一种用于太空舱的无机固化装置

1.本技术涉及航天技术领域，尤其涉及一种用于太空舱的无机固化装置。


背景技术：

2.当前太空舱的建造技术方面还存在不足。以国际太空舱为例，其受限火箭运力及直径，需多次发射才能够拼接而成，且其容积、空间尚待进一步拓展，而且其建造时间长，亟待新的材料及设计方法以进一步提升太空舱的各项技术性能，而充气展开方式能够最大限度拓展太空舱的尺寸，是开展大型太空舱建造的重要技术手段。
3.美国biglow公司研制的充气展开式太空舱beam采用由铝和柔性的复合材料制成太空舱，虽在一定承担上解决结构刚性，但其很难实现更大尺寸的太空舱展开及建造；而其他种类的充气展开方案太空舱体需包含金属骨架，因为虽然完全柔性的舱体在气压下膨胀至所需形状，但在太空环境中为保证整个舱体稳定性，需要太空舱具备高刚性以确保整个结构的稳定不变形，且金属骨架加入不利于更大尺寸空间舱体展开。因此，如何稳定、可靠实现结构的空间展开成为了充气展开方式发展的关键之一。
4.此外，现有的充气展开结构采用的固化材料主体为有机材料，有机材料虽然能够有效实现各种超大型空间结构、太空舱体的建造，但由于在太空中受到复杂、恶劣环境的影响，其使用寿命会不可避免地缩短。
5.由此可见，在现有技术中，如何制备一种具备更优异的长期在轨运行稳定性的太空舱体成为亟需解决的核心技术问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本技术实施例提供一种用于太空舱的无机固化装置，能够实现大尺寸太空舱的充气展开，并且太空舱的主体材料为无机粉末材料，能够实现太空舱在外太空复杂、恶劣的环境下长期、稳定、可靠运行的需要。
7.本技术实施例提供一种用于太空舱的无机固化装置，包括依次连接的储气罐、气体控制模块、太空舱体和排气组件；
8.所述太空舱体包括舱体外壁和舱体内壁，所述舱体外壁和所述舱体内壁之间形成封闭的舱壁腔体，所述舱壁腔体内填充有带有气体的无机粉末材料，所述舱体内壁包裹形成中间腔体；
9.所述太空舱体设有舱体进气口，所述舱体进气口与所述中间腔体连接，所述气体控制模块与所述舱体进气口连接，所述气体控制模块控制所述储气罐为所述中间腔体供气；
10.所述舱体外壁上设有舱壁排气孔，所述排气组件与所述舱壁排气孔连接，所述排气组件用于排放所述舱壁腔体内的气体；
11.所述舱体内壁上设有加热薄膜，所述加热薄膜用于对所述无机粉末材料进行加热。
12.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述排气组件包括单向阀和排气孔，所述排气孔在所述单向阀的出气端对称设置，且所述排气孔的数量为偶数个；所述单向阀内设有过滤构件，所述过滤构件用于防止所述无机粉末材料的泄漏。
13.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述气体控制模块内设有单向调节组件，所述单向调节组件用于控制所述储气罐内的气体单向流入所述中间腔体。
14.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述舱体外壁和舱体内壁之间设有多个中空立柱，所述中空立柱的一端与舱体外壁连接，所述中空立柱的另一端与所述舱体内壁连接。
15.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述舱体外壁、所述舱体内壁和所述中空立柱均设置为纤维编织结构，所述舱体外壁的外表面和所述舱体内壁的内表面均铺贴有密封层。
16.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述无机粉末材料中的气体为空气或者惰性气体。
17.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述加热薄膜的工作温度范围为35℃-80℃。
18.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述气体控制模块还与所述舱体外壁连接，所述气体控制模块控制所述储气罐为所述舱壁腔体单向供气；所述排气组件的出气口端连接有抽真空组件。
19.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述气体控制模块与所述舱体外壁之间通过进气管连接，所述进气管上设有管道单向阀，所述管道单向阀用于控制所述储气罐内的气体单向流入所述舱壁腔体。
20.有益效果
21.本技术实施例中的用于太空舱的无机固化装置，能够实现大尺寸太空舱的充气展开，并且太空舱的主体材料为无机粉末材料，能够实现太空舱在外太空复杂、恶劣的环境下长期、稳定、可靠运行的需要。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
23.图1为根据本实用新型一实施例的用于太空舱的无机固化装置示意图；
24.图2为图1中的a-a剖意图；
25.图3为根据本实用新型一实施例的用于太空舱的无机固化装置剖意轴视图；
26.图4为根据本实用新型一实施例的太空舱体剖意图；
27.图5为根据本实用新型一实施例的无机粉末材料区域示意图；
28.图6为根据本实用新型一实施例的太空舱体柔性部分结构示意图；
29.图7为根据本实用新型一实施例的排气组件结构示意图；
30.图8为根据本实用新型一实施例的用于太空舱的无机固化方法流程图；
31.图9为根据本实用新型另一实施例的用于太空舱的无机固化装置的剖意图；
32.图10为根据本实用新型另一实施例的用于太空舱的无机固化装置的剖意轴视图；
33.图11为根据本实用新型另一实施例的用于太空舱的无机固化方法流程图。
34.图中：1、太空舱体；1-1、舱体外壁；1-2、中空立柱；1-3、舱体内壁；1-4、无机粉末材料；1-5、中间腔体；1-6、舱体进气口；1-7、舱壁腔体；1-8、舱壁排气孔；1-9、上表层；1-10、下表层；2、储气罐；3、气体控制模块；4、单向阀；5、排气孔；6、加热薄膜；7、进气管；8、管道单向阀。
具体实施方式
35.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
36.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
37.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本技术，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
38.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
39.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践方面。
40.申请人在研究中发现，现有的技术中有关于桁架式可刚化充气展开的太阳电池阵，该充气结构是由气体隔离层、电热层、固化层等多层结构组成，由电热层提供固化层有机材料固化所需的热量，该设计能够实现结构的不可逆固化。还有一种充气结构，该结构采用周向折叠的方式实现了结构的可展开、可展开性，实现大尺寸空间结构的建造。以及另外一种充气固化舱结构，该结构具有一系列由纤维和树脂制成的框架构件，通过充气将结构膨胀到所需形状以实现结构的展开，外部影响使结构刚性化。但由于以上现有技术的整体材料以有机材料为主，在太空中长期稳定允许的能力有待进一步提高。因此，申请人经过长期试验，为了克服现有技术存在的问题，制备了一种用于太空舱的无机固化装置，能够长期、稳定、可靠的运行，下面参照附图进行详细描述。
41.本技术实施例提供一种用于太空舱的无机固化装置，参照图1至图3，无机固化装
置包括依次连接的储气罐2、气体控制模块3、太空舱体1和排气组件，储气罐2、气体控制模块3是装置中的气源，用于向太空舱体1内部提供经过调压的气体，并将太空舱体1充气展开成预定形状。气体控制模块3可以控制储气罐2内气体的调压和通断。储气罐2内的气体为空气，储气罐2采用碳纤维缠绕、树脂固化而成。储气罐2、气体控制模块3可以置于未充气展开的太空舱体1内部，也可以置于未充气展开的太空舱体1外部，其工作周期为从太空舱体1位于外太空预定轨道、姿态情况下准备展开，一直到太空舱体固化成型、再次调整姿态完成既定任务为止，此后，储气罐2、气体控制模块3只用于补充太空舱体1内的少量泄露的空气，不用于充气支撑已经固化好的太空舱体1。气体控制模块3内设有单向调节组件，单向调节组件用于控制储气罐2内的气体单向流入中间腔体1-5，空气无法通过该结构从太空舱体1进入储气罐2中。
42.参照图4，对太空舱体1进行详细描述，太空舱体1包括舱体外壁1-1和舱体内壁1-3，舱体外壁1-1和舱体内壁1-3之间形成封闭的舱壁腔体1-7，舱壁腔体1-7内填充有带有气体的无机粉末材料1-4，舱体内壁1-3包裹形成中间腔体1-5。采用无机粉末材料1-4对舱壁腔体1-7进行填充，其优点在于无机粉末材料1-4能够在复杂宇宙环境中保持性能的稳定性，能够满足太空舱结构在空间中长期、稳定、可靠运行的需求。
43.太空舱体1设有舱体进气口1-6，舱体进气口1-6与中间腔体1-5连接，气体控制模块3与舱体进气口1-6连接，气体控制模块3控制储气罐2为中间腔体1-5供气。
44.由于采用无机粉末材料1-4填充舱体结构，则需要解决填充空间气体含量和无机粉末材料1-4流动性的问题。如果填充空间不含气体时，此时无机粉末材料1-4之间的摩檫力就会显著增加，会干扰到整个结构的稳定、可靠展开。由于无机粉末的固化是需要内部加热的方式实现的，如果填充空间内包含气体时，会显著影响加热能量传递给无机粉末材料1-4的效率，造成无机粉末材料1-4不能有效固化，影响到整个结构的最终固化质量。因此，舱体外壁1-1上设有舱壁排气孔1-8，排气组件与舱壁排气孔1-8连接，排气组件用于排放无机粉末材料1-4内的气体。舱体内壁1-3上设有加热薄膜6，加热薄膜6用于对无机粉末材料1-4进行加热固化。
45.上述实施例中，中间腔体1-5该部分为太空舱体1的有效工作空间，在该空间内能够布置有效载荷及航天生活设施。舱壁腔体1-7用于填充无机粉末材料1-4，无机粉末材料1-4在舱壁排气孔1-8打开前内部包含气体，在舱壁排气孔1-8关闭后内部气体被排气组件清理干净。
46.实际使用时，太空舱体1内的舱壁腔体1-7在太空舱体1充气展开前，内部是含有气体的，这将使得无机粉末材料1-4具备一定的流动性，此时太空舱体1具备一定的柔性，能够折叠并减少总体体积。将太空舱体1内的舱壁腔体1-7的空气排出装置内，能够使得舱壁腔体1-7避免由于内部存在气体而存在鼓胀的状态，使得内部的无机粉末材料1-4紧密聚集，为后续的无机粉末材料1-4反应、固化、硬化提供前提条件。在太空舱体1充气展开后，排气组件打开，太空舱体1内的舱壁腔体1-7的空气沿着排气组件泄露到真空环境中，待一定时间后关闭排气组件。
47.进一步的，舱体外壁1-1和舱体内壁1-3之间设有多个中空立柱1-2，中空立柱1-2的一端与舱体外壁1-1连接，中空立柱1-2的另一端与舱体内壁1-3连接。舱体外壁1-1与舱体内壁1-3之间靠中空立柱1-2相连、并形成一个封闭的舱壁腔体1-7空间。
48.在一个实施例中，舱体外壁1-1、中空立柱1-2、舱体内壁1-3均由特种纤维编织立体编织而成，特种纤维可以是碳纤维，也可以是碳纤维与其他纤维的混杂纤维；中空立柱1-2为柔性的纤维编织结构。
49.为了保证密封性，在舱体外壁1-1的外表面、舱体内壁1-3的内表面均铺贴着密封层，参照图6，密封层分别为上表层1-9和下表层1-10，能够保证空间的隔离性，其中上表层1-9主要用于密封太空舱体1的外表面，下表层1-10主要用于密封太空舱体1的内部中间腔体1-5表面。下表层1-10位于太空舱体1的内部，其不会受到太空真空恶劣环境的影响，采用有机材料制成。上表层1-9亦采用有机材料完成柔性密封表面的成型，但由于无机粉末材料1-4在太空中由粉体材料变为坚硬的块状材料，即使上表层1-9材料发生老化，也不影响太空舱体1的内部结构，此时整个太空舱体1的密封将完全由位于太空舱体1内部的下表层1-10密封结构完成，确保了整个太空舱结构的长期运行稳定性、可靠性。
50.参照图5所示的无机粉末材料区域示意图，舱壁腔体1-7内的无机粉末材料1-4在进入太空前，其性状为可流动的无机粉末材料，进入太空、经过加热薄膜6加热后，发生物理化学变化，形成了坚硬的无机块状材料。由于材料本身是无机物构成，其能够在太空中实现长期、可靠运行而不发生老化问题，且由于其结构刚度较大，能够支撑太空舱体1的形状结构，这样就解决了需要依靠储气罐2连续供气、保持柔性太空舱体1的问题，进一步提升了整个装置结构的长期运行可靠性。
51.在一个实施例中，排气组件构成了太空舱体1的舱壁腔体1-7的排气部分，排气组件包括单向阀4和排气孔5，参照图7，排气孔5在单向阀4的出气端对称设置，且排气孔5的数量为偶数个；单向阀4内设有过滤构件，过滤构件用于防止无机粉末材料1-4的泄漏。单向阀内的过滤构件，能够避免在气体释放过程中，舱壁腔体1-7内的无机粉末材料1-4随着气体一起逸散到真空环境中。单向阀4包含通、断功能，能够实现气流通道的通断。
52.在本实施例中，排气孔5设置为2个，且为对称设置，设计了两个相反方向的排气口，使得该结构不会产生附加力矩，可以避免在气体释放过程中对于太空舱体1姿态和轨道的干扰。
53.下面对加热薄膜6进行详细描述，无机粉末材料1-4的反应、硬化需要加热薄膜6提供热量输入。在将太空舱体1的舱壁腔体1-7中气体通过排气孔5泄漏到太空真空环境、并关闭单向阀4后，给加热薄膜6提供电源，使得加热薄膜6的工作温度范围在35℃-80℃间，用于加热太空舱体1的舱壁腔体1-7内的无机粉末材料1-4，待无机粉末材料1-4反应硬化，关闭加热薄膜6，加热过程不小于半小时。加热薄膜6布置,在太空舱体1最需要热源输入的部位，该部位是经过对太空舱体1的整体传热仿真后确定，通过对加热薄膜6的设计，能够保证太空舱体1的舱壁腔体1-7内的无机粉末材料1-4受热均匀，且加热薄膜6的工作温度能够处于在35℃-80℃间，避免由于局部工作温度过低而造成反应、固化不均匀的现象。
54.在上述任一实施例中，无机粉末材料1-4中的气体可以为空气或者惰性气体。
55.下面对上述任一实施例的用于太空舱的无机固化装置的固化方法进行详细描述，参照图8，方法包括：
56.步骤101、无机固化装置送入太空，在预定轨道上定位调姿，无机固化装置处于外太空的真空环境内；
57.步骤102、打开气体控制模块3，通过储气罐2向中间腔体1-5供气，使得太空舱体由
折叠状态变为充气膨胀状态，恒定一段时间，且中间腔体1-5内部气压不低于1.2mpa；
58.步骤103、打开排气组件，将舱壁腔体1-7中的气体通过舱壁排气孔1-8泄漏到太空真空环境中，并关闭排气组件。具体的，打开单向阀4，将太空舱体1的舱壁腔体1-7中气体通过舱壁排气孔1-8泄漏到太空真空环境中，并关闭单向阀4。
59.步骤104、打开加热薄膜6，加热舱壁腔体1-7内的无机粉末材料1-4，待无机粉末材料1-4反应硬化，关闭加热薄膜6；
60.步骤105、调节中间腔体1-5内部气压小于1.2mpa，测试太空舱体1的固化效果；
61.步骤106、太空舱体1固化成型，再次调整无机固化装置姿态完成既定任务。
62.在一个实施例中，为了使太空舱体1的舱壁腔体1-7在进入太空前处于真空状态，对用于太空舱的无机固化装置进行改进，参照图9和图10，使排气组件的出气口端连接有抽真空组件，抽真空组件对舱壁腔体1-7进行抽真空；气体控制模块3还与舱体外壁1-1连接，气体控制模块3控制储气罐2为舱壁腔体1-7单向供气。
63.具体的，气体控制模块3与舱体外壁1-1之间通过进气管7连接，进气管7上设有管道单向阀8，管道单向阀8用于控制储气罐2内的气体单向流入舱壁腔体1-7。
64.下面对本实施例的用于太空舱的无机固化装置的固化方法进行描述，参照图11，具体包括：
65.步骤201、通过排气组件将舱壁腔体1-7内的气体抽出，将抽真空后的无机固化装置装入运载器。具体的，在无机固化装置的舱壁腔体1-7内填充无机粉末材料1-4，将填充粉末后的无机固化装置折叠，通过单向阀4和抽真空组件将舱壁腔体1-7内的气体抽出，再装入运载器；
66.步骤202、无机固化装置送入太空，在预定轨道上定位调姿，无机固化装置处于外太空的真空环境内；
67.步骤203、打开气体控制模块3，通过储气罐2、进气管7和管道单向阀8向舱壁腔体1-7充入气体，使得舱壁腔体1-7内部气压不低于0.01mpa；
68.步骤204、打开气体控制模块3，通过储气罐2向中间腔体1-5供气，使得太空舱体1由折叠状态变为充气膨胀状态，恒定一段时间，且中间腔体1-5内部气压不低于1.2mpa；
69.步骤205、打开排气组件中的单向阀4，将舱壁腔体1-7中的气体通过舱壁排气孔1-8泄漏到太空真空环境中，并关闭单向阀4；
70.步骤206、打开加热薄膜6，加热舱壁腔体1-7内的无机粉末材料1-4，待无机粉末材料1-4反应硬化，关闭加热薄膜6；
71.步骤207、调节中间腔体1-5内部气压小于1.2mpa，测试太空舱体1的固化效果；
72.步骤208、太空舱体1固化成型，再次调整无机固化装置姿态完成既定任务。
73.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。