CN103643571A - 用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索，包括承载部分、加热织物层和隔热膜层，所述的承载部分为中心承载的编织纤维绳缆和填充在编织纤维绳缆之间的第一填充剂，所述的加热织物层包括电加热材料和填充在电加热材料之间的第二填充剂，所述的加热织物层包覆在编织纤维绳缆外侧，隔热膜层包覆在加热织物层外侧，所述的隔热膜层与加热织物层之间通过外层胶粘层粘接。本发明有效的解决了在高空极低温环境下高强绳索的承载与保温问题，提高柔性绳索在极低温工况下的可靠性和使用寿命，柔性绳索耐磨性能优良,绳索内部加热效率高，柔性绳索整体结构易于工艺制造、耐极低温承载性能获得有力保障。
Description
技术领域
本发明涉及低温承载绳索技术领域，尤其是一种用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索及其制作方法。
背景技术
高空/太空飞行器，如空间站、飞船、平流层飞艇、高空气球等，具有情报侦察、通信中继、气候观测等诸多领域的应用优势。高强度柔性绳索是高空/太空飞行器的必要部件，起到传力和固定的作用。但由于高空/太空环境温度低，常规绳索在承载传力过程中容易脆化，导致绳索在高强载荷下容易断裂破坏从而引发安全事故，因此研究耐低温环境条件下的保温柔性承载绳索对高空/太空飞行器的发展具有重要意义。目前常用保温绳索结构为外围式整体加热模式，且绳索承载后的柔性度降低，承力绳缆与加热部件直接分离，用于加热的能量消耗率高，现场装配、对接挂装过程操作复杂，绳索与加热部件容易发生交错干涉。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中绳索用于高空低温环境是变脆老化，引发安全事故的技术问题，提供一种用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索及其制作方法，柔性绳索结构具有耐低温特性，绳索整体一体化成型，柔性绳索对接挂装过程便于操作。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索，包括承载部分、加热织物层和隔热膜层，所述的承载部分为中心承载的编织纤维绳缆和填充在编织纤维绳缆之间的第一填充剂，所述的加热织物层包括电加热材料和填充在电加热材料之间的第二填充剂，所述的加热织物层包覆在编织纤维绳缆外侧，隔热膜层包覆在加热织物层外侧，所述的隔热膜层与加热织物层之间通过外层胶粘层粘接。
进一步的，所述的加热织物层与编织纤维绳缆之间具有导热膜层，所述的导热膜层与承载部分之间通过内层胶粘层粘接，所述的内层胶粘层的厚度为0.01~0.03mm。导热膜层传递加热织物层产生的热量至纤维编织承载绳缆，并形成温度均匀膜保护纤维编织承载绳缆，以防止中心纤维编织承载绳缆局部温度不均匀而影响整体的使用寿命。纤维编织承载绳缆与导热膜层之间通过胶粘层连接，内层胶粘层粘接防止纤维编织承载绳缆与导热膜层在柔性绳索承载过程中出现滑移现象。内层胶粘层为热塑性胶体，在低温150K温度下进行0~150°角度范围内可进行弯折扭曲。内层胶粘层用于固定临近导热膜层的位置，并传递编织纤维绳缆的摩擦力至导热膜层。
作为优选，所述的导热膜层为导热金属丝环向网状编织的导热金属网。
作为优选，所述的导热金属丝的截面直径0.05-1 mm。
所述的编织纤维绳缆由3-24股凯夫拉纤维束、维克特拉纤维束、PBO纤维束、聚乙烯纤维束或碳纤维束交错编织而成。每股纤维束交错编织时加载500N的拉伸预应力，保证纤维束中纤维束编织时均处于直线状态。
作为优选，所述的电加热材料为多根直线型加热金属丝，加热金属丝采用平行镶嵌方式植入第二填充剂中，所述的加热金属丝的直径为0.05-1 mm，相邻两个加热金属丝之间的间距为0.2-10mm。
进一步的，所述的外层胶粘层的厚度为0.01~0.5mm。外层胶粘层为热塑性胶体，外层胶粘层以保证加热织物层与隔热膜层之间具有良好的位置关系。
进一步的，所述的隔热膜层的厚度为0.05~3.5mm、导热系数为0.02~0.5的隔热薄膜。可减少内部加热产生的热量散失，提高柔性结构的热量利用率及纤维编织承载绳缆的保温效率。
进一步的，所述的隔热膜层外包覆有耐磨防护层，所述的耐磨防护层的厚度为0.02-3.5mm。提高柔性绳索在包装、运输、拆卸、装配对接过程中耐磨性能，防止使用过程中刮擦或损失破坏柔性绳索中的中间功能膜层。在500N的加载预应力加工条件下，环向缠绕在隔热膜层上，耐磨防护层与隔热膜层直接绑定，耐磨防护层环向内侧表面通过与隔热膜层之间的静摩擦力固定耐磨防护层的沿着长度方向的轴向位置。
一种制作上述用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索的方法，具有如下步骤：
步骤一：根据承载载荷、空间连接长度的要求，确定中心主承载的编织纤维绳缆的环向直径，以及确定编织纤维绳缆中每股纤维束的纤维丝的数量及纤维束的直径；在预制绳索两端加载拉伸预应力，纤维束交错编织，交错编织完成后，在纤维束缝隙区域粘附第一填充剂，形成直径9-15mm的中心承载圆环；
步骤二：粘接导热膜层；在110-160℃的温度下，将第一填充剂的外表面与导热膜层的内表面进行粘胶贴合，采用微风烘干胶粘材料；
步骤三：完成电加热材料的安装；
（1）制作加热金属丝；
（2）将加热金属丝采用平行镶嵌方式植入裁剪好的第二填充剂，相邻加热金属丝的间距尺寸为0.2-10mm，形成加热织物层；
（3)将上述加热织物层进行裁剪至所需规格；
（4) 将裁剪好的加热织物层环向缠绕在导热膜层的外表面；
（5）在加热织物层的外表面进行粘附外层胶粘层；
步骤四：粘附隔热膜层和耐磨防护层；
（1）按照设计要求裁剪隔热膜层；
（2）将隔热膜层的内表面和外层胶粘层的外表面进行粘贴，采用环向缠绕挤压贴合粘贴方式，在110-160℃的环境条件下进行烘干；
（3) 按照设计要求裁剪耐磨防护层；
（4) 将耐磨防护层进行多层缠绕在隔热膜层的外表面，耐磨防护层采用环向缠绕挤压方式，每个缠绕环向的耐磨防护层之间沾涂胶粘剂，并在110-160℃的环境条件下进行烘干；
（5）直至耐磨防护层的厚度缠绕增至为0.02-3.5mm，耐磨防护层末端封口采用胶粘剂粘胶密封，并在110-160℃的环境条件下进行烘干。
本发明的有益效果是，本发明有效的解决了在高空/太空极低温环境下高强绳索的承载与保温问题，提高柔性绳索在极低温工况下的可靠性和使用寿命，柔性绳索耐磨性能优良,绳索内部加热效率高，柔性绳索整体结构易于工艺制造、耐极低温承载性能获得有力保障。在生产时直接采用加载预应力绑定加工方式，使得绳索整体在承载拉伸过程中具有良好的弯曲、扭转等柔性性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索优选实施例的立体图；
图2是本发明的用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索优选实施例的主视图；
图3是图2中A-A的剖视图。
图中：1.编织纤维绳缆，2.第一填充剂，3.内层胶粘层，4.导热膜层，5.电加热材料，6.第二填充剂，7.外层胶粘层，8.隔热膜层，9.耐磨防护层。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1至图3所示，本发明的一种用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索，包括承载部分、加热织物层和隔热膜层，所述的承载部分为中心承载的编织纤维绳缆1和填充在编织纤维绳缆1之间的第一填充剂2，所述的加热织物层包括电加热材料5和填充在电加热材料5之间的第二填充剂6，所述的加热织物层包覆在编织纤维绳缆1外侧，隔热膜层8包覆在加热织物层外侧，所述的隔热膜层8与加热织物层之间通过外层胶粘层7粘接。
进一步的，所述的加热织物层与编织纤维绳缆1之间具有导热膜层4，所述的导热膜层4与承载部分之间通过内层胶粘层粘接，所述的内层胶粘层3的厚度为0.01~0.03mm。导热膜层4传递加热织物层产生的热量至纤维编织承载绳缆，并形成温度均匀膜保护纤维编织承载绳缆，以防止中心纤维编织承载绳缆局部温度不均匀而影响整体的使用寿命。纤维编织承载绳缆与导热膜层4之间通过胶粘层连接，内层胶粘层3粘接防止纤维编织承载绳缆与导热膜层4在柔性绳索承载过程中出现滑移现象。内层胶粘层3为热塑性胶体，在低温150K温度下0~150°角度范围内可进行弯折扭曲。内层胶粘层3用于固定临近导热膜层4的位置，并传递编织纤维绳缆1的摩擦力至导热膜层4。
作为优选，所述的导热膜层4为导热金属丝环向网状编织的导热金属网。
作为优选，所述的导热金属丝的截面直径0.05-1 mm。以增加环形表面的传热表面面积，使电加热材料5产生的热量高效率的传递至柔性绳索结构的内部中心区域。
所述的编织纤维绳缆1由3-24股凯夫拉纤维束、维克特拉纤维束、PBO纤维束、聚乙烯纤维束或碳纤维束交错编织而成。每股纤维束交错编织时加载500N的拉伸预应力，保证纤维束中纤维束编织时均处于直线状态。
作为优选，所述的电加热材料5为多根直线型加热金属丝，加热金属丝采用平行镶嵌方式植入第二填充剂6中，所述的加热金属丝的直径为0.05-1 mm，相邻两个加热金属丝之间的间距为0.2-10mm。通过第二填充剂6固定，并保持导热膜层4内的直线加热金属丝的位置和抗拉强度，防止柔性绳缆在大角度弯曲或扭转时发生导热膜层4内的直线型加热金属丝折断现象，以避免引起加热金属丝在低温环境条件下的加热效率。
进一步的，所述的外层胶粘层7的厚度为0.01~0.5mm。外层胶粘层7为热塑性胶体，外层胶粘层7以保证加热织物层与隔热膜层8之间具有良好的位置关系。外层胶粘层7为热塑性胶体，在低温环境条件下具有良好的柔性功能，可以在低温150K温度下0~150°角度范围内进行弯折扭曲。
进一步的，所述的隔热膜层8的厚度为0.05~3.5mm、导热系数为0.02~0.5的隔热薄膜。可减少内部加热产生的热量散失，提高柔性结构的热量利用率及纤维编织承载绳缆的保温效率。
进一步的，所述的隔热膜层8外包覆有耐磨防护层9，所述的耐磨防护层9的厚度为3.5mm。提高柔性绳索在包装、运输、拆卸、装配对接过程中耐磨性能，防止使用过程中刮擦或损失破坏柔性绳索中的中间功能膜层。在500N的加载预应力加工条件下，环向缠绕在隔热膜层8上，耐磨防护层9与隔热膜层8直接绑定，耐磨防护层9环向内侧表面通过与隔热膜层8之间的静摩擦力固定耐磨防护层9的沿着长度方向的轴向位置。
耐磨防护层9采用耐磨防老化膜层，自身具有耐低温特性，在高空低温环境下具有良好的低温力学特性和抗老化性能。
实施环境：所需的承载载荷7000kg，绳索长度45m，则通过计算确定第一填充剂2的环向直径为10mm，纤维丝的数量为80根，纤维束的直径6.5mm。
实施例中，用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索的横截面环向直径为24mm，如图3所示(结构示意)，其中：编织纤维绳缆1环向直径为6.5mm，其余各功能膜层包括第一填充剂2环向直径为10mm、内层胶粘层3直径为10.04mm、导热膜层4环向直径为10.24mm、加热织物层内部加热金属丝直径0.75mm、第二填充剂6环向直径为11.84mm、外层胶粘层7直径为12.54mm、隔热膜层8直径为17.54mm以及耐磨防护层9环向直径为24mm。
一种制作上述用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索的方法，具有如下步骤：
步骤一：根据承载载荷、空间连接长度的要求，确定中心主承载的编织纤维绳缆1的环向直径，以及确定编织纤维绳缆1中每股纤维束的纤维丝的数量及纤维束的直径；在预制绳索两端加载500N的拉伸预应力，纤维束交错编织，交错编织完成后，在纤维束缝隙区域粘附第一填充剂2，形成直径9-15mm的中心承载圆环；
步骤二：粘接导热膜层4；在110-160℃的温度下，将第一填充剂2的外表面与导热膜层4的内表面进行粘胶贴合，并采用微风烘干胶粘材料；
步骤三：完成电加热材料5的安装；
（1）制作加热金属丝；
（2）将加热金属丝采用平行镶嵌方式植入裁剪好的第二填充剂6，相邻加热金属丝的间距尺寸为6.5mm，形成加热织物层；
（3)将上述加热织物层进行裁剪至所需规格；
（4) 将裁剪好的加热织物层环向缠绕在导热膜层4的外表面；
（5）在加热织物层的外表面进行粘附外层胶粘层7；
步骤四：粘附隔热膜层8和耐磨防护层9；
（1）按照设计要求裁剪隔热膜层8；
（2）将隔热膜层8的内表面和外层胶粘层7的外表面进行粘贴，采用环向缠绕挤压贴合粘贴方式，在110-160℃的环境条件下进行烘干；
（3) 按照设计要求裁剪耐磨防护层9；
（4) 将耐磨防护层9进行多层缠绕在隔热膜层8的外表面，耐磨防护层9采用环向缠绕挤压方式，每个缠绕环向的耐磨防护层9之间沾涂胶粘剂，并在110-160℃的环境条件下进行烘干；
（5）直至耐磨防护层9的厚度缠绕增至为3.5mm，耐磨防护层9末端封口采用胶粘剂粘胶密封，并在110-160℃的环境条件下进行烘干。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索，其特征是：包括承载部分、加热织物层和隔热膜层，所述的承载部分为中心承载的编织纤维绳缆和填充在编织纤维绳缆之间的第一填充剂，所述的加热织物层包括电加热材料和填充在电加热材料之间的第二填充剂，所述的加热织物层包覆在编织纤维绳缆外侧，隔热膜层包覆在加热织物层外侧，所述的隔热膜层与加热织物层之间通过外层胶粘层粘接。
2.如权利要求1所述的用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索，其特征是：所述的加热织物层与编织纤维绳缆之间具有导热膜层，所述的导热膜层与承载部分之间通过内层胶粘层粘接，所述的内层胶粘层的厚度为0.01~0.03mm。
3.如权利要求2所述的用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索，其特征是：所述的导热膜层为导热金属丝环向网状编织的导热金属网。
4.如权利要求3所述的用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索，其特征是：所述的导热金属丝的截面直径0.05-1 mm。
5.如权利要求1所述的用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索，其特征是：所述的编织纤维绳缆由3-24股凯夫拉纤维束、维克特拉纤维束、PBO纤维束、聚乙烯纤维束或碳纤维束交错编织而成。
6.如权利要求1所述的用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索，其特征是：所述的电加热材料为多根直线型加热金属丝，加热金属丝采用平行镶嵌方式植入第二填充剂中，所述的加热金属丝的直径为0.05-1 mm，相邻两个加热金属丝之间的间距为0.2-10mm。
7.如权利要求1所述的用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索，其特征是：所述的外层胶粘层的厚度为0.01~0.5mm。
8.如权利要求1所述的用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索，其特征是：所述的隔热膜层的厚度为0.05~3.5mm、导热系数为0.02~0.5的隔热薄膜。
9.如权利要求1或8所述的用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索，其特征是：所述的隔热膜层外包覆有耐磨防护层，所述的耐磨防护层的厚度为0.02-3.5mm。
10.一种制作如权利要求1-9任一项所述的用于高空/太空飞行器的耐低温柔性绳索的方法，其特征是具有如下步骤：
步骤一：根据承载载荷、空间连接长度的要求，确定中心主承载的编织纤维绳缆的环向直径，以及确定编织纤维绳缆中每股纤维束的纤维丝的数量及纤维束的直径；在预制绳索两端加载拉伸预应力，纤维束交错编织，交错编织完成后，在纤维束缝隙区域粘附第一填充剂，形成直径9-15mm的中心承载圆环；
步骤二：粘接导热膜层；在110-160℃的温度下，将第一填充剂的外表面与导热膜层的内表面进行粘胶贴合；
步骤三：完成电加热材料的安装；
（1）制作加热金属丝；
（2）将加热金属丝采用平行镶嵌方式植入裁剪好的第二填充剂，相邻加热金属丝的间距尺寸为0.2-10mm，形成加热织物层；
（3)将上述加热织物层进行裁剪至所需规格；
（4) 将裁剪好的加热织物层环向缠绕在导热膜层的外表面；
（5）在加热织物层的外表面进行粘附外层胶粘层；
步骤四：粘附隔热膜层和耐磨防护层；
（1）按照设计要求裁剪隔热膜层；
（2）将隔热膜层的内表面和外层胶粘层的外表面进行粘贴，采用环向缠绕挤压贴合粘贴方式，在110-160℃的环境条件下进行烘干；
（3) 按照设计要求裁剪耐磨防护层；
（4) 将耐磨防护层进行多层缠绕在隔热膜层的外表面，耐磨防护层采用环向缠绕挤压方式，每个缠绕环向的耐磨防护层之间沾涂胶粘剂，并在110-160℃的环境条件下进行烘干；
（5）直至耐磨防护层的厚度缠绕增至为0.02-3.5mm，耐磨防护层末端封口采用胶粘剂粘胶密封，并在110-160℃的环境条件下进行烘干。
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