕获、定向和转移进行了研究和分析验证，后续须进一步开展与封装模块、返回器的集成优化工作，为中国火星样品返回任务提供参考。
二
作者简介
刘志，上海宇航系统工程研究所研究员，研究方向为空间结构机构与可靠性。
王治易，上海宇航系统工程研究所研究员，研究方向为空间结构机构技术。
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来源：《中国空间科学技术（中英文）》2024年第5期
编辑：陈飚
监制：祁首冰
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