本發(fā)明提供一種用于太空環(huán)境下的發(fā)泡機(jī)構(gòu)，它涉及在太空中利用有機(jī)化合物的受熱分解使氣球膨脹進(jìn)而在太空中產(chǎn)出規(guī)則氣泡群，以達(dá)到清除微小空間碎片的目的，屬于空間微小碎片清除領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1、空間碎片(space?debris)，又稱(chēng)太空垃圾，是指地球軌道上因人類(lèi)航天活動(dòng)產(chǎn)生的所有人造失效物體及其殘骸，主要包括：失效衛(wèi)星、火箭末級(jí)、任務(wù)相關(guān)碎片(如螺栓、護(hù)罩)、解體或碰撞產(chǎn)生的金屬/陶瓷顆粒等。其尺寸從毫米級(jí)的油漆斑點(diǎn)到數(shù)十米級(jí)的廢棄航天器不等，以極高速度(平均約7-8公里/秒)環(huán)繞地球運(yùn)行，對(duì)在軌航天器構(gòu)成碰撞威脅。根據(jù)歐洲空間局(esa)2023年數(shù)據(jù)，目前可跟蹤的直徑10厘米以上碎片超3.6萬(wàn)塊，而毫米級(jí)碎片數(shù)量估計(jì)超1億個(gè)。
2、隨著地球在軌衛(wèi)星的日益增多，衛(wèi)星發(fā)射、損壞、或解體后產(chǎn)生的太空碎片數(shù)量仍在不斷上升，成為威脅在軌航天器安全的重要因素之一，空間碎片的清除已經(jīng)成為當(dāng)今航天界的重大課題。
3、目前的空間碎片清除技術(shù)主要聚焦于厘米至米級(jí)的大型碎片，例如失效衛(wèi)星、火箭殘骸等可追蹤目標(biāo)。典型方案包括機(jī)械臂抓捕(如中國(guó)2016年“遨龍一號(hào)”完成在軌碎片模擬器抓捕試驗(yàn)，astroscale公司2021年elsa-d任務(wù)驗(yàn)證磁捕獲與金屬盤(pán)鎖定技術(shù))、網(wǎng)捕與魚(yú)叉捕獲(英國(guó)removedebris項(xiàng)目于2018年和2019年分別成功演示網(wǎng)捕立方體衛(wèi)星及魚(yú)叉穿透目標(biāo)面板)，以及拖曳離軌裝置(中國(guó)2022年“實(shí)踐21號(hào)”衛(wèi)星將失效北斗衛(wèi)星拖離軌道，實(shí)現(xiàn)全球首次公開(kāi)的“太空拖船”技術(shù)應(yīng)用)。
4、針對(duì)毫米級(jí)微小空間碎片的清除難題，研究人員提出泡沫增阻法這一創(chuàng)新方案：通過(guò)航天器向目標(biāo)碎片定向噴射特制泡沫材料，包裹碎片后顯著增大其表面積與空氣阻力，從而加速軌道衰減，使其在數(shù)月內(nèi)再入大氣層燒毀。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該方法的優(yōu)勢(shì)在于非接觸性與群體清除潛力——例如，現(xiàn)有機(jī)械臂抓捕(如中國(guó)“實(shí)踐21號(hào)”衛(wèi)星)或網(wǎng)捕技術(shù)(英國(guó)removedebris項(xiàng)目)需逐個(gè)精準(zhǔn)捕獲碎片，且僅適用于厘米級(jí)以上目標(biāo)；而泡沫可同時(shí)覆蓋多個(gè)微小碎片，尤其適合處理高密度分布的微粒群。相較于激光推移(如日本天基激光衛(wèi)星需高能聚焦且對(duì)材質(zhì)敏感)或離子束技術(shù)(能耗高、作用距離短)，泡沫增阻法對(duì)碎片形狀、材質(zhì)兼容性更強(qiáng)，操作能耗更低。然而，該技術(shù)仍面臨泡沫太空環(huán)境穩(wěn)定性(極端溫度與輻射下的性能維持)、精準(zhǔn)噴射控制(避免誤傷正常衛(wèi)星)等挑戰(zhàn)，目前尚處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段。
5、為了實(shí)現(xiàn)泡沫增阻法的技術(shù)方案，本發(fā)明提出了一種用于太空環(huán)境下的發(fā)泡機(jī)構(gòu)，旨在產(chǎn)出穩(wěn)定的規(guī)則氣泡群。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、(一)發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種用于太空環(huán)境下的發(fā)泡機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由定制化部件方形框架、絲桿滑塊機(jī)構(gòu)、電磁鐵、連接滑塊與電磁鐵的連接件、含有加熱片的氣球和放置氣球的容器組成，方形框架構(gòu)成機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)，為各部件提供安裝位置；絲桿滑塊機(jī)構(gòu)安裝在方形框架中的一面上，其中的滑塊上具有四個(gè)螺紋通孔，用于安裝連接件；電磁鐵通電后具有磁性，用于捕獲氣球頭部，其吸合面中心處有一個(gè)方形通孔，用于安裝導(dǎo)線(xiàn)，便于氣球內(nèi)部加熱片加熱，底面有兩個(gè)螺紋孔，用于安裝在連接件上；氣球內(nèi)部填有適量的有機(jī)化合物和一個(gè)溫度可以達(dá)到180℃的加熱片，加熱片在氣球嘴處外伸出兩根導(dǎo)線(xiàn)，氣球嘴處使用膠封，已到達(dá)密封效果。
2、(二)技術(shù)方案
3、本發(fā)明一種用于太空環(huán)境下的發(fā)泡機(jī)構(gòu)，是由方形框架、絲桿滑塊機(jī)構(gòu)、電磁鐵、連接滑塊與電磁鐵的連接件、含有加熱片的氣球和放置氣球的容器組成組成；它們相互之間的關(guān)系是：絲桿滑塊機(jī)構(gòu)安裝在方形框架中的一面上；連接滑塊與電磁鐵的連接件的一端與滑塊相連接，中間部分與電磁鐵相連接；電磁鐵合面中心處有一個(gè)方形通孔，用于安裝導(dǎo)線(xiàn)，末端用杜邦線(xiàn)公頭銜接；氣球內(nèi)部填有適量的有機(jī)化合物和一個(gè)溫度可以達(dá)到180℃的加熱片，加熱片在氣球嘴出外伸出兩根導(dǎo)線(xiàn)，用杜邦線(xiàn)母頭銜接，母頭末端固定有一個(gè)鐵片，便于電磁鐵吸附，氣球嘴處使用膠封，已到達(dá)密封效果；當(dāng)滑塊移動(dòng)到右側(cè)極限位置處時(shí)，電磁鐵中的杜邦線(xiàn)公頭與氣球外伸出的杜邦線(xiàn)母頭配合，電磁鐵通電，吸附住母頭末端鐵片，此時(shí)，氣球隨著滑塊運(yùn)動(dòng)；方形框架的一面有“t”型槽，氣球初始狀態(tài)放置在框架外側(cè)，在未膨脹前可在電磁鐵的吸引下通過(guò)橫槽，從框架外側(cè)進(jìn)入內(nèi)側(cè)；放置氣球的容器尺寸大小比氣球初始尺寸略大，類(lèi)似于“抽屜”，該容器存在數(shù)個(gè)，堆疊在由四根細(xì)長(zhǎng)桿、兩塊薄板形成的長(zhǎng)方體范圍內(nèi)；
4、所述的方形框架由絲桿滑塊平臺(tái)固定板、氣球限位板、連接件限位板、連接板和蹭膠板五部分組成，它們的相互關(guān)系是：絲桿滑塊平臺(tái)固定板與連接件限位板面對(duì)放置，兩者之間存有絲桿滑塊機(jī)構(gòu)和連接滑塊與電磁鐵的連接件，它們?cè)谕粋?cè)通過(guò)兩塊較小的連接板連接，另一側(cè)兩者之間由氣球限位板連接，形成了方形的框架；蹭膠板固定在氣球限位板外側(cè)；
5、絲桿滑塊平臺(tái)固定板的形狀構(gòu)造是：一塊長(zhǎng)方形薄板，長(zhǎng)度方向的兩端分別有兩個(gè)通孔，便于與其他板進(jìn)行連接；中間部分有中心對(duì)稱(chēng)分布的四個(gè)通孔，用于安裝絲桿滑塊平臺(tái)；
6、氣球限位板的形狀構(gòu)造是：一塊長(zhǎng)方形薄板，長(zhǎng)度方向的兩端均彎折出“l(fā)”結(jié)構(gòu)，在彎曲后的兩處均有兩個(gè)通孔，用于與其他板相連接；板的偏向中間處有一個(gè)“t”型通槽，用于氣球伸出的杜邦線(xiàn)母頭和鐵制薄片的限位；“t”型通槽周?chē)卜植加?0個(gè)通孔，用于安裝兩個(gè)蹭膠板；
7、蹭膠板的形狀構(gòu)造是：一個(gè)“u”型板，板的外圍分布有5個(gè)通孔，用于安裝在氣球限位板上；與限位板貼合的一面有明顯凹槽，凹槽的一處有一個(gè)通孔，可以通過(guò)該通孔向凹槽內(nèi)灌輸膠；“u”型板與“t”型槽接觸處與凹槽相連，可使膠填滿(mǎn)“t”型槽，進(jìn)而使通過(guò)“t”型槽的氣球蹭上膠；
8、連接件限位板的形狀構(gòu)造是：一塊長(zhǎng)方形薄板，長(zhǎng)度方向的兩端分別有兩個(gè)通孔，便于與其他板進(jìn)行連接；沿長(zhǎng)度方向，在一側(cè)開(kāi)有三個(gè)相鄰的通槽，上下兩個(gè)通槽用來(lái)限制連接滑塊與電磁鐵的連接件沿寬度方向的移動(dòng)，中間的通槽用以減重與觀察框架內(nèi)部情況；
9、連接板的形狀構(gòu)造是：一塊長(zhǎng)方形薄板，長(zhǎng)度方向的兩端均彎折出“l(fā)”結(jié)構(gòu)，在彎曲后的兩處均有1個(gè)通孔，用于與其他板相連接；連接板共有兩塊，且寬度明顯小于其余三個(gè)薄板；
10、方形框架各部件的材料都為硬鋁；
11、所述的絲桿滑塊機(jī)構(gòu)為現(xiàn)有產(chǎn)品件，由絲桿滑塊平臺(tái)與滑塊構(gòu)成，其形狀要求為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。
12、絲桿滑塊平臺(tái)的形狀構(gòu)造是：一個(gè)長(zhǎng)方形厚板，均勻分布四個(gè)通孔，用于安裝在絲桿滑塊平臺(tái)固定板上；沿長(zhǎng)度方向的一端有一個(gè)電機(jī)，電機(jī)伸出一根絲桿，另一端有一塊薄板用以固定絲桿；
13、滑塊的形狀構(gòu)造是：一個(gè)長(zhǎng)方體，面積最大的一面上有四個(gè)螺紋通孔，用以連接所需連接件；側(cè)面有一個(gè)螺紋通孔，與絲桿配合，形成絲桿滑塊機(jī)構(gòu)，滑塊可以沿絲桿方向運(yùn)動(dòng)；
14、絲桿滑塊機(jī)構(gòu)中，絲桿滑塊平臺(tái)與滑塊均為為塑料制品，絲桿與電機(jī)為金屬制品。
15、所述連接滑塊與電磁鐵的連接件是用于連接滑塊與電磁鐵的構(gòu)件，其形狀構(gòu)造是：一個(gè)“工”字型薄板，兩端均有四個(gè)通孔，一端與滑塊進(jìn)行連接，另一端的通孔與連接件限位板的通槽進(jìn)行連接；中間部分有兩個(gè)圓形通孔，用以連接電磁鐵，還有一個(gè)方形通孔，方便導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)；其材料為硬鋁；
16、所述電磁鐵是定制化產(chǎn)品，其形狀構(gòu)造是：一個(gè)長(zhǎng)方體，在吸合面上有一個(gè)方形通孔，可以容納兩個(gè)杜邦線(xiàn)公頭；吸合面的對(duì)面有兩個(gè)螺紋孔，用于與連接件相連；側(cè)面引出導(dǎo)線(xiàn)，用于控制電磁鐵；
17、所述含有加熱片的氣球是乳膠制氣球，其內(nèi)部填充有適量的有機(jī)化合物——偶氮二甲酰胺，該有機(jī)化合物又稱(chēng)ac發(fā)泡劑，受熱分解可以產(chǎn)生氣體；加熱片在氣球嘴處外伸出兩根導(dǎo)線(xiàn)，用杜邦線(xiàn)母頭銜接；母頭末端固定有一個(gè)長(zhǎng)方形鐵片，便于電磁鐵吸附，初始位置位于氣球限位板“t”型通槽內(nèi)側(cè)；氣球嘴處使用膠封，已到達(dá)密封效果；氣球可以通過(guò)氣球限位板的“t”型通槽；
18、所述放置氣球的容器的形狀構(gòu)造是：一個(gè)扁平的長(zhǎng)方形無(wú)蓋盒子；內(nèi)部空間略大于氣球；數(shù)個(gè)容器堆疊在由四根細(xì)長(zhǎng)桿、兩塊薄板形成的長(zhǎng)方體范圍內(nèi)，該長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)為氣球盒支撐框；
19、(三)優(yōu)點(diǎn)
20、本發(fā)明的一種用于用太空環(huán)境下的發(fā)泡機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：
21、①本發(fā)明中提出了一種新的可用于太空環(huán)境下的發(fā)泡機(jī)構(gòu)。
22、②本發(fā)明中提出的可用于太空環(huán)境下的發(fā)泡機(jī)構(gòu)，通過(guò)堆疊式容器存儲(chǔ)多組氣球，
23、結(jié)合絲桿滑塊與電磁鐵協(xié)同控制，可連續(xù)釋放膨脹氣泡形成規(guī)則氣泡群，單次任務(wù)覆蓋大量微小碎片，可以顯著提升清除效率。
24、③本發(fā)明中提出的可用于太空環(huán)境下的發(fā)泡機(jī)構(gòu)，采用硬鋁框架與膠封設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與氣密性；絲桿滑塊與“t”型槽限位系統(tǒng)精準(zhǔn)控制氣球路徑，避免真空失重下的運(yùn)動(dòng)偏移，保障極端溫度與輻射下的可靠運(yùn)行。
25、④本發(fā)明中提出的可用于太空環(huán)境下的發(fā)泡機(jī)構(gòu)，利用ac發(fā)泡劑(偶氮二甲酰胺)受熱分解特性，僅需180℃加熱片即可產(chǎn)氣膨脹，能耗遠(yuǎn)低于激光或離子束技術(shù)；泡沫包裹方式兼容金屬、陶瓷等各類(lèi)材質(zhì)碎片，突破激光技術(shù)對(duì)目標(biāo)反射率的依賴(lài)。
26、⑤本發(fā)明中提出的可用于太空環(huán)境下的發(fā)泡機(jī)構(gòu)，適用于低地球軌道(leo)碎片密集區(qū)清理、衛(wèi)星星座部署前軌道凈化、空間站防護(hù)屏障構(gòu)建等場(chǎng)景，推動(dòng)太空可持續(xù)發(fā)展。