CN103303501B - 黏附性气溶胶吸附寄生机构及利用其寄生在轨飞行器的方法 - Google Patents

Abstract

黏附性气溶胶吸附寄生机构及利用其寄生在轨飞行器的方法，涉及一种黏附性气溶胶吸附寄生机构及利用该装置的黏附性多巴及其衍生物气溶胶吸附并寄生在轨飞行器的方法。本发明的黏附性气溶胶吸附寄生机构包括寄生器、可控喷射管状装置（2）和可控筒状发射装置（3），寄生器（1）的内部由内壁（4）分隔为内环（5）和外环（6）；外环（6）内沿圆周方向均匀设置有若干个可控喷射管状装置（2），可控喷射管状装置（2）紧贴于内壁（4）和外壁（7），内环（5）内沿圆周方向均匀设置有若干个可控筒状发射装置（3），可控筒状发射装置（3）紧贴于内壁（4）。本发明制造工艺及实施方式简单，利于黏附性气溶胶及时吸附在轨飞行器并长期寄生干扰。

Description

黏附性气溶胶吸附寄生机构及利用其寄生在轨飞行器的方法

技术领域

本发明涉及一种黏附性气溶胶吸附寄生机构及利用该装置的黏附性多巴及其衍生物气溶胶吸附并寄生在轨飞行器的方法。

背景技术

所谓“太空涂鸦”就是采取直接喷洒气溶胶来阻挡在轨飞行器上有效载荷的视线，或附着在目标飞行器上以影响其正常工作。但气溶胶会因为外界因素而导致自身汽化，以致“太空涂鸦”技术只能使目标物体短暂丧失功能，无法实现对目标物体真正的干扰破坏。与“太空涂鸦”相比，“太空附着”是对前面技术的一个完善。“太空附着”技术就是使用低轨高速运行的攻击卫星在接近敌方太空设施时，利用胶黏剂的高强度、高粘接性、耐高低温性、耐久性等特点，对目标物体进行真正的干扰破坏，以达到电子、磁场等干扰及损坏的目的，使其失灵或无法正常工作。

多巴（3,4-二羟基苯丙氨酸，DOPA）分子瞬间固化并产生黏性的机理是DOPA分子内交联的结果，主要表现为DOPA分子中的二酚官能团通过单电子转移与相邻的DOPA分子芳环的酚氧基偶合交联，以及氨基参与Schiff-base取代反应或者是Michael加成反应。而多巴胺（3,4-二羟基苯丙氨，DA）发生聚合反应形成聚多巴胺（PDA）涂层的机理是在碱性环境及氧气的作用下，首先DA中的儿茶酚氧化为苯醌，再进一步与氨基及其它另一分子的儿茶酚醌类反应形成黏附PDA薄膜层。DA的酚羟基氧化为苯醌的反应是一个平衡反应过程，碱性环境有利于反应正向移动，加速DA氧化聚合。研究结果表明，PDA可通过复杂的物理化学作用如氢键作用、螯合作用、π-π相互作用、共价键作用等，紧密的附着在不同材料表面成膜，形成一层具有永久黏附性能的PDA涂层。而形成的薄膜表面含有大量的活性官能团，能够发生一系列反应，为进一步修饰改性材料表面提供了条件。发明内容

针对上述如何真正附着于在轨飞行器表面的技术难题，本发明提供了一种简单有效的黏附性气溶胶吸附寄生机构及利用其寄生在轨飞行器的方法，这种方法制造工艺及实施方式简单，利于黏附性气溶胶及时吸附在轨飞行器并长期寄生干扰。

本发明的黏附性气溶胶吸附寄生机构，包括寄生器、可控喷射管状装置和可控筒状发射装置，寄生器的内部由内壁分隔为内环和外环；外环内沿圆周方向均匀设置有若干个可控喷射管状装置，可控喷射管状装置紧贴于内壁和外壁，所述的可控喷射管状装置为一种双组分自喷型气溶胶雾罐，包括罐体、圆穹顶型罩子、气雾阀、开孔状气雾喷头、分隔门，罐体的上方装有圆穹顶型罩子，开孔状气雾喷头位于圆穹顶型罩子的穹顶顶部，圆穹顶型罩子和罐体之间安有气雾阀封口，气雾阀封口的横轴上设置有可活动的转动轴，所述气雾阀由第一气雾阀和第二气雾阀组成，第一气雾阀和第二气雾阀分别嵌入转动轴的两侧，分隔门以气雾阀封口的中心为基点将罐体内部分隔为第一分隔仓和第二分隔仓，第一气雾阀位于第一分隔仓的上端，第二气雾阀位于第二分隔仓的上端；内环内沿圆周方向均匀设置有若干个可控筒状发射装置，可控筒状发射装置紧贴于内壁，所述可控筒状发射装置由筒体、捕获织物和牵引头组成，捕获织物四周的各个边角设置有若干个牵引头，捕获织物经打包折叠后置于筒体内，连接各个边角的牵引头伸出至筒体外，紧密贴合固定在一起。

本发明的黏附性多巴及其衍生物气溶胶吸附并寄生于在轨飞行器的方法是通过上述黏附性气溶胶吸附寄生机构实现的，具体步骤如下：

将多巴及其衍生物溶液贮存于第一分隔仓内，将碱性溶液存于第二分隔仓内，向第一分隔仓和第二分隔仓中充入压缩气体，气雾阀封口封闭后气体充满仓内的整个空间。将捕获织物折叠放入可控发射管状装置内，牵引头露出装置外并紧密贴合在一起。当机动卫星运行至在轨飞行器前方轨道时，与在轨飞行器始终保持20~30 m的距离，把可控喷射装置的气雾阀打开，压缩气体将分隔仓里的多巴及其衍生物溶液和弱碱水同时压出，在圆穹顶型罩子内混合后经开孔状气雾喷头呈扇形喷出，气雾状液滴悬浮于轨道上。待在轨飞行器进入气雾里时，机动卫星发射出一张捕获织物以5~10 m/s的速度喷射并完全展开，将气雾里的飞行器连同混合液体一同包裹在内，利用多巴及其衍生物的黏附力将捕获织物牢固锚定在目标飞行器上，将其俘获。

本发明所述的捕获织物由高分子特种纤维经编织物纺织而成，应具备高强度、重量轻、韧性强、致密性、耐高低温性、耐候性、不易损坏等特点，可选用碳纤维、聚酰胺纤维（PA）及玻璃纤维等多层单向纤维层编织成双轴向经编织物。为了使织物更好的适应太空环境及赋予其对在轨飞行器的干扰破坏作用，可在织物表面和层合间附上金属镀膜或纳米粒子，使其具有吸声、防紫外线、防红外线、防静电、导电和电磁波屏蔽等功能外, 还具有耐摩擦及强度大等性能。紫外线对金属镀膜纺织品的透射率只有0.1 ~ 0.75%，99%以上的紫外线都被反射和吸收；红外线对金属镀膜纺织品的透射率为1.7 ~ 2.4%，97%以上的红外线都被反射和吸收了，对太阳光中的绝大部分热量来源于波长为780 ~ 2500 nm的红外线，起到很好的防护作用。由于金属薄层的表面电阻大于800 Ω/m²，对可见光线、近红外和远红外光线及雷达等都有很好的屏蔽作用，因此十分适用于对在轨飞行器的屏蔽干扰目的。

牵引头应满足质轻、耐热、耐寒、耐候性等，因此可由橡胶弹头制成，材料选用丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶等。采用的喷射剂类型主要有二氧化碳、氮、氧化亚氮、丙烷、异丁烷及氯氟碳化合物（CFC）类等。

本实施方式中所述的多巴及其衍生物为仿生物黏附蛋白的一类。仿生物黏附蛋白中的DOPA中含有儿茶酚基团，儿茶酚基团被氧化成醌后能与许多基团反应形成共价键，而DOPA的这种强共价及非共价相互作用是仿生物黏附蛋白具有强黏附力的主要原因。但如果想要黏附到任何表面上，儿茶酚基团和氨基必须同时存在。而作为儿茶酚衍生物的DA，结合了DOPA的邻苯二酚基团和赖氨酸的氨基官能团，被认为能够很好地模拟仿生物黏附蛋白的黏附性能。在水溶液或弱碱性条件下，DA也会被溶解氧氧化并自发聚合形成儿茶酚醌活性官能团的PDA，在材料表面形成一层具有永久黏附性能的PDA涂层。

本发明具有如下优点：

1）可控喷射管状装置设计巧妙、结构简单，可大规模制造。

2）可控喷射管状装置及可控筒状发射装置体积小、重量轻、方便携带，可以大规模布置。

3）喷射气雾及发射捕获织物方式简单，俘获成功率高。

4）仿生物多巴及其衍生物DA几乎适用于任何一种基体材料的表面改性及黏附，且对材料的外形和尺寸没有限制。

5）仿生物多巴及其衍生物DA能够紧密附着在目标飞行器及捕获织物的表面成膜，增大其表面的极性度，提高表面能及其表面黏附性能，使得捕获织物牢固吸附粘接在目标飞行器上。

6）仿生物多巴及其衍生物PDA具有永久黏附性，且在物体表面上获得的交联复合层在高温及低温下均能很好地黏合。

附图说明

图1为黏附性气溶胶吸附寄生机构的俯视结构图；

图2为黏附性气溶胶吸附寄生机构的主视结构图；

图3为捕获织物展开结构俯视图；

图4为可控筒状发射装置侧面结构图；

图5为可控喷射管状装置正面结构图；

图6为封口及分隔门结构示意图（气雾阀关闭）；

图7为封口及分隔门结构示意图（气雾阀打开）；

图8为气溶胶及捕获装置捕获在轨飞行器工作示意图；

图9为表面覆盖磁性纳米粒子的PDA复合层示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，但并不局限于此。本发明适用于所有的高分子高粘度材料及快速固化胶黏剂，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1-7所示，本实施方式的黏附性气溶胶吸附寄生机构由寄生器1、可控喷射管状装置2和可控筒状发射装置3组成，寄生器1的内部由内壁4分隔为内环5和外环6；外环6内沿圆周方向均匀设置有若干个可控喷射管状装置2，可控喷射管状装置2紧贴于内壁4和外壁7，所述的可控喷射管状装置2为一种双组分自喷型气溶胶雾罐，由罐体2-1、圆穹顶型罩子2-2、气雾阀2-3、开孔状气雾喷头2-4、分隔门2-5、气雾阀封口2-6和转动轴2-7构成，罐体2-1的上方装有圆穹顶型罩子2-2，开孔状气雾喷头2-4位于圆穹顶型罩子2-2的穹顶顶部，为不同径向分布的多孔结构，将上述的气雾喷头2-4孔状结构保持在开孔状态；于圆穹顶型罩子2-2和罐体2-1接触处安有气雾阀封口2-6，气雾阀封口2-6上方是圆穹顶型罩子2-2，气雾阀封口2-6下方是罐体2-1；气雾阀封口2-6的横轴上设置有可活动的转动轴2-7，所述气雾阀2-3由第一气雾阀2-3-1和第二气雾阀2-3-2组成，第一气雾阀2-3-1和第二气雾阀2-3-2分别嵌入转动轴2-7的两侧，分隔门2-5以气雾阀封口2-6的中心为基点将罐体2-1内部分隔为第一分隔仓2-8和第二分隔仓2-9，第一气雾阀2-3-1位于第一分隔仓2-8的上端，第二气雾阀2-3-2位于第二分隔仓2-9的上端；内环5内沿圆周方向均匀设置有若干个可控筒状发射装置3，可控筒状发射装置3紧贴于内壁4，所述可控筒状发射装置3由筒体3-1、捕获织物3-2和牵引头3-3组成，捕获织物3-2四周的各个边角设置有若干个牵引头3-3，捕获织物3-2经打包折叠后置于筒体3-1内，连接各个边角的牵引头3-3伸出至筒体3-1外，紧密贴合固定在一起。

具体实施方式二：本实施方式按照如下步骤利用可控喷射管状装置及可控筒状发射装置将黏附性多巴及其衍生物气溶胶及捕获织物分别喷射出并吸附粘接在目标飞行器上：

a）气溶胶溶液的制备：配制出一定浓度的碱性溶液，并选用一种称为喷射剂的压缩气体分别与碱性溶液和多巴及其衍生物溶液混合，制备可压缩喷射气溶胶。

第1步，弱碱性溶液的制备：

配置出容量为1 L、浓度为0.05 mol/L的Tris-HCl（三羟甲基氨基甲烷-盐酸）缓冲溶液。首先称量6.055 g的Tris置于1 L的烧杯中，加入约800 mL的去离子水，充分搅拌溶解。待溶液冷却至室温后（25℃）加入浓盐酸调节所pH值为8.5，将溶液定容至1 L，室温保存。最终配置多少容量的弱碱性溶液，需根据罐体分隔仓内溶液所占容量多少而定。

第2步，多巴及其衍生物DA溶液的制备：

 DA常用其盐酸盐，为白色结晶状物质，为避免氧气将DA中的邻苯二酚基团氧化成DA-醌化合物，造成与DA发生反歧化反应而过快的偶合交联形成PDA，将称量好的DA置于储存着一定容量蒸馏水的密闭容器中完全溶解，DA在水中的溶解度为60.0 g/100 mL(25 ℃)，待溶解完全后于室温下密封保存。

第3步，双轴向经编织物的制作（图3）：

采用缝线将多层单向纤维层按指定的角度缝合起来形成一种纤维增强体，经编织物增强体的结构稳定，对纤维的约束性好，具有良好的铺覆性和预成型性，层间的缝合提高了复合材料的损伤容限和面外破坏韧性。而经编线的绑缚使纤维层结合更加紧密，提高了层间剪切性能。双轴向的经编织物相比单向布而言，结构稳定性及层间致密性好，可提高复合材料最弱的层间性能。以碳纤维（T 700）双轴向[+45°/﹣45°]经编织物为例，面密度可达384 g/m²，含有2 g/m²的聚酯经编线。

第4步，金属镀膜双轴向经编织物的制作：

利用等离子体的蚀刻活化作用进行低温等离子处理，并连续进行表面沉积处理为特殊的纤维织物金属化处理方法。采用对织物进行低温等离子处理，经过低温等离子处理后完成表面Al、Ti、Cr、Ni、Cu 等的金属化处理，通过此技术可以改善纤维织物与金属层沉积层的结合力。镀层厚度在增重率为10 ~ 30%时，500 MHz ~ 1GHz频段电磁屏蔽效果达30 ~ 70 dB。而材料采用多元复合镀层及增加镀层厚度在增重率为30 ~ 50%时，其屏蔽值可达70 ~ 120 dB。金属化处理后的经编织物与金属层之间结合力强，并且具有良好的机械性能、导电、电磁波屏蔽、抗紫外线和耐热性等一系列优异性能。

在双轴向经编织物上进行金属镀膜，还可以选择化学镀方式使金属还原成原子或分子沉积在纤维表面，也可以通过涂层技术、真空镀膜和磁控溅射方式直接在织物表面形成金属化结构。

b）组装：将待喷射的多巴及其衍生物溶液及弱碱水分别与保持压力的压缩气体混合贮存于不同的密闭分隔仓内，如图4所示，封口后气体充满仓内的整个空间。将捕获织物折叠放入可控发射管状装置内，如图3所示，十二个牵引头露出装置外并紧密贴合在一起。

c）喷射：如图8所示，当机动卫星调整姿态运行至在轨飞行器前方轨道时，在临近在轨飞行器时并始终保持20~30 m的距离，把可控喷射装置的气雾阀打开，压缩气体将分隔仓里的多巴及其衍生物溶液和弱碱水同时压出，在圆穹顶罩子内两种组分进行混合后，经由不同径向分布的多孔气雾喷头呈扇形喷出，使得气雾状液滴悬浮于轨道上。

待在轨飞行器进入气雾里，机动卫星发射出一张捕获织物以5~10 m/s的速度向前飞行并完全展开，展开直径可达5~8 m，将气雾里的飞行器连同混合液体一同包裹在内，利用多巴及其衍生物的黏附力将捕获织物牢固锚定在目标飞行器上，将其俘获。DA在碱性溶液中发生氧化聚合-交联反应，在目标飞行器与捕获织物表面形成紧密超强附着的PDA交联复合层，使得捕获织物永久牢固吸附寄生在目标飞行器上。

利用经金属镀膜双轴向经编织物制成的捕获织物自身改性后赋予的导电、电磁波屏蔽、抗紫外线和耐热性等性能，对在轨飞行器的侦察镜头，太阳能板、电子侦察传感器等设备进行干扰破坏，且优异的隔热及防紫外线性能使得PDA交联复合层不受太空环境的影响，保持永久黏附性。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一、二不同的是，如图9所示，利用二次反应法制备的高粘度磁性材料对在轨飞行器进行干扰、破坏。由于在弱碱水溶液中，DA易发生氧化聚合-交联反应，在材料表面形成富含邻苯二酚基团的PDA复合层，而邻苯二酚活性基团能够进行二次反应，将功能分子引入材料表面，使改性后的表面能够进一步反应赋予其他功能。由于邻苯二酚基团能够对金属产生一定强度的束缚力，且PDA复合层对金属离子具有较强的还原能力，使得复合层从溶液中还原金属阳离子并使之沉积在材料表面，从而实现无电镀的材料表面金属化。

因此利用PDA的邻苯二酚基团的二次反应性在目标飞行器表面沉积带磁性的金属或金属氧化物。制备一种表面功能化的三氧化二铁（Fe₂O₃）磁性纳米粒子——Fe₂O₃-PDA。首先将Fe₂O₃磁性纳米粒子置于配置好的Tris-HCl弱碱水中，待可控喷射装置在太空中将两种溶液以气溶胶形式喷射出来时，含磁性氧化铁粒子的弱碱水与含DA的溶液混合，并吸附在目标飞行器表面形成PDA复合层时，以PDA为固定锚，复合层中的邻苯二酚基团能够与金属氧化物中的金属离子形成配位键，通过PDA与金属氧化物的螯合作用将金属氧化物沉积在目标飞行器表面，形成表面覆盖磁性氧化铁纳米粒子层的PDA交联复合层。该方式的优势在于，利用高分子高粘度磁电材料黏附性，经喷散后强力吸附在目标飞行器及太阳能板、侦察镜头、电子侦察传感器等“关键”设备上，以达到电子、磁场等干扰及损坏的目的，并利用PDA具有永久黏附、超强附着的特征，使之永久失效以致最终无法工作。

Claims (10)

1.黏附性气溶胶吸附寄生机构，包括寄生器(1)，其特征在于所述寄生机构还包括可控喷射管状装置(2)和可控筒状发射装置(3)，寄生器(1)的内部由内壁(4)分隔为内环(5)和外环(6)；外环(6)内沿圆周方向均匀设置有若干个可控喷射管状装置(2)，可控喷射管状装置(2)紧贴于内壁(4)和外壁(7)，所述的可控喷射管状装置(2)包括罐体(2-1)、圆穹顶型罩子(2-2)、气雾阀(2-3)、开孔状气雾喷头(2-4)、分隔门(2-5)、气雾阀封口(2-6)和转动轴(2-7)，罐体(2-1)的上方装有圆穹顶型罩子(2-2)，开孔状气雾喷头(2-4)位于圆穹顶型罩子(2-2)的穹顶顶部，圆穹顶型罩子(2-2)和罐体(2-1)接触处安有气雾阀封口(2-6)，气雾阀封口(2-6)的横轴上设置有可活动的转动轴(2-7)，所述气雾阀(2-3)由第一气雾阀(2-3-1)和第二气雾阀(2-3-2)组成，第一气雾阀(2-3-1)和第二气雾阀(2-3-2)分别嵌入转动轴(2-7)的两侧，分隔门(2-5)以气雾阀封口(2-6)的中心为基点将罐体(2-1)内部分隔为第一分隔仓(2-8)和第二分隔仓(2-9)，第一气雾阀(2-3-1)位于第一分隔仓(2-8)的上端，第二气雾阀(2-3-2)位于第二分隔仓(2-9)的上端；内环(5)内沿圆周方向均匀设置有若干个可控筒状发射装置(3)，可控筒状发射装置(3)紧贴于内壁(4)，所述可控筒状发射装置(3)由筒体(3-1)、捕获织物(3-2)和牵引头(3-3)组成，捕获织物(3-2)四周的各个边角设置有若干个牵引头(3-3)，捕获织物(3-2)置于筒体(3-1)内，连接各个边角的牵引头(3-3)伸出至筒体(3-1)外，紧密贴合固定在一起。

2.根据权利要求1所述的黏附性气溶胶吸附寄生机构，其特征在于所述捕获织物(3-2)选用碳纤维、聚酰胺纤维或玻璃纤维编织而成。

3.根据权利要求1或2所述的黏附性气溶胶吸附寄生机构，其特征在于所述捕获织物(3-2)的表面有一层金属镀膜。

4.根据权利要求3所述的黏附性气溶胶吸附寄生机构，其特征在于所述金属镀膜的材质为Al、Ti、Cr、Ni或Cu。

5.根据权利要求1所述的黏附性气溶胶吸附寄生机构，其特征在于所述牵引头(3-3)由橡胶弹头制成，材料选用丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶或氯丁橡胶。

6.一种利用权利要求1所述的黏附性气溶胶吸附寄生机构寄生在轨飞行器的方法，其特征在于所述方法利用可控喷射管状装置(2)及可控筒状发射装置(3)将黏附性多巴及其衍生物气溶胶及捕获织物(3-2)分别喷射出并吸附粘接在目标飞行器上，具体包括如下步骤：

将多巴及其衍生物溶液贮存于第一分隔仓(2-8)内，将弱碱水存于第二分隔仓(2-9)内，向第一分隔仓(2-8)和第二分隔仓(2-9)中充入压缩气体，气雾阀封口封闭后气体充满仓内的整个空间，将捕获织物(3-2)折叠放入可控筒状发射装置(3)内，牵引头(3-3)露出装置外并紧密贴合在一起；当机动卫星运行至在轨飞行器前方轨道时，始终与在轨飞行器始终保持20～30m的距离，把可控喷射管状装置(2)的气雾阀(2-3)打开，压缩气体将分隔仓里的多巴及其衍生物溶液和弱碱水同时压出，在圆穹顶型罩子(2-2)内混合后经开孔状气雾喷头(2-4)呈扇形喷出，气雾状液滴悬浮于轨道上，待在轨飞行器进入气雾里时，机动卫星发射出一张捕获织物(3-2)以5～10m/s的速度喷射并完全展开，将气雾里的飞行器连同混合液体一同包裹在内，利用多巴及其衍生物的黏附力将捕获织物(3-2)牢固锚定在目标飞行器上，将其俘获。

7.根据权利要求6所述的利用黏附性气溶胶吸附寄生机构寄生在轨飞行器的方法，其特征在于所述压缩气体为二氧化碳、氮、氧化亚氮、丙烷、异丁烷或氯氟碳化合物。

8.根据权利要求6所述的利用黏附性气溶胶吸附寄生机构寄生在轨飞行器的方法，其特征在于所述捕获织物(3-2)的表面有一层金属镀膜，该金属镀膜的形成方式为化学镀方式、涂层技术、真空镀膜或磁控溅射方式。

9.根据权利要求8所述的利用黏附性气溶胶吸附寄生机构寄生在轨飞行器的方法，其特征在于所述金属镀膜的材质为Al、Ti、Cr、Ni或Cu。

10.根据权利要求6所述的利用黏附性气溶胶吸附寄生机构寄生在轨飞行器的方法，其特征在于所述弱碱水中含有三氧化二铁磁性粒子。