一种可插拔式微型太空实验教具的制作方法

本发明属于航天技术领域，尤其是涉及一种可插拔式微型太空实验教具。

背景技术：

早在2000年，教育活动和推广就已被列入“国际空间站”重要的新兴应用领域之一；2013年6月，“神舟十号”航天员在离地面300多公里的太空舱中为我国青少年进行了首次太空授课，这次天地间的互动课堂系中国首创之举，极大地激发了我国青少年对科学技术探索的热情和勇气；2000-2016年的16年间，“国际空间站”主导开展了大量的教育活动，旨在激发世界各地的孩子们学习科学、技术、工程和数学的热情；其中，较为典型的教育项目如csi系列的“太空生物课”教学活动，该项活动是在国际空间站中完成的，csi系列活动持续数年，进行多种生物实验(例如，蛋白质结晶、植物生成、细胞培养等)；通过国际空间站下传数据和影像，作为素材被编入基础课程教材，并鼓励学生在教师里完成地面版的“太空生物课”实验，比较自己的实验结果和空间站宇航员的实验结果之间的差异。

2017年，随着我国空间实验室任务的圆满完成，我国载人空间站工程已全面启动，并计划到2022年前后完成在轨组装并投入运营，开展大规模的空间科学实验与技术试验；2024年前后，在轨运营二十余年的“国际空间站”将面临退役，届时，我国空间站将成为全球唯一在轨运行的空间站，为全球科学爱好者开放空间实验资源，也将成为青少年科技教育探索与改革的重要基地。

现有比较成功的太空探索型实验教具主要是美国生物服务公司(bioserve)开发的商用生物实验装置(cgba)。该装置的外包络尺寸为510mm×280mm×460mm，具有温度可控范围广(4℃～37℃)、配有数据和图像遥测系统可进行遥控操作，在该装置中可放入不同的插件自动地的进行实验；整个实验装置体积较大，需安置于空间站的实验舱机柜内，成本较高，结构复杂。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种可插拔式微型太空实验教具，以解决现有技术中存在。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种可插拔式微型太空实验教具，包括外壳、反应室组件、盖板和拍摄及控制模块；外壳为一面开口盒体结构，在外壳内的相对于开口的面上设有固定板，在外壳的侧壁内设有固定块卡槽和控制板卡槽，反应室组件一端设有反应室固定座，另一端设有固定块，两端之间设有反应腔，反应室固定座固定在固定板上，固定块嵌插在固定块卡槽内，拍摄及控制模块嵌插在控制板卡槽内，在拍摄及控制模块上设有对外的usb接口，拍摄及控制模块用于记录反应腔内的反应信息；盖板封盖在外壳的开口处；

进一步的，反应室组件还包括激活装置和反应棒，激活装置位于反应腔与反应室固定座之间；反应棒设置在反应腔与固定块之间；反应棒一端插放在反应腔内，在反应腔内，对应于反应棒位置处设有薄膜；

进一步的，激活装置包括螺栓、活动座、sma(shapememoryalloy，形状记忆合金)棒和分瓣螺母，螺栓固定在反应腔的底部，分瓣螺母卡置在活动座的顶部，螺栓通过螺纹副设置在分瓣螺母内，拉近反应腔与活动座，在活动座内部设有顶托分瓣螺母的支撑组件；sma棒设置在活动座的底部外端，且sma棒固定在反应室固定座上；反应腔与活动座之间还设有压缩弹簧，压缩弹簧用于分离反应腔与活动座，辅助推升反应腔向反应棒方向运动；

进一步的，支撑组件包括顶推弹簧、固定棒和楔形块，顶推弹簧套设在固定棒上，固定棒底端固定在活动座内底部，楔形块的大头端设置在固定棒的顶端，楔形块的小头端顶接在分瓣螺母底部；

进一步的，在反应棒与反应腔的衔接处还设有鸭嘴阀，鸭嘴阀防止反应腔中的液体发生倒流；

进一步的，分瓣螺母顶部设有凸缘，凸缘下设有凹槽；当凸缘与活动座顶部齐平时，激活装置处于锁死状态，当活动座卡在凹槽位置时，激活装置处于开启状态；具体的，sma棒通电收缩后，向下拉动活动座，活动座与分瓣螺母衔接处的凸缘相对于活动座向上移动，活动座卡在分瓣螺母的凹槽处，此时分瓣螺母分开，分瓣螺母对螺栓失去径向约束，同时压缩弹簧失去轴向约束，螺栓从分瓣螺母中脱出，螺栓带动反应腔向固定块方向移动，鸭嘴阀张开，薄膜被反应棒捅破，则反应棒上粘贴的物质与反应腔内的物质发生接触，实验激活动作完毕；

进一步的，拍摄及控制模块包括led灯、微型摄像头、存储卡和控制电路，led灯用于照明；微型摄像头用于采集记录反应信息；存储卡用于存储微型摄像头记录的图像；控制电路用于连接、控制所有执行模块；

进一步的，反应腔由透明的有机玻璃制成；内部装有试验物质，在反应棒上黏贴反应用试验物质；

进一步的，若干反应室组件排列在反应室固定座与固定块之间；每个反应室组件包括两根sma棒；

进一步的，拍摄及控制模块上的电控单元包括主控模块、执行模块、时间系统模块、图像与数传模块、usb接口与通信模块和电源管理模块，5v电源设备作为电源；电源管理模块用于电源的管理；执行模块外置设备包括led灯和sma棒；状态检测模块外置设备及检测状态包括时间日历电路、照明状态、供电状态；在主控模块上还设有摄像控制模块，摄像控制模块发送指令至微型摄像机；微型摄像机的存储模块连接于usb接口与通信模块上，用于图像与数据的传送；在主控模块上还设有防死机模块；防止主控模块死机；其中，主控模块上的软件模块包括数据采集模块、数据传输模块、状态检测模块、看门狗模块、电源管理模块、拍照管理模块、出错机制模块；硬件模块包括avr单片机、usbhub模块、微型摄像机、usb转ttl模块、时钟电路和掉电保持电路；

相对于现有技术，本发明所述的可插拔式微型太空实验教具具有以下优势：

本发明的结构体积小、重量轻、方便携带；且成本低、接口简单，能在空间站无人照料的情况下，为在空间站实验舱内进行化学溶解试验提供必要的反应条件；本发明能让青少年真正参与空间科学实验研究，鼓励青少年开展天地对比试验，更好地激发他们对太空探索的兴趣。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的可插拔式太空实验教具立体示意图；

图2为本发明实施例所述的反应室组件立体示意图；

图3为本发明实施例所述的反应室组件剖视图；

图4为本发明实施例所述的拍摄及控制模块立体示意图；

图5a和5b为本发明实施例所述的反应室组件工作状态变化示意图；

图6为本发明实施例所述的控制系统示意图；

附图标记说明：

1-外壳；2-固定板；3-反应室组件；4-固定块卡槽；5-控制板卡槽；6-usb接口；7-盖板；8-拍摄及控制模块；9-反应室固定座；10-激活装置；11-反应腔；12-固定块；13-反应棒；14-鸭嘴阀；15-螺栓；16-压缩弹簧；17-活动座；18-顶推弹簧；19-sma棒；20-固定棒；21-楔形块；22-分瓣螺母；220-凹槽；221-凸缘；23-薄膜；24-led灯；25-微型摄像头；26-存储卡；27-控制电路。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

结合图1所示，一种可插拔式微型太空实验教具，包括外壳1、反应室组件3、盖板7和拍摄及控制模块8；外壳1为一面开口盒体结构，在外壳1内的相对于开口的面上设有固定板2，在外壳1的侧壁内设有固定块卡槽4和控制板卡槽5，反应室组件3一端设有反应室固定座9，另一端设有固定块12，两端之间设有反应腔11，反应室固定座9固定在固定板2上，固定块12嵌插在固定块卡槽4内，拍摄及控制模块8嵌插在控制板卡槽5内，在拍摄及控制模块8上设有对外的usb接口6，拍摄及控制模块8用于记录反应腔11内的反应信息；盖板7封盖在外壳1的开口处；

结合图2、3所示，反应室组件3还包括激活装置10和反应棒13，激活装置10位于反应腔11与反应室固定座9之间；反应棒13设置在反应腔11与固定块12之间；反应棒13一端插放在反应腔11内，在反应腔11内，对应于反应棒13位置处设有薄膜23；其中，激活装置10包括螺栓15、活动座17、sma(shapememoryalloy，形状记忆合金)棒19和分瓣螺母22，螺栓15固定在反应腔11的底部，分瓣螺母22卡置在活动座17的顶部，螺栓15通过螺纹副设置在分瓣螺母22内，拉近反应腔11与活动座17，在活动座17内部设有顶托分瓣螺母22的支撑组件；sma棒19设置在活动座17的底部外端，且sma棒19固定在反应室固定座9上；反应腔11与活动座17之间还设有压缩弹簧16，压缩弹簧16用于分离反应腔11与活动座17，辅助推升反应腔11向反应棒13方向运动；其中，支撑组件包括顶推弹簧18、固定棒20和楔形块21，顶推弹簧18套设在固定棒20上，固定棒20底端固定在活动座17内底部，楔形块21的大头端设置在固定棒20的顶端，楔形块21的小头端顶接在分瓣螺母22底部；当激活装10在激活过程中，楔形块21辅助推开分瓣螺母22；保证分瓣螺母22失去对螺栓的径向约束；其中，在反应棒13与反应腔11的衔接处还设有鸭嘴阀14，鸭嘴阀14防止反应腔11中的液体发生倒流；

结合图5中b状态图，分瓣螺母22顶部设有凸缘221，凸缘221下设有凹槽220；当凸缘221与活动座17顶部齐平时，激活装置10处于锁死状态，当活动座17卡在凹槽220位置时，激活装置10处于开启状态；具体的，sma棒19通电收缩后，向下拉动活动座17，活动座17与分瓣螺母22衔接处的凸缘相对于活动座17向上移动，活动座17卡在分瓣螺母22的凹槽处，此时分瓣螺母22分开，分瓣螺母22对螺栓15失去径向约束，同时压缩弹簧16失去轴向约束，螺栓15从分瓣螺母22中脱出，螺栓15带动反应腔11向固定块12方向移动，鸭嘴阀14张开，薄膜23被反应棒13捅破，则反应棒上粘贴的物质与反应腔11内的物质a发生接触，实验激活动作完毕；

结合图4所示，拍摄及控制模块8包括led灯24、微型摄像头25、存储卡26和控制电路27，led灯24用于照明；微型摄像头25用于采集记录反应信息；存储卡26用于存储微型摄像头25记录的图像；控制电路27用于连接、控制所有执行模块；

其中，反应腔11由透明的有机玻璃制成；内部装有试验物质，在反应棒13上黏贴反应用试验物质；其中，若干反应室组件排列在反应室固定座9与固定块12之间；每个反应室组件包括两根sma棒19；

结合图6所示，拍摄及控制模块8上的电控单元包括主控模块、执行模块、时间系统模块、图像与数传模块、usb接口与通信模块和电源管理模块，5v电源设备作为电源；电源管理模块用于电源的管理；执行模块外置设备包括led灯和sma棒；状态检测模块外置设备及检测状态包括时间日历电路、照明状态、供电状态；在主控模块上还设有摄像控制模块，摄像控制模块发送指令至微型摄像机；微型摄像机的存储模块连接于usb接口与通信模块上，用于图像与数据的传送；在主控模块上还设有防死机模块；防止主控模块死机；其中，主控模块上的软件模块包括数据采集模块、数据传输模块、状态检测模块、看门狗模块、电源管理模块、拍照管理模块、出错机制模块；硬件模块包括avr单片机、usbhub模块、微型摄像机、usb转ttl模块、时钟电路和掉电保持电路；

特别的，本发明针对太空教具的各个部件之间搭设起的产品框架进行保护,因此本发明的程序控制及控制方法采用现有成熟的相应模块，属于本领域技术人员熟知的软件控制技术；

控制方法主要利用中断概念进行数据的采集与读取，中断包括时钟芯片产生的中断和太空实验教具上级单元发送的指令，根据指令对sma棒通电、led灯的通断、拍照等任务；

主循环控制流程：在主循环中，首先进行初始化操作，然后对中断接收到的上位机指令进行解析，根据上位机指令对执行模块进行操作；

(1)系统上电后初始化，如关中断、关看门狗、初始化时钟频率、计时器清零、定时器清零、初始化i/o管脚；

(2)开启led灯，并置相应标志；

(3)根据接收到的“实验开始”指令，开启sma通电模式，并置相应标志；

(4)若需要拍照，调用拍照子程序，否则则等待。

具体的，以空间站硅酸盐结晶实验为例，硅酸盐实验室当一种金属盐放入硅酸钠溶液中，金属盐会开始溶解并形成半透明胶质状硅酸盐薄膜；

在地面准备阶段，将重量约1g的金属盐a(例如氯化钙、氯化锰等)用环氧浇水混合，粘贴在反应棒13上；反应腔11内预先填充硅酸钠溶液b；反应室组件3的固定座9端螺接于外壳1的固定板2上，固定块12推入固定块卡槽4中；将调试完毕的拍摄及控制模块8推入控制板卡槽5中；usb接口6固定于盖板7上；由于空间站是微重力环境，需要检查反应腔11的气密性，盖上盖板7；此时，确保反应棒13与反应腔11处于隔离状态，以防止实验在地面预先激活；图5a为未发生反应状态的反应室组件状态图；

结合图5b所示，在空间站实验激活阶段，需要宇航员将太空实验教具与5v电源进行连接，当空间站接收到地面传来的“实验开始”指令，对sma棒19进行通电使其收缩，带动活动座17向固定座9方向移动，使分瓣螺母22分开，螺栓15带动反应腔11彻底脱出，向固定块12方向移动，鸭嘴阀14张开，薄膜23被反应棒13捅破，则反应棒上粘贴的硅酸钠溶液bb与反应腔11内的金属盐a发生接触反应；

在空间站实验进行阶段，微型摄像头25每隔12h进行一次拍摄，将拍摄到的化学反应状态图片存储于存储卡26内，定期将存储卡26内的信息通过usb接口传至空间站数据中心，以便将实验数据及时下传至地面；

与此同时，青少年可以利用相同的实验教具，将教具与5v电源(例如笔记本电脑)进行连接，当空间站实验激活时，青少年在同一时间激活地面的实验教具，真正实现了天地对比实验操作；

本太空实验教具体积小(外包络尺寸不超过20cm×10cm×10cm)、质量轻(不超过2kg)，对空间站平台和航天员不构成危险，可在空间站自动完成多种实验过程(结晶实验、溶解实验、种子萌发实验等)，另外，学生能在教室或家中利用同样的装置，与空间站中的宇航员一起启动实验，并将天地之间的实验图像进行对比、分析，更好地激发广大学生的太空探索热情；

本发明的结构体积小、重量轻、方便携带；且成本低、接口简单，能在空间站无人照料的情况下，为在空间站实验舱内进行化学溶解试验提供必要的反应条件(在地面发出开始实验指令前，物质a与物质b开始处于隔离状态；当地面发出开始实验指令后，物质a与物质b发生接触，并发生反应)的太空教育实验装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。