CN108242196A - 一种用于空间科学实验的微重力环境下颗粒注入机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空间科学实验的微重力环境下颗粒注入机构，机构包括：颗粒实验仓、注入颗粒仓、弹簧、推板、快门、微动开关、解锁电磁铁。注入颗粒仓在弹簧、推板和快门的作用下将注入颗粒约束在仓内，快门将颗粒实验仓上的注入孔挡住。解锁电磁铁上有衔铁和线圈，解锁时解锁电磁铁的线圈接通电流产生与衔铁磁场相反的磁场，使铁芯在弹簧的作用下弹出，端部的销钉推动快门绕其轴转动，使注入孔打开，注入颗粒在弹簧、推板的推动下注入颗粒实验仓。颗粒全部注入后，推板在弹簧的作用下将注入孔挡住，颗粒实验仓可进行后续实验。本机构能承受运输、发射过程中振动和冲击，完成空间科学实验，在颗粒注入前后均能保持颗粒实验仓的封闭状态。

Description

一种用于空间科学实验的微重力环境下颗粒注入机构

技术领域

本发明属于太空科学实验技术领域，也可以用于自动化技术领域，特别涉及一种应用于空间科学实验装置的微重力环境下颗粒注入技术。

背景技术

利用卫星提供的微重力环境进行颗粒运动行为的实验具有在地面无法模拟的优势，因此成为物理前沿学科—颗粒介质物理学所研究的重要内容。在空间环境下，颗粒不会因重力的作用沉积在一起，并可进行不间断的长时间实验。

进行空间实验所用的颗粒放置于颗粒实验仓内，一项实验的内容是在空间实验的末期，需要往颗粒实验仓内注入一定数量的另一种颗粒，以观察两种颗粒混合后发生的物理现象。

为实现上述的实验要求，需要设计一套机构完成在轨颗粒的注入，注入后需要保持颗粒实验仓的封闭，使颗粒不能逃逸出颗粒实验仓，同时可显示颗粒已经注入的状态。

发明内容

基于空间颗粒运动实验的需求，本发明研制了一套颗粒注入的机构，实现注入颗粒的约束排列，能承受运输、发射过程中振动和冲击，并在空间环境下将颗粒注入到颗粒实验仓内。注入后保持颗粒实验仓的封闭，并显示颗粒已经注入的状态。

本发明提供了一种用于空间科学实验的颗粒注入机构，包括颗粒实验仓100、注入颗粒仓200、弹簧300、推板400、注入颗粒500、快门600、微动开关700、解锁电磁铁800。

所述的颗粒实验仓100为空间颗粒物质实验的容器。其上部开有颗粒注入孔101。在颗粒注入之前，注入孔101被快门600挡住；颗粒注入之后，注入孔101被推板400挡住。

所述的注入颗粒仓200包括仓体202和仓盖203，两者之间用螺纹连接，用螺钉201固定在颗粒实验仓100上部，使仓体202的下孔对准颗粒注入孔101。

所述的快门600通过轴603、轴固定块602、轴固定螺钉601、沉头螺钉604固定在颗粒实验仓100的上部。快门600可绕轴603在一定角度范围内转动。

所述的微动开关700用螺钉702安装于微动开关架701上，并整体安装在颗粒实验仓100的上部。微动开关700上的触点对准解锁电磁铁800上的弹簧定位挡圈801的中心。

所述的解锁电磁铁800包括：弹簧定位挡圈801、销钉802、弹簧803、压盖804、导磁环805、衔铁806、绕线筒807、线圈808、铁芯809、外壳810、沉头螺钉811。外壳810为方形壳体，底面4个角上有4个螺纹孔，上端面4个角上也有4个螺纹孔并且其中一边上设计一方槽型缺口用于布置电线，中间腔体为立方体型。绕线筒807为一阶梯轴，两端面圆孔贯通，大直径轴上为一环形槽。线圈808绕在绕线筒807的环形槽中。导磁环805为带通孔的方块，穿在绕线筒807小直径轴上。带线圈808和导磁环805的绕线筒807置于外壳810中，绕线筒807的大直径端面贴在外壳810腔内底面上，小直径端面不高于外壳610上端面。衔铁806为圆饼状，置于外壳810与导磁环805之间，共4个，4个衔铁806的磁场统一沿绕线筒807径向向外或向内。铁芯809为阶梯轴，上端小直径轴上靠端面处有一贯通直径的螺纹孔；大直径上从与小直径轴连接的端面开始削出两块对称的平面，此处的横截面为两段平行线段与两端圆弧；下端小直径处从外壳810下端面中心的圆孔中穿出。铁芯809置于绕线筒807的通孔中，并通过磁场将其大直径端面吸附在外壳810腔内底面。端盖804采用沉头螺钉过其4个角上的通孔固定于外壳810的上端面，端盖804为一方形薄板，中间有圆形凸台，凸台上端面有环形槽，凸台中间为一通槽，通槽形状为两段线段与两段圆弧，铁芯809穿在通槽中间。弹簧定位挡圈801为圆饼状，两端面圆孔贯穿，一端面上有环形槽，两端面中间的圆柱面上有一贯穿直径的通孔，弹簧定位挡圈801穿在铁芯809上，通过一带螺纹的销钉802固定，其环形槽端面与端盖804相对。弹簧803一端置于弹簧定位挡圈801的环形槽中，一端置于端盖804凸台上的环形槽中，并且始终处于压缩状态。

所述的颗粒实验仓100、注入颗粒仓200、弹簧300、推板400、注入颗粒500、快门600、微动开关700、解锁电磁铁800之间的连接关系为：颗粒实验仓100为总的安装支撑平台；注入颗粒仓200通过螺钉201安装于颗粒实验仓100的上部。弹簧300、推板400、注入颗粒500依次放置于注入颗粒仓200的仓体202内，注入颗粒500依靠快门600托住，旋上仓盖203使得弹簧300压缩，产生预紧力。快门600通过轴603、轴固定块602、轴固定螺钉601、沉头螺钉604固定在颗粒实验仓100的上部，快门600前端的圆形部分挡住颗粒注入孔101，并托住注入颗粒500；快门600后端开有一个腰型槽605，解锁电磁铁800的销钉802末端插在腰型槽605中。微动开关700用螺钉702安装在微动开关架701上，并整体安装在颗粒实验仓100的上部。解锁电磁铁800用沉头螺钉安装在电磁铁支架812上，并通过螺钉811整体安装在颗粒实验仓100的上部。

所述的颗粒注入机构安装连接好的初始状态为：解锁电磁铁800的铁芯809由于衔铁806的磁场作用被吸附在外壳810腔体底面，销钉802末端插入在快门600后端腰型槽中，恰好使得快门600前端的圆形部分挡住颗粒注入孔101，并托住注入颗粒500；弹簧300、推板400、注入颗粒500置于注入颗粒仓200的仓体202内，仓盖203旋紧使得弹簧300压缩，产生预紧力；同时解锁电磁铁800的弹簧803也处于最大压缩状态。

所述的颗粒注入机构的释放过程为：解锁电磁铁800通电，铁芯809在弹簧803的作用下弹出，使固定在其上的销钉802推动快门600绕轴603转动，快门600前端的圆形部分转过颗粒注入孔101，使注入颗粒500失去支撑，在弹簧300和推板400的推动下注入到颗粒实验仓100内部，推板400随后盖在颗粒注入孔101上实现颗粒实验仓100的封闭，完成整个颗粒注入过程；同时解锁电磁铁800上的弹簧定位挡圈801接触到微动开关700的触点，微动开关700闭合，显示颗粒已注入的状态。

本发明的优点是：

1该颗粒注入机构满足在轨资源约束条件下的空间颗粒运动实验任务的需求，能承受运输、发射过程中振动和冲击，完成空间科学实验。

2该颗粒注入机构在颗粒注入前后均能保持颗粒实验仓的封闭状态，使颗粒不能逃逸出颗粒实验仓。

3该颗粒注入机构可以显示颗粒已经注入的状态。

4该颗粒注入机构解锁电磁铁的衔铁沿铁芯圆周方向均匀布置，衔铁的磁场可相互叠加，提高了磁场强度。

该颗粒注入机构的解锁电磁铁采用通电削弱抵消衔铁磁场并利用压缩弹簧推动铁芯移动的工作方式，比通电产生磁场吸附铁芯移动的方式，作用力初值大，行程更长。

附图说明

图1为本发明的颗粒注入机构的结构形状及组成图。

图2为本发明的颗粒注入机构的三维爆炸示意图。

图3为本发明的颗粒注入机构初始状态及颗粒注入后状态的结构形状图(移除注入颗粒仓200、弹簧300、推板400、注入颗粒500)，图a为机构初始状态，图b为颗粒注入后状态。

图4为本发明的颗粒注入机构的解锁电磁铁形状及组成图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，并对照附图对本发明作进一步详细说明，系统构成的具体实现见图1、图2、图3、图4。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

颗粒实验仓100上部开有颗粒注入孔101；另开有一个方形槽，槽内开有4个螺孔和1个圆孔，用于固定快门600组件，颗粒实验仓100上部的结构使快门600前端的圆形部分在初始状态能遮盖颗粒注入孔101，颗粒注入时快门600转动一定角度，使颗粒注入孔101完全打开；颗粒实验仓100上部还开有6个螺孔，分别用于固定注入颗粒仓200、微动开关700组件、解锁电磁铁800组件。颗粒实验仓100的外形尺寸为110mm×35mm×65mm。

注入颗粒仓200的仓体202为中空的圆柱形结构，底部有法兰边，上有3个通孔用以通过螺钉与颗粒实验仓100上部连接；仓体202的上部有螺纹，用以和仓盖203连接。仓体202和仓盖203均采用铝合金材料。

弹簧300为圆柱螺旋压缩弹簧，一端置于推板400上端的槽内，并与推板400用硅橡胶粘接，形成一个整体；另一端为自由端，放入注入颗粒仓200后用仓盖203压住。弹簧300在颗粒注入之前始终处于压缩的状态。本发明实施例中弹簧300采用1Cr18Ni9Ti制作，弹簧自由长度为28mm，弹簧丝直径1mm，刚度系数k＝0.42N/mm，初始状态的弹簧力为0N，末端位置的弹簧力为5N。

推板400为一个圆形薄板，用铝合金材料制成。上端开有圆槽，用于和弹簧300连接；下端是直径15.6mm的凸台，颗粒注入后在弹簧300的推动下盖住颗粒注入孔101。

注入颗粒500为钛合金材料，数量200颗，直径2.5mm。

快门组件由快门600、轴固定螺钉601、轴固定块602、轴603、沉头螺钉604组成。快门600为薄片形结构，采用1Cr18Ni9Ti制作，中间开有轴孔；前端为圆形，在初始状态用于托住注入颗粒500，并封住颗粒注入孔101；后端开有一个腰型槽，用以插入解锁电磁铁800的销钉802末端，快门600可在销钉802的推动下绕轴603转动，实现颗粒注入。快门600通过轴孔串在轴603上，并用轴固定螺钉601固定，固定后仅限制快门600的平动，不限制其绕轴转动。轴固定块602通过沉头螺钉604将快门600、轴固定螺钉601和轴603组成的整体固定在颗粒实验仓100上部。本发明实施例中轴固定块602、轴603均采用铝合金制作。

微动开关700采用WWK-2F，上有一个圆柱形触点，触点被压下时开关导通。微动开关700用螺钉702安装在微动开关架701上，螺钉811将整体安装在颗粒实验仓100上部。当颗粒被注入时，解锁电磁铁800的铁芯809弹出，其前端的弹簧定位挡圈801正好压下微动开关700的触点，开关导通，显示颗粒被注入的状态。本发明实施例中微动开关架701采用铝合金制作。

解锁电磁铁800包括：弹簧定位挡圈801、销钉802、弹簧803、压盖804、导磁环805、衔铁806、绕线筒807、线圈808、铁芯809、外壳810、沉头螺钉811。外壳810为方形壳体，底面4个角上有4个螺纹孔，上端面4个角上也有4个螺纹孔并且其中一边上设计一方槽型缺口用于布置电线，中间腔体为立方体型。绕线筒807为一阶梯轴，两端面圆孔贯通，大直径轴上为一环形槽。线圈808绕在绕线筒807的环形槽中。导磁环805为带通孔的方块，穿在绕线筒807小直径轴上。带线圈808和导磁环805的绕线筒807置于外壳810中，绕线筒807的大直径端面贴在外壳810腔内底面上，小直径端面不得高于的外壳610上端面。衔铁806为圆饼状，置于外壳810与导磁环805之间，共4个，4个衔铁806的磁场统一沿绕线筒807径向向外或向内。铁芯809为阶梯轴，上端小直径轴上靠端面处有一贯通直径的螺纹孔；大直径轴上从与小直径轴连接的端面开始削出两块对称的平面，此处的横截面为两段平行线段与两段圆弧；下端小直径轴从外壳810下端面中心的圆孔中穿出。铁芯809置于绕线筒807的通孔中，并通过磁场将其大直径端面吸附在外壳810腔内底面。端盖804采用沉头螺钉过其4个角上的通孔固定于外壳810的上端面，端盖804为一方形薄板，中间有圆形凸台，凸台上端面有环形槽，凸台中间为一通槽，通槽形状为两段线段与两段圆弧，铁芯809穿在通槽中间。弹簧定位挡圈801为圆饼状，两端面圆孔贯穿，一端面上有环形槽，两端面中间的圆柱面上有一贯穿直径的通孔，弹簧定位挡圈801穿在铁芯809上，通过一带螺纹的销钉802固定，其环形槽端面与端盖804相对。弹簧803一端置于弹簧定位挡圈801的环形槽中，一端置于端盖804凸台上的环形槽中，并且始终处于压缩状态。解锁电磁铁800用沉头螺钉安装在电磁铁支架812上，螺钉811将整体安装在颗粒实验仓100上部，电磁铁支架812采用铝合金制作。

本发明实施例中导磁环805、压盖804、铁芯809、外壳810均采用电工纯铁制作，表面镀镍。绕线筒807采用聚酰亚胺材料。衔铁806为直径8mm，高度3mm的铷铁硼磁铁，表面磁感应强度为0.3特斯拉。线圈808的设计要求满足电压为12V，通电电流不大于1A，线圈采用直径为0.25mm的漆包线，绕线匝数为755匝，电阻12.6欧姆。在试验中无弹簧作用的情况下，通电后铁芯809能弹出，可保证铁芯所受的推力大于弹簧的弹力。弹簧采用1Cr18Ni9Ti制作，自由长度为19mm，弹簧丝直径1mm，刚度系数k＝2.22N/mm，初始状态的弹簧力为20N，铁芯809行程为3mm，末端位置的弹簧力为13.3N。弹簧定位挡圈801采用尼龙材料制作，销钉802采用1Cr18Ni9Ti制作。

颗粒注入过程：

初始状态如图3(a)所示，快门600处于与颗粒实验仓100长边平行的位置，快门600前端的圆形部分托住在注入颗粒仓200内部的注入颗粒500，推板400置于注入颗粒500的上方，弹簧300在仓盖203旋紧后压住推板，压力为5N，弹簧300的压缩量为12mm。解锁电磁铁800的铁芯809由于磁场的作用被吸附住，销钉802的末端插在快门600后端的腰型孔中。

颗粒注入时，解锁电磁铁800通电，通电线圈磁场抵消掉衔铁806的磁场，铁芯809及其上的销钉802在弹簧803的作用下向前运动3mm，在销钉802的推动下，快门600绕其轴603逆时针转动约31°，使得颗粒实验仓100上部的颗粒注入孔101被打开，注入颗粒500下部失去支撑，在弹簧300的作用下注入颗粒实验仓100内。颗粒注入后，推板400在弹簧300的作用下盖住颗粒注入孔101，保持颗粒实验仓100的封闭状态。与此同时，解锁电磁铁800的弹簧定位挡圈801正好压下微动开关700的触点，开关导通，显示颗粒被注入的状态。颗粒注入后状态如图3(b)所示。

Claims (7)

1.一种用于空间科学实验的微重力环境下颗粒注入机构，特征在于：

所述的颗粒注入机构包括：

为注入颗粒仓(200)、弹簧(300)、推板(400)、注入颗粒(500)、快门(600)、微动开关(700)、解锁电磁铁(800)提供安装支撑平台的颗粒实验仓(100)；

容纳弹簧(300)、推板(400)和注入颗粒(500)的注入颗粒仓(200)；

为颗粒注入提供动力的弹簧(300)；

将颗粒推入颗粒实验仓(100)，推入后将注入孔(101)封住的推板(400)；

科学实验对象用的注入颗粒(500)；

阻挡和释放注入颗粒(500)的快门(600)；

提供颗粒已注入状态的微动开关(700)；

通电状态下释放压缩弹簧，推动快门(600)完成颗粒注入的解锁电磁铁(800)；

所述的颗粒实验仓(100)为总的安装支撑平台；注入颗粒仓(200)通过螺钉(201)安装于颗粒实验仓(100)的上部，弹簧(300)、推板(400)、注入颗粒(500)依次放置于注入颗粒仓(200)的仓体(202)内，注入颗粒(500)依靠快门(600)托住，旋上仓盖(203)使得弹簧(300)压缩，产生预紧力；快门(600)通过轴(603)、轴固定块(602)、轴固定螺钉(601)、沉头螺钉(604)固定在颗粒实验仓(100)的上部，快门(600)前端的圆形部分挡住颗粒注入孔(101)，并托住注入颗粒(500)；快门(600)后端开有一个腰型槽(605)，解锁电磁铁(800)的销钉(802)末端插在腰型槽(605)中；微动开关(700)用螺钉(702)安装在微动开关架(701)上，并整体安装在颗粒实验仓(100)的上部；解锁电磁铁(800)用沉头螺钉安装在电磁铁支架(812)上，并通过螺钉(811)整体安装在颗粒实验仓(100)的上部；

所述的颗粒注入机构安装连接好的初始状态为：解锁电磁铁(800)的铁芯(809)由于衔铁(806)的磁场作用被吸附在外壳(810)腔体底面，销钉(802)末端插入在快门(600)后端腰型槽中，恰好使得快门(600)前端的圆形部分挡住颗粒注入孔(101)，并托住注入颗粒(500)；弹簧(300)、推板(400)、注入颗粒(500)置于注入颗粒仓(200)的仓体(202)内，仓盖(203)旋紧使得弹簧(300)压缩，产生预紧力，同时解锁电磁铁(800)的弹簧(803)也处于最大压缩状态；

所述的颗粒注入机构的释放过程为：解锁电磁铁(800)通电，铁芯(809)在弹簧(803)的作用下弹出，使固定在其上的销钉(802)推动快门(600)绕轴(603)转动，快门(600)前端的圆形部分转过颗粒注入孔(101)，使注入颗粒(500)失去支撑，注入颗粒(500)在弹簧(300)和推板(400)的推动下注入到颗粒实验仓(100)内部，推板(400)随后盖在颗粒注入孔(101)上，实现颗粒实验仓(100)的封闭，完成整个颗粒注入过程；同时，解锁电磁铁(800)上的弹簧定位挡圈(801)接触到微动开关(700)的触点，微动开关(700)闭合，显示颗粒已注入的状态。

2.根据权利要求1所述的一种应用于空间科学实验的微重力环境下颗粒注入机构，其特征在于：

所述的颗粒实验仓(100)为空间颗粒物质实验的容器，其上部开有颗粒注入孔(101)，在颗粒注入之前，注入孔(101)被快门(600)挡住；颗粒注入之后，注入孔(101)被推板(400)挡住。

3.根据权利要求1所述的一种应用于空间科学实验的微重力环境下颗粒注入机构，其特征在于：

所述的注入颗粒仓(200)包括仓体(202)和仓盖(203)，两者之间用螺纹连接，用螺钉(201)固定在颗粒实验仓(100)上部，使仓体(202)的下孔对准颗粒注入孔(101)；在颗粒未被注入前，快门(600)前端的圆形部分挡住颗粒注入孔(101)，可将注入颗粒(500)放置在仓体(202)内，下端因有快门(600)挡住而不会落入颗粒实验仓(100)内；放入颗粒后，可将两者之间用硅橡胶粘接的弹簧(300)和推板(400)的组合体放入，再将仓盖(203)旋在仓体(202)上，仓盖(203)旋转到位后弹簧(300)处于压缩的状态。

4.根据权利要求1所述的一种应用于空间科学实验的微重力环境下颗粒注入机构，其特征在于：

所述的快门(600)通过轴(603)、轴固定块(602)、轴固定螺钉(601)、沉头螺钉(604)固定在颗粒实验仓(100)的上部；快门(600)可绕轴(603)在一定角度范围内转动；在颗粒注入前，快门(600)前端的圆形部分挡住颗粒注入孔(101)，使注入颗粒(500)不会落入颗粒实验仓(100)；颗粒注入时，快门在销钉(802)的驱动下转过一定角度，打开颗粒注入孔(101)，使注入颗粒(500)在弹簧(300)的驱动下全部进入颗粒实验仓(100)内。

5.根据权利要求1所述的一种应用于空间科学实验的微重力环境下颗粒注入机构，其特征在于：

所述的微动开关(700)用螺钉(702)安装于微动开关架(701)上，并整体安装在颗粒实验仓(100)的上部；微动开关(700)上的触点对准解锁电磁铁(800)上的弹簧定位挡圈(801)的中心。解锁电磁铁(800)在通电状态下释放压缩弹簧(803)，使弹簧定位挡圈(801)接触微动开关的触点，微动开关(700)闭合，显示颗粒已注入的状态。

6.根据权利要求1所述的一种应用于空间科学实验的微重力环境下颗粒注入机构，其特征在于：

所述的解锁电磁铁(800)包括：弹簧定位挡圈(801)、销钉(802)、弹簧(803)、压盖(804)、导磁环(805)、衔铁(806)、绕线筒(807)、线圈(808)、铁芯(809)、外壳(810)、沉头螺钉(811)；外壳(810)为方形壳体，底面4个角上有4个螺纹孔，上端面上有一方槽型缺口用于布置电线，4个角上有4个螺纹孔；绕线筒(807)为一阶梯轴，两端面圆孔贯通，大直径轴上为一环形槽；线圈(808)绕在绕线筒(807)的环形槽中，导磁环(805)为带通孔的方块，穿在绕线筒(807)小直径轴上，带线圈(808)和导磁环(805)的绕线筒(807)置于外壳(810)中，绕线筒(807)的大直径端面贴在外壳(810)腔内底面上，小直径端面不得高于的外壳(610)上端面；衔铁(806)为圆饼状，置于外壳(810)与导磁环(805)之间，共4个，4个衔铁(806)的磁场统一沿绕线筒(807)径向向外或向内；铁芯(809)为阶梯轴，上端小直径轴上靠端面处有一贯通直径的螺纹孔；大直径上从与小直径轴连接的端面开始削出两块对称的平面，此处的横截面为两段平行线段与两端圆弧；下端小直径处从外壳(810)下端面中心的圆孔中穿出；铁芯(809)置于绕线筒(807)的通孔中，并通过磁场将其大直径端面吸附在外壳(810)腔内底面；端盖(804)采用沉头螺钉过其4个角上的通孔固定于外壳(810)的上端面，端盖(804)为一方形薄板，中间有圆形凸台，凸台上端面有环形槽，凸台中间为一通槽，通槽形状为两段线段与两段圆弧，铁芯(809)穿在通槽中间；弹簧定位挡圈(801)为圆饼状，两端面圆孔贯穿，一端面上有环形槽，两端面中间的圆柱面上有一贯穿直径的通孔，弹簧定位挡圈(801)穿在铁芯(809)上，通过一带螺纹的销钉(802)固定，其环形槽端面与端盖(804)相对；弹簧(803)一端置于弹簧定位挡圈(801)的环形槽中，一端置于端盖(804)凸台上的环形槽中，并且始终处于压缩状态。

7.根据权利要求6所述的一种应用于空间科学实验的微重力环境下颗粒注入机构，其特征在于，所述的的绕线筒(807)材料采用具有自润滑性能的聚酰亚胺。