CN105531187B - 用于允许球体相对于外力场自由取向的组件 - Google Patents

Abstract

一种用于允许球体相对于外力场自由取向的组件，其特征在于，包括：支承结构件；球体；两个锁定元件，所述两个锁定元件从相反两侧作用在球体上并且用于在组件的非操作阶段期间将球体保持在正确位置中；至少四个液滴支承装置，所述至少四个液滴支承装置围绕所述球体定位并且能够形成液滴以及将所述液滴保持在期望温度；以及隔离密封结构件，该隔离密封结构件用于使以上装置与周围环境隔离并且防止灰尘沉积在所述球体表面和四个形成的所述液滴上；以及冷却装置，该冷却装置能够将球体保持在比所述液滴的温度低的温度。

Description

用于允许球体相对于外力场自由取向的组件

技术领域

本发明涉及用于允许球体相对于外力场自由取向的组件。

特别地，本发明的组件的主要应用领域为用于在微重力中进行实验的装置。

背景技术

空间环境利用了减小的重力场的优点以进行对重力敏感的实验或揭示地面上由于重力的存在而隐藏的现象。然而，此外在减小的重力场中，长期实验可能被在空间航行期间存在的剩余重力场的作用略微影响或高度影响；此外，在航行期间，飞船改变其相对于剩余重力场的取向。这样的事实导致因在实验期间改变的剩余重力引起的模量和取向的扰乱的存在。不能被限制或消除的这种作用多次严重影响实验的结果或使实验计划复杂化。

因此，需要制造一种可用的装置，该装置的技术特征能够克服现有技术的上述技术问题。

本发明所基于的构思为多年前发现的永久限制聚合的物理现象。简言之，当液滴被在比液滴接近的固体表面的温度更高的温度下加热时，因液滴的表面张力的温度的变化而在液滴中形成表面运动。进行的研究表明这样的表面运动使空气陷于液滴表面与固体表面之间，从而产生软的、无摩擦的垫层(pillow)。

当保持在不同温度下的两个液滴彼此面对时观察到类似的现象：两个液滴并不聚合，即使将两者推动成彼此相抵靠也不会聚合。

申请人利用这种现象来满足上面的需要。

发明内容

本发明的主题是一种用于允许球体相对于外力场自由取向的组件，该组件包括：支承结构件；球体；两个锁定元件，该两个锁定元件从相反两侧作用在球体上并且用于在组件的非操作阶段期间将球体保持在正确位置中；至少四个液滴支承装置，该至少四个液滴支承装置围绕球体对称地定位并且能够形成液滴以及将液滴保持在期望温度；隔离密封结构件，隔离密封结构件用于使以上装置与周围环境隔离并且防止灰尘沉积在球体的表面和四个形成的液滴上，其中，该组件还包括冷却/过滤装置，该冷却/过滤装置用于将冷却气体注入隔离结构件内以将球体保持在比液滴的温度低的温度；冷却/过滤装置包括至少两个入口管和至少两个出口管，至少两个入口管通过关于球体彼此相对放置的两个相应入口窗进入隔离密封结构件以从球体的相反两侧注入冷却/过滤的气体，至少两个出口管中的每个出口管通过远离入口窗中的每个入口窗90度放置的相应出口窗进入隔离密封结构件；锁定元件和液滴支承装置包括能够使相应活塞沿球体的方向移动的马达/编码器组件。

优选地，冷却/过滤装置包括至少一个冷却箱，在至少一个冷却箱中插入有受控风扇、填充有在闭合回路中循环的水的冷却元件以及多孔过滤器；每个出口管和每个入口管将冷却箱与隔离密封结构件连接。

优选地，该组件包括静电放电装置，静电放电装置能够使球体处于与液滴支承装置相同的静电势。

优选地，该组件包括注入装置，注入装置能够向四个液滴支承装置供给液体。

优选地，球体包括螺纹连接在一起的两个半球，以在内部放置负载。

优选地，每个锁定元件包括马达/编码器组件以及通过马达/编码器组件操作并且包括碗形自由端的活塞，碗形自由端具有比球体的表面大的凹度以及多个槽以使冷却气体冷却由碗形自由端自身覆盖的球体区域。

优选地，两个锁定元件中的一个锁定元件包括围绕相应活塞的杆缠绕的螺旋弹簧。

优选地，每个液滴支承装置包括马达/编码器组件以及通过马达/编码器组件操作的活塞；活塞包括在活塞的端部中的一个端部处的铜制内部结构件，液滴形成在铜制内部结构件处，并且铜制内部结构件存放有加热器和温度传感器。

优选地，球体是存放有实验设备和用于通信的无线电路板的实验室。

优选地，球体由铝基轻质合金制成。

优选地，球体已经经过镀镍表面处理。

优选地，球体由掺有石墨的聚合物制成。

附图说明

为了更好地理解本发明，在下面借助于附图仅通过示例性并且非限制性的方式给出实施方式，其中：

-图1是根据本发明的组件的侧视图；

-图2是图1的组件的一部分的部分截面图；

-图3是图2的该部分的第一部分的局部侧视透视图；

-图4是图2的该部分的第二部分的局部俯视透视立体图；

-图5是图2的该部分的第三部分的局部俯视透视立体图；

-图6是图2的该部分的第四部分的局部俯视透视立体图。

具体实施方式

根据本发明的组件在图1中整体以1指示。

组件1主要包括支承结构件2、筒形隔离密封结构件3以及冷却/过滤装置4，其中，在筒形密封结构件3中进行微重力环境中的实验，冷却/过滤装置4用于允许惰性冷却气体例如氮气如将在下面描述的那样在隔离结构件3内循环。

如图2中所示，组件1在筒形隔离密封结构件3内部包括球体5、两个锁定元件6、四个液滴支承装置(drop supports)7(在图2中仅示出其中的三个)、静电放电装置8、注入装置9，其中，球体5由铝基轻质合金制成并且由两个半球彼此旋拧而成，两个锁定元件6从相反两侧作用在球体5上并且用于在组件1的非操作阶段期间保持固定在正确位置中的球体5，四个液滴支承装置7分别围绕球体5定位在规则四面体的四个顶点上，静电放电装置8能够使球体5处于与液滴支承装置7相同的静电势，注入装置9能够将液体供给至四个液滴支承装置7以实现相应的液滴。冷却/过滤装置4能够使球体表面在比液体的温度更低的温度下冷却以防止液滴在球体表面上聚合，并且能够过滤球体周围的气体以防止灰尘沉积在球体表面和液滴上。

在图2中，由于液滴支承装置7的结构复杂性，出于简洁的目的，并未以截面的形式示出液滴支承装置7。

需要温度和压力传感器来监测球体表面温度、油滴温度、密封结构件3内部的气体压力。

在球体5内部定位有实验装置，该实验装置通过无线电路板组与外界通信。为了允许无线电信号穿过金属球体，已经在于球体中钻出的凹槽中适当实现并定位有天线。天线定位在球体的几何表面的正下方并且由导电环氧树脂覆盖以防止静电电荷在球体表面上的积聚。球体表面在树脂沉积之后的部分的粗糙度和平滑度应尽可能接近整个球体表面的粗糙度和平滑度。

球体5已经经过镀镍表面处理，并且如图3中所示，球体5包括拧在一起的两个半球9a、9b，以将实验设备10和用于通信的无线电路板存放在球体自身内部。

不同的是，球体5可以由掺有石墨或碳的聚合物制成，从而具有重量降低以及主要地透过无线电信号的优点；在该构型中，不需要具有形成在外球体表面上的天线。

锁定元件6设计成允许球体5在非操作阶段期间被锁定而不刺入或刮擦球体表面，并且设计成能够支承球体负载(球体加上实验设备)。如图4中所示，每个锁定元件6包括马达/编码器组件12以及通过马达/编码器组件12以已知方式操作的活塞13。

每个活塞13包括碗形自由端14。特别地，在每个活塞13中，碗形自由端14具有比球体表面更大的凹度并且具有六个槽14a。这些技术特征的目的是使气体也冷却被碗形自由端14覆盖的区域中的球体。事实上，每个碗形自由端14实际上仅通过圆周边缘15与球体表面接触，从而允许冷却气体到达碗形自由端14下面的基本所有球体表面区域。

两个锁定元件6中的仅一个锁定元件6包括绕相应活塞13的杆缠绕的螺旋弹簧16。以这种方式，抵靠球体表面的压力在不损害两个锁定元件6的锁定力的情况下减小到最小程度。

如图5中所示，每个液滴支承装置7包括马达/编码器组件17以及通过马达/编码器组件17以已知方式操作的活塞18。

此外，活塞18包括在其一端处的内部结构件19，该内部结构件19由铜制成并且存放有加热器和温度传感器。内部结构件19包括外稍端20，液滴从外稍端20形成并且外稍端20为边缘锐利的、加工成截头圆锥形状并且具有倾斜45°的侧面。另外，每个液滴支承装置7包括液体入口21、液体出口22、用于允许液体回路关闭的远程控制阀23以及用于从注入转换至吸入和从吸入转换至注入的远程控制阀24。显然，受控液体入口21和液体出口22与内部结构件19液压连接。

静电放电装置8包括马达/编码器组件25、细钨丝26以及第二金属丝27，细钨丝26以环形形状放置以改善与球体表面的接触，第二金属丝27能够将细金属丝26与固定至支承装置的接线片28连接。第二金属丝27的目的是通过专用电线束执行接地。

为了获知静电放电装置8必须被使用的时间，组件1包括用于测量球体5上的静电电荷的电位计(图中未示出)。

如图6中所示，注入装置9包括马达/编码器组件29和储液器30，其中，通过马达/编码器组件29操作的活塞31能够移动。注入装置包括面向储液器30的填充阀32和液体出口33。液体出口33通过软管与液滴支承装置7的液体入口21连接。液滴应仅通过活塞31运动形成或被抽吸并且液滴体积应被控制。优选地，用于形成液滴的液体为粘度和链长度不同的硅油。

不聚合液滴的稳定性受若干因素——如表面粗糙度、静电电荷的存在、液滴与球体表面之间的温差、球体表面上的灰尘的存在——强烈影响。

在保持住液滴与球体表面之间的适当温差以及保持球体和液滴周围的环境无灰尘的限制条件方面，已经设计并实现了专用的冷却/过滤装置4。该冷却/过滤装置4包括两个相同的箱(吸气装置)34，在该箱34中插入有受控风扇、填充有在封闭回路中循环的水的冷却元件以及多孔过滤器。两个吸气装置(lungs)34通过两个密封入口管35连接至筒形隔离密封结构件3。两个密封入口管35中的每个密封入口管通过相应入口窗进入筒形隔离密封结构件3。

放在相应吸气装置34中的每个风扇产生了冲击在球体上的干燥、清洁的气体(氮气或其他惰性气体)的强制通风。气体通过穿过冷却液体流动经过的冷却元件而被冷却。气体和冷却液体不接触。冷却液体的温度可以调节成得到适当的气体冷却射流的效率。

为了防止球体因气体流量的失准，已经实现了彼此相对的两个入口窗。气体射流可以被控制以具有冲击在球体上的为零的静动量。气体流量和温度通过专用流量计和温度传感器监测。

注入至结构件中的气体通过两个相对的出口管36(在图1中仅示出一个出口管)抽吸，两个出口管36中的每个出口管通过离开每个入口窗90度放置的相应出口窗进入筒形隔离密封结构件3。每个出口管36将筒形隔离密封结构件3连接至相应吸气装置34。具体地，每个出口管36从筒形隔离密封结构件3吸入气体并且将气体排出至相应吸气装置34。

基本上，冷却/过滤装置4由两个相同管道构成，每个管道用于将冷却/过滤的气体注入筒形隔离密封结构件3并且从筒形隔离密封结构件3吸入气体。

每个入口窗具有比球体的直径更大约20mm的直径，以避免射流可能仅冲击部分球体。以这种方式，所有球体表面区段总是被均匀的气体流所覆盖。适当的分流元件已经插入管中以允许气体射流冲击到整个球体表面上。原始的装置是本发明的一部分并且对长期实验期间的主装置的修正功能来说是必要的。原始装置提供了在气体进入球体悬吊所在室之前的过滤和冷却气体的功能。通过冲击在球体表面上的气体获得冷却效果。球体实际上不被任何机械约束接触，否则会失去球体的隔离特性。

在使用时，如图2中所示，球体5通过两个锁定元件6限制在隔离密封结构件3内的所述球体5的正确位置中。

结构件内存在的空气通过经由专用阀连接至主结构件3的真空泵排空。当密封结构件3内达到不超过1mbar的剩余压力时，真空泵断开连接并且结构件3通过另一专用阀连接至填充有惰性气体的管道。结构件接着被填充惰性气体，直到达到相对于周围环境压力的200mbar的超压。此时，填充管道同样关闭并且结构件3内的压力通过专用数字压力表被监测。填充/冷却系统然后被激活以冷却和过滤气体。气体经由管道35注入结构件3并且经由管道36被抽吸以进行再次过滤和冷却。相对于周围环境压力的最小工作超压设定为50mbar。

从此种情形开始，注入装置9将硅油注入形成相应液滴的四个液滴支承装置7中的每个液滴支承装置中。优选地，所使用的硅油的特征在于5cst(mm²/s)的粘度值。当然，液滴应使用放入铜制内部结构件21中的专用加热器加热。加热器的温度应能够设定和控制。特别地，当液滴形成时，加热器开始将液滴加热至55℃至60℃。附图中未示出的监测液滴温度的传感器将有助于得知达到设定温度的时间。同时，通过冷却/过滤装置4使球体3具有比液滴的温度更低的温度。

在已证实满足热条件之后，操作者移动液滴支承装置以使液滴缓慢接近球体表面，直到建立接触为止。特别地，每个马达/编码器17使相应形成的液滴与球体表面接触。实际上，液滴显然仅接触球体表面。一旦建立了与所有液滴的接触，这些液滴就被略微挤压抵靠球体。

此时，操作者将锁定元件向后移动以释放球体，球体现在在被液滴无摩擦地支承的状态下相对于液滴自由移动。

本发明可以揭示特定用途的新型装置，该装置可以装在机载微重力平台上以进行对可能使实验结果打折扣的旋转力场敏感的实验。事实上，当围绕地球沿轨道运行时，平台提供了具有减小重力水平的环境(即，微重力环境)；然而，这样的理想条件伴随有一些有时可能严重影响研究中的实验的结果的不期望的效果。

不同于上面所描述的，液滴的数量也可以比四个更多并且以对称的方式围绕球体放置。液滴的数量越多，可以承受的球体的质量则越大。

通常，在地面上，很容易形成直径3mm至4mm的液滴。上限可以设定成直径5mm，由于重力场而导致更大的尺寸将变得不稳定。在具有减小重力水平的环境中，能够产生承受负载所必须的稳定的更大的液滴(直径为20mm或更大)，负载数量将取决于设备所预设的液滴的数量。

本发明的组件也可以解决与存在传递至实验装置的振动和存在因空间飞行的固有特性而不能消除的剩余重力矢量相关的问题。

本发明的组件的特性不仅在于能够使得球体和位于球体内的h/w(硬件)相对于施加至球体自身的任何旋转场取向，而且在于能够无摩擦地应用球，即没有因机械连接的存在(例如陀螺仪的那些机械连接)导致的任何惯性作用地应用球。例如，为了允许球体相对于轨道飞船上存在的剩余重力矢量的取向，以使质心不与球体的几何中心一致的方式将实验有效负载定位在球体内是必须且足够的。

该装置还具有提供有改进的减振器特性的空间环境的能力；液滴自身实际上是抵抗高频扰动的准完善的振动隔离器。

最后，本发明的组件提供了允许球本体相对于作用在球体自身上的力场(例如剩余重力)自由取向——即，无摩擦和物理或机械约束——的创新解决方案。

本发明涉及实现球体相对于外力场的自由取向的实验的物理组件(设备)，并且将在该组件中使用的工作参数可以通过技术人员基于特定实验解决方案而设定。该组件还提供了振动隔离器的特性。

换句话说，由于本发明的主题是物理组件，本发明的描述的示例存在于参照附图1至6的设备的优选实施方式的说明书中。由于本发明的主题并非方法而是物理设备，因此并未描述工作参数的示例。

另外，本发明的组件设计成在空间环境中使用并且描述适于地面环境的工作参数是无意义的。

Claims (12)

1.一种用于允许球体相对于外力场自由取向的组件(1)，包括：支承结构件(2)；球体(5)；两个锁定元件(6)，所述两个锁定元件从相反两侧作用在所述球体(5)上并且用于在所述组件(1)的非操作阶段期间将所述球体(5)保持在正确位置中；至少四个液滴支承装置(7)，所述至少四个液滴支承装置(7)围绕所述球体(5)对称地定位并且能够形成液滴以及将所述液滴保持在期望温度；隔离密封结构件(3)，所述隔离密封结构件(3)用于使所述支承结构件(2)、所述球体(5)、所述锁定元件(6)和所述液滴支承装置(7)与周围环境隔离并且防止灰尘沉积在所述球体的表面和四个形成的所述液滴上，并且其特征在于，还包括冷却/过滤装置(4)，所述冷却/过滤装置(4)用于将冷却气体注入所述隔离密封结构件(3)内以将所述球体保持在比所述液滴的温度低的温度；所述冷却/过滤装置(4)包括至少两个入口管(35)和至少两个出口管(36)，所述至少两个入口管(35)通过关于所述球体(5)彼此相对放置的两个相应入口窗进入所述隔离密封结构件(3)以从所述球体(5)的相反两侧注入冷却/过滤的气体，所述至少两个出口管(36)中的每个出口管通过远离所述入口窗中的每个入口窗90度放置的相应出口窗进入所述隔离密封结构件(3)；所述锁定元件(6)和所述液滴支承装置(7)包括能够使相应活塞(13，18)沿所述球体(5)的方向移动的马达/编码器组件(12，17)。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述冷却/过滤装置(4)包括至少一个冷却箱(34)，在所述至少一个冷却箱(34)中插入有受控风扇、填充有在闭合回路中循环的水的冷却元件以及多孔过滤器；每个出口管(36)和每个入口管(35)将所述冷却箱(34)与所述隔离密封结构件(3)连接。

3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于包括静电放电装置(8)，所述静电放电装置(8)能够使所述球体(5)处于与所述液滴支承装置(7)相同的静电势。

4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于包括注入装置(9)，所述注入装置(9)能够向所述四个液滴支承装置(7)供给液体。

5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述球体(5)包括螺纹连接在一起的两个半球(9a，9b)，以在内部放置负载。

6.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，每个锁定元件(6)包括马达/编码器组件(12)以及通过所述马达/编码器组件(12)操作并且包括碗形自由端(14)的活塞(13)，所述碗形自由端(14)具有比所述球体(5)的所述表面大的凹度以及多个槽以使冷却气体冷却由所述碗形自由端(14)自身覆盖的球体区域。

7.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述两个锁定元件(6)中的一个锁定元件包括围绕相应所述活塞(13)的杆缠绕的螺旋弹簧(16)。

8.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，每个液滴支承装置(7)包括马达/编码器组件(17)以及通过所述马达/编码器组件(17)操作的活塞(18)；所述活塞(18)包括在所述活塞(18)的端部中的一个端部处的铜制内部结构件(19)，所述液滴形成在所述铜制内部结构件(19)处，并且所述铜制内部结构件(19)存放有加热器和温度传感器。

9.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述球体(5)是存放有实验设备(10)和用于通信的无线电路板的实验室。

10.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述球体由铝基轻质合金制成。

11.根据权利要求10所述的组件，其特征在于，所述球体已经经过镀镍表面处理。

12.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述球体由掺有石墨的聚合物制成。