CN103023389A - 一种基于超导磁通钉扎连接的模块化可重构方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超导磁通钉扎连接的模块化可重构方法及采用该方法的模拟装置，具体利用了第II类高温超导体和磁体之间的相互作用，以及磁场方向和大小可控的特点，通过建立超导磁通钉扎连接接口的方式来完成模块化结构的重构。本方法充分利用了高温超导体在进入超导态下的磁通钉扎特性，该特性下所构建的超导磁通钉扎连接接口具有一定的刚度和阻尼，可比拟为具备一定刚度的弹簧连接，由于超导体在太空环境中自然会进入超导态，故本发明所提重构方法为模块化航天器的在轨装配提供了崭新的研制思路，在新型航天器研制领域将具有广泛的应用前景。

Description

一种基于超导磁通钉扎连接的模块化可重构方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于超导磁通钉扎连接的模块化可重构方法，及采用该方法的模拟装置实现方式，利用了第II类高温超导体和磁体之间的相互作用，以及磁场方向和大小可控的特点，通过建立超导磁通钉扎连接接口的方式来完成模块化结构的重构。

技术背景

随着宇航技术的不断发展，航天器的体积也在不断增加，而任何航天运载工具的运载能力都是有限的，很多大型航天器将不能够作为完整的独立装配体发射到太空中。利用发射车运载未装配的结构元件，然后对它们进行在轨装配，将是许多大型空间机构的构造方式。目前采用在轨装配方法主要有可展开结构构建、太空成形结构构建、可直立结构构建和编队飞行构建等，但是这些构建方法都有其各自的局限性。可展开结构构建法结构复杂、故障率高、风险大；太空成形结构构建法制作过程可靠性低、成形期间热量梯度不可控；可直立结构构建法涉及到危险的人工太空操作或复杂的机器人操作；编队飞行构建法导航及姿态控制复杂、能量消耗巨大等。因此，寻求适应未来太空探索的大型航天器在轨装配新方法具有重要意义。

高温超导材料(HTSC)的磁悬浮特性为在轨装配提供了新的思考空间。高温超导体在不完全抗磁性和磁通钉扎效应共同作用下，在实现悬浮的同时又能保持自稳定。完全抗磁性是所有超导体都具有的特性(也称为迈斯纳效应)，处于外加磁场中的超导体进入超导态时，其内部会感应出超电流，超电流产生的磁场与外磁场相互排斥，将外磁场磁力线完全从超导体内部排除，宏观表现为超导体与磁体相排斥，悬浮现象发生。而对于经常掺有一些杂质或存有缺陷的第II类高温超导体(比如钇钡铜氧化物-YBCO)情况则有所不同：外磁场磁力线不能被完全排除，一部分进入超导体内部，在杂质和缺陷处被捕获钉扎(杂质或缺陷称为钉扎点或钉扎中心)，产生所谓的磁通钉扎效应，另外一部分从超导体内部排除与外磁场排斥。被捕获在超导体内部的磁场与外磁场相互吸引，吸引力(钉扎力)使悬浮磁体在一定的干扰下仍维持稳定。钉扎力与具有阻尼的弹簧力类似，有涡电流强阻尼力的作用，是一个多自由度的非线性、磁滞的回复力。因此可以把超导体磁体对简化为一个多自由度弹簧-阻尼系统来看待，如果刚度和阻尼足够大时，超导体与磁体之间也就形成了一个非接触式的“虚拟”联接，这种联接也就是本发明所提出的超导钉扎联接。

高温超导体的磁通钉扎效应对于空间应用非常具有吸引力，主要体现在以下两点：①钉扎力不受恩绍(Earnshaw)定理的限制，恩绍定理描述的是满足平方反比规律的力(如重力、静电力、静磁力)不可能被动稳定，若稳定需主动控制，而磁通钉扎能够在太空中多个实体之间创建被动稳定的六自由度平衡；②这种效应不需要动力驱动，只要高温超导材料保持在超导状态，它就能够钉扎磁通，不需要给超导体施加电压，也不需要磁体的激励，只要对超导体进行冷却和加热即可，功率和燃料的节省是巨大的，太空中一个遮阳伞可能就足以控制温度的变化。

随着我国天宫一号和神舟九号自主交互对接和手控交互对接的完成，航天发展已经进入到一个跨越转型的新时期，本发明所提超导钉扎联接将为大型航天器的空间构建解决一些科学难题，也将开启模块化航天器的一种新的思考方法。

本方法充分利用了高温超导体在进入超导态下的磁通钉扎特性，该特性下所构建的超导磁通钉扎连接接口具有一定的刚度和阻尼，可比拟为具备一定刚度的弹簧连接，由于超导体在太空环境中自然会进入超导态，故本发明所提重构方法为模块化航天器的在轨装配提供了崭新的研制思路，在新型航天器研制领域将具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于超导磁通钉扎效应的模块化可重构新方法，配置两个呈垂直关系放置的高温超导磁体对(磁场由电磁铁产生)与一个呈水平关系放置的高温超导体磁体对(磁场由永磁铁产生)钉扎铰链；场冷呈水平关系放置的高温超导体，形成非接触的转动轴；顺序控制电磁铁通电和液氮冷却高温超导体时间，从而先后实现预设的两个平衡稳定状态；完成两个预设的平衡状态之后，通过控制电磁铁通电时间和方向实现非接触结构的重构过程；其中所述方法依赖于高温超导体捕获磁力线，与其对应电磁铁与永磁铁的相互作用，并利用电磁铁磁场易控制的特点，实现模块化结构的重构。

本发明所设计的一种基于超导磁通钉扎效应的可重构实验装置由磁体模块和超导体模块组成，两模块由两块Ф30×14mm钇钡铜氧(YBCO)高温超导体、一块Ф35×10mm m钇钡铜氧(YBCO)高温超导体、两块型号为XDA-100的电磁铁、一块Ф40×10mm钕铁硼永磁铁、三个EVA(乙烯-乙酸乙烯酯共聚物)低温容器、六块Ф79mm气浮垫和若干支架构成。其中m钇钡铜氧(YBCO)高温超导体的临界温度为92K左右，能在液氮(77K)中实现超导态的转变；每个模块安装三块气浮垫以避免质量偏心对重构过程的影响。

可重构实验装置的重构过程可通过控制电磁铁的通电时间和方向，以及高温超导体的冷却情况完成两种结构形式的相互转换，首先向EVA低温容器中注入液氮，之后在电磁铁通电的情况下向EVA低温容器中加入液氮，此时超导体模处于第一个平衡位置(低温容器与电磁铁面面相对)，之后使电磁铁断电，然后转动超导体模块使其处于第二个平衡位置(EVA低温容器与电磁铁面面相对)，在电磁铁通电的情况下向EVA低温容器中加入液氮，此时超导体模块处于第二个平衡位置，使电磁铁中的通电电流反向后断电，之后给电磁铁通电，则实现超导体模块回到第一个平衡位置，反向给电磁铁、电磁铁通电，则超导体模块可再次回到第二个平衡位置。

所设计的一种基于超导磁通钉扎效应的航天器重构扩展结构，其控制原理和可重构实验装置结构类似，其不同之处在于每次转动时，要使两个非接触转动轴的一块高温超导体失超，与其上面对应的永磁铁作用消失，即每次转动时只有一个转动轴有效，故通过改变电磁铁的通电电流方向实现了十二种结构形式间相互转换。

根据本发明，只要预设好平衡位置，即可通过改变电磁铁的通电电流方向使其磁场变向，来产生主动的驱动作用，同时在重构过程中由于钉扎效应的被动稳定性无需其它复杂反馈控制即可完成两个稳定平衡位置间的相互转换。

根据本发明，设计的一种基于超导磁通钉扎效应的模块化重构扩展结构由模块A、B和C构成，其中模块A为主动模块，模块B为过渡模块，模块C为扩展模块。通过标准模块化设计可方便实现基于超导磁通钉扎效应的模块化可重构结构的扩展。

本发明利用了第II类高温超导体在超导态下与磁场间的相互作用以及磁场易由电流改变的特点实现了模块化装配体的重构过程，具有控制简单、接口模块化和易扩展性的特点。并且此非接触连接形式具有被动稳定抗干扰的能力，在小范围的干扰下能自动调整两者间的位置关系，保持原始的非接触连接形式，并且在模块数目一定的前提下通过异构能力可实现不同的功能，在航天器研制领域具有潜在的应用价值。

附图说明

图1基于超导磁通钉扎效应的可重构装置示意图；

图2a-2l基于超导磁通钉扎效应的航天器重构扩展结构示意图。

具体实施方式

一种基于超导磁通钉扎效应的模块化可重构方法是充分利用了第II类高温超导体在超导态下与磁场的相互作用，通过巧妙布置电磁铁超导钉扎对和永磁铁超导钉扎对及控制电磁铁的磁场变化来实现重构过程。在低重力二维模拟气浮平台上，实现了重构过程，此可重构装置是由磁体模块1和超导体模块4所组成。磁体模块1由两块相同型号为XDA-100的电磁铁、一块Ф40×10mm钕铁硼永磁铁、三块Ф79mm气浮垫和若干支架所组成；超导体模块4由三个EVA低温容器、两块Ф30×14mm钇钡铜氧高温超导体、一块Ф35×10mm钇钡铜氧高温超导体、三块Ф79mm气浮垫和若干支架组成；磁体模块1和超导体模块4在重构前需预设两个非接触平衡状态，安装时要求电磁铁2与EVA低温容器3中的高温超导体同轴，电磁铁10与EVA低温容器6中的高温超导体同轴，同时非接触转动轴要求永磁铁7与EVA低温容器8中的高温超导体同轴。

一种基于超导磁通钉扎效应的可重构扩展结构由主动模块A、过渡模块B和扩展模块C组成，其中要求四块永磁铁相同、五块电磁铁相同且在预设平衡位置时通电电流大小和方向相同、六块水平放置的高温超导相同和七块垂直放置的高温超导体相同。

图1所示为一种基于超导磁通钉扎效应的可重构装置，其验证过程的低重力条件由安装在各自模块下的三块气浮垫实现，其中2和10为型号为XDA-100的电磁铁，3和6为EVA低温容器，内含垂直放置的钇钡铜氧高温超导体，7为Ф40×10mm钕铁硼永磁铁，8为EVA低温容器，内含水平放置的钇钡铜氧高温超导体。

图2a-2l所示一种基于超导磁通钉扎效应的可重构装置扩展结构，显示了由三个模块构成的十二种功能组合形式，其中永磁铁11、13、28和31分布在主动模块A的四角上，电磁铁12、29、30和32安装在模块A各边的中间位置；内含水平放置的高温超导体的低温容器14、16、23和27分布在过渡模块B的四角上，内含垂直放置的高温超导体的低温容器15、24、25和26安装在过渡模块B各边的中间位置；内含水平放置的高温超导体的低温容器18和20安装在扩展模块C的右侧两角上，内含垂直放置的高温超导体的低温容器17、19和21安装在扩展模块C的右侧三边的中间位置，电磁铁22固定在扩展模块与过渡模块B低温容器24对应的位置，安装电磁铁22的目的在于使模块B和模块C稳定连接。

一种基于超导磁通钉扎效应的可重构装置(如图1)的控制步骤：

步骤1：向低温容器8中注入液氮，使其水平固定在容器中的高温超导体降温低于其临界温度进入超导态，直到液面平静位置，期间不断加入液氮以免高温超导体失超，与永磁铁7构建非接触的转动轴；

步骤2：将超导体模块4的低温容器3与电磁铁2平行，使模块4处于第一个平衡位置后，先将电磁铁2加载在正向24V的电压下，之后向低温容器3加入液氮，使其容器中垂直放置的高温超导体降温实现超导，建立第一个平衡位置的非接触连接，一段时间后电磁铁2断电；

步骤3：将超导体模块4转到低温容器6与电磁铁10平行的第二个平衡位置后，将电磁铁10加载在正向24V的电压下，之后向低温容器6注入液氮，使其容器中垂直放置的高温超导体降温实现超导，建立第二个平衡位置的非接触连接；

步骤4：电磁铁10加载在反向24V的电压下，当模块4顺时针转过90°后，电磁铁10断电，使电磁铁2加载在正向24V的电压下，此时由于电磁铁2和低温容器3中的高温超导体的相互作用，模块4稳定停留在第一个平衡位置；

步骤5：电磁铁2加载在反向24V的电压下，当模块4逆时针转过90°后，电磁铁2断电，电磁铁10加载在正向24V的电压下，由于电磁铁10与低温容器6中的高温超导体的钉扎相互作用，模块4将稳定停留在第二个平衡位置，至此可实现磁体模块1和超导体模块4两种结构形式的相互转变，完成重构过程。

在利用上述可重构装置实现预期的重构过程之后，对该装置的结构进行了扩展，设计了一种基于超导磁通钉扎效应的可重构扩展结构，如2a-2l，其控制步骤：

步骤1：利用电磁铁29场冷低温容器15、17、19、21、25和26中的高温超导体，预设六种不同的平衡位置，在预设每个平衡位置时电磁铁29的通电电流大小和方向相同；

步骤2：低温容器27中的高温超导体场冷实现超导后，低温容器14中的高温超导体失超，电磁铁29电流大小不变，方向与建立平衡位置时相反后断电，模块A绕低温容器27中的高温超导体与永磁铁28所构成的转动轴逆时针旋转180°，电磁铁30通入与建立平衡位置大小和方向相同的电流，则模块A稳定在如图2b的结构形式；

步骤3：低温容器23中的高温超导体场冷实现超导后，低温容器27中的高温超导体失超，电磁铁30电流大小不变，方向与建立平衡位置时相反后断电，模块A绕低温容器23中的高温超导体与永磁铁31所构成的转动轴逆时针旋转90°，电磁铁32通入与建立平衡位置大小和方向相同的电流，则模块A稳定在如图2c的结构形式；

步骤4：低温容器20中的高温超导体场冷实现超导后，低温容器23中的高温超导体失超，电磁铁32电流大小不变，方向与建立平衡位置时相反后断电，模块A绕低温容器20中的高温超导体与永磁铁11所构成的转动轴逆时针旋转180°，电磁铁12通入与建立平衡位置大小和方向相同的电流，则模块A稳定在如图2d的结构形式；

步骤5；低温容器18中的高温超导体场冷实现超导后，低温容器20中的高温超导体失超，电磁铁12电流大小不变，方向与建立平衡位置时相反后断电，模块A绕低温容器18中的高温超导体与永磁铁13所构成的转动轴逆时针旋转180°，电磁铁29通入与建立平衡位置大小和方向相同的电流，则模块A稳定在如图2e的结构形式；

步骤6：低温容器16中的高温超导体场冷实现超导后，低温容器18中的高温超导体失超，电磁铁29电流大小不变，方向与建立平衡位置时相反后断电，模块A绕低温容器16中的高温超导体与永磁铁28所构成的转动轴逆时针旋转90°，电磁铁30通入与建立平衡位置大小和方向相同的电流，则模块A稳定在如图2f的结构形式；

步骤7：低温容器14中的高温超导体场冷实现超导后，低温容器16中的高温超导体失超，电磁铁30电流大小不变，方向与建立平衡位置时相反后断电，模块A绕低温容器14中的高温超导体与永磁铁31所构成的转动轴逆时针旋转180°，电磁铁32通入与建立平衡位置大小和方向相同的电流，则模块A稳定在如图2g的结构形式；

步骤8：低温容器27中的高温超导体场冷实现超导后，低温容器14中的高温超导体失超，电磁铁32电流大小不变，方向与建立平衡位置时相反后断电，模块A绕低温容器27中的高温超导体与永磁铁11所构成的转动轴逆时针旋转180°，电磁铁12通入与建立平衡位置大小和方向相同的电流，则模块A稳定在如图2h的结构形式；

步骤9：低温容器23中的高温超导体场冷实现超导后，低温容器27中的高温超导体失超，电磁铁12电流大小不变，方向与建立平衡位置时相反后断电，模块A绕低温容器23中的高温超导体与永磁铁13所构成的转动轴逆时针旋转90°，电磁铁29通入与建立平衡位置大小和方向相同的电流，则模块A稳定在如图2i的结构形式；

步骤10：低温容器20中的高温超导体场冷实现超导后，低温容器23中的高温超导体失超，电磁铁29电流大小不变，方向与建立平衡位置时相反后断电，模块A绕低温容器20中的高温超导体与永磁铁28所构成的转动轴逆时针旋转180°，电磁铁30通入与建立平衡位置大小和方向相同的电流，则模块A稳定在如图2j的结构形式；

步骤11：低温容器18中的高温超导体场冷实现超导后，低温容器20中的高温超导体失超，电磁铁30电流大小不变，方向与建立平衡位置时相反后断电，模块A绕低温容器18中的高温超导体与永磁铁31所构成的转动轴逆时针旋转180°，电磁铁32通入与建立平衡位置大小和方向相同的电流，则模块A稳定在如图2k的结构形式；

步骤12：低温容器16中的高温超导体场冷实现超导后，低温容器18中的高温超导体失超，电磁铁32电流大小不变，方向与建立平衡位置时相反后断电，模块A绕低温容器16中的高温超导体与永磁铁11所构成的转动轴逆时针旋转90°，电磁铁12通入与建立平衡位置大小和方向相同的电流，则模块A稳定在如图2l的结构形式；

步骤13：低温容器14中的高温超导体场冷实现超导后，低温容器16中的高温超导体失超，电磁铁12电流大小不变，方向与建立平衡位置时相反后断电，模块A绕低温容器14中的高温超导体与永磁铁13所构成的转动轴逆时针旋转180°，电磁铁29通入与建立平衡位置大小和方向相同的电流，则模块A稳定回到在如图2a的结构形式，至此可完成三个模块十二种结构组合形式的相互转换。

本发明提出的一种基于超导磁通钉扎效应的模块化可重构方法的优势在于：

(1)通过预设平衡位置和改变电磁铁的方向，可实现不同功能结构形式间的相互转换；

(2)扩展结构只需按照逆时针旋转180°或90°，即可实现三个模块十二种构型间的相互转换，具有很强的异构能力，为装配体不同的功能改变提供了便捷的实现手段。

Claims (5)

1.一种基于超导磁通钉扎连接的模块化可重构方法，该方法包括以下步骤：

配置两个呈垂直关系放置的高温超导磁体对(磁场由电磁铁产生)与一个呈水平关系放置的高温超导体磁体对(磁场由永磁铁产生)钉扎铰链；

场冷呈水平关系放置的高温超导体，形成非接触的转动轴；

顺序控制电磁铁通电和液氮冷却高温超导体时间，从而先后实现预设的两个平衡稳定状态；

完成两个预设的平衡状态之后，通过控制电磁铁通电时间和方向实现非接触结构的重构过程；

其中所述方法依赖于高温超导体捕获磁力线，与其对应电磁铁与永磁铁的相互作用，并利用电磁铁磁场易控制的特点，实现模块化结构的重构。

2.一种实现权利要求1中所述模块化可重构方法的可重构装置，其特征在于：可重构装置是由磁体模块(1)和超导体模块(4)所组成；由Ф40×10mm钕铁硼永磁铁(7)与EVA(乙烯-乙酸乙烯酯共聚物)低温容器(8)中的液氮冷却的Ф35×10mm钇钡铜氧(YBCO)高温超导体面面相对提供非接触的转动轴；由电磁铁(2)与EVA低温容器(3)中的液氮冷却的Ф30×14mm钇钡铜氧(YBCO)高温超导体面面相对设定第一个稳定平衡位置；由电磁铁XDA-100(10)与EVA低温容器(6)中的液氮冷却的Ф30×14mm钇钡铜氧(YBCO)高温超导体面面相对设定第二个稳定平衡位置；

构建好非接触转动轴和设定好两个平衡位置后，电磁铁(2)断电，且使磁体模块(1)与超导体模块(4)处于第二个平衡位置，电磁铁(10)的通电电流大小不变方向相反，由于电磁铁(10)的磁场反向使其与低温容器(6)中的高温超导体产生斥力，驱动超导体模块(4)在由永磁铁(7)与低温容器(8)中的高温超导体构造的非接触转动轴下旋转，当超导体模块(4)旋转超过90°后，电磁铁(2)通入与设定平衡位置大小和方向相同的电流，由于电磁铁(2)的磁场与低温容器(3)中超导态的高温超导体的相互作用，超导体模块(4)将稳定在第一个平衡位置，要使超导体模块(4)回到第二个平衡位置，只需改变电磁铁(2)的电流方向，在超导体模块(4)转动超过90°后，改变电磁铁(10)的电流使其恢复到与设定平衡位置时的电流即可。

3.如权利要求2中所述的一种基于超导磁通钉扎连接的模块化可重构装置，其特征在于：电磁铁(2)和电磁铁(10)磁场方向容易通过改变电流的方向实现，使其与各自在平衡位置面对的YBCO高温超导体产生引力和斥力来实现重构过程。

4.如权权利要求2中所述的一种基于超导磁通钉扎连接的模块化可重构装置，其特征在于：圆柱形永磁铁(8)产生对称分布的磁场，高温超导体在磁场不变方向上自由度不限制，二者形成了钉扎铰链形式，此铰链具有非接触无摩擦的特点。

5.在权利要求1中所述的一种基于超导磁通钉扎连接的模块化可重构方法基础上构建的一种基于超导磁通钉扎连接的模块化可重构扩展结构，其特征在于：通过一个主动模块A和两个相对固定的模块B、C，通过改变主动模块A上的四块电磁铁的电流方向和控制模块B和C上分布在四角上的高温超导体的超导与失超，实现三个模块十二种不同的非接触连接构型。

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