CN110471477A - 一种航天器表层形态自动变化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航天器表层形态自动变化装置，属于航空航天技术领域。该发明旨在由镍钛合金、半导体膜、大气压强传感器、温度传感器、无线电高度表、控制器组成一种航天器表层形态自动变化装置。飞行过程中随着海拔高度的上升，外部环境温度逐渐降低，航天器表面最外层的镍钛记忆合金感应到温度的变化从而发生变化，改变航天器最外层飞行形态，大气压强传感器、温度传感器、无线电高度表将相应环境监测数据传输给后台计算机计算分析数据，继而由控制器控制供电设备向合金内层的半导体膜通电，产生制冷、制热效应，合金内层温度改变，进而使外层已经发生改变的镍钛合金进一步变化，到达适合飞行的最佳状态，使航天器外表面形状有利于高空飞行。

Description

一种航天器表层形态自动变化装置

技术领域

本发明涉及一种航天器表层形态自动变化装置，属于航空航天技术领域。

背景技术

近些年，航空航天事业高速发展，航天器的飞行安全也受到外界越来越多的关注，一系列更加强有力的保障措施应运而生。航天器本身是一个高消费，高风险的存在，它的制造工艺、制造材料等都是高精尖技术支撑完成的，因此航天器形态自制造完成出厂时就已经固定不变，但在不同环境下如果航天器能够拥有不同外部形态去适应环境，飞行将会更加安全，高效，有保障。

随着科技的发展，带动了一系列新型材料的发展，记忆合金也得到快速的发展，其弯曲量大，塑性高，记忆温度下恢复以前的温度，达到某一温度时内部晶体结构改变，其表现外部形状也改变的优良特性，使得记忆合金在各个方面得到了广泛的应用。运用于航天器上使得航天器的外部形态能够根据外界环境的变化发生改变，运行安全得到保障不说，很大程度上能使资源得到有效利用，节约成本，有利于航空公司及机场的后续发展。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：由镍钛合金、半导体膜、大气压强传感器、温度传感器、无线电高度表、控制器组成一种航天器表层形态自动变化装置。飞行过程中随着海拔高度的上升，外部环境温度逐渐降低，航天器表面最外层的镍钛记忆合金感应到温度的变化从而发生变化，改变航天器最外层飞行形态，大气压强传感器、温度传感器、无线电高度表将相应环境监测数据传输给后台计算机计算分析数据，继而由控制器控制供电设备向合金内层的半导体膜通电，产生制冷、制热效应，合金内层温度改变，进而使外层已经发生改变的镍钛合金进一步变化，到达适合飞行的最佳状态，使航天器外表面形状有利于高空飞行。

本发明采用的技术方案是：一种航天器表层形态自动变化装置，其特征在于包括：镍钛合金、半导体膜、大气压强传感器、温度传感器、无线电高度表、控制器；镍钛合金位于航天器表面最外层，半导体膜位于镍钛合金内层，大气压强传感器、温度传感器位于航天器中部下端面，无线电高度表位于航天器内部，半导体膜、大气压强传感器、温度传感器、无线电高度表与控制器连接；航天器飞行过程中外部环境温度随海拔高度的上升而降低，镍钛合金随温度改变发生变化，大气压强传感器、温度传感器、无线电高度表时刻监测航天器外部飞行环境，将相应压强、温度、海拔高度的监测数据实时传送给后台计算机进行数据的分析处理，控制器控制航天器供电设备向合金内层的半导体膜通电，发生制冷、制热效应，进一步改变镍钛合金的形态，使镍钛合金达到适合飞行的最佳状态。

进一步的，本装置采用镍钛合金，位于航天器表面最外层，镍钛合金在固态时晶体结构随温度发生变化，当温度发生变化镍钛合金由复杂菱形晶体结构转变成简单的立方晶体结构时，会发生形状恢复的记忆，恢复到原有的形状，镍钛合金具备百万次以上的恢复功能，无磁性，耐磨耐蚀，无毒性，应用广泛的优点。

进一步的，本装置中半导体膜，位于最外层镍钛合金内侧，采用一个N型和P型半导体的粒子用金属连接片焊接成一个电偶对，当直流电源从N极流向P极时，上端面产生吸热现象为冷端，下端面产生放热现象为热端，上百对电偶联成热电堆，载流子流过结点，由势能变化引起能量的传递，若电流方向改变，则冷热端相互转换。

进一步的，大气压强传感器和温度传感器位于航天器中部外表面下端，大气压强传感器得到大气压强的表征信号，通过放大电路和滤波电路后进行A/D转换，控制器控制进行数据转换，最后得出压强准确值；温度传感器采用一线式数字温度传感器，采用一根信号线实现信号的双向传输，接口简单，便于维护；无线电高度表位于航天器内部，无线电高度表根据由航天器发射出的一束电波到达地面后反射回航天器所花费的时间，利用电波速度和时间计算距地面的高度。

进一步的，航天器飞行过程中海拔高度不断增加，温度逐渐降低，不同环境温度代表不同的海拔高度，镍钛合金根据航天器外部环境温度变化发生改变，得到不同海拔高度航天器所需的最佳外部形态，不同季节、不同天气、不同时段下航天器所在同一位置高度外部环境温度不同，无法根据外部环境温度变化准确改变航天器外部形态，到达最佳飞行状态，大气压强传感器、温度传感器、无线电高度表在航天器飞行过程中时刻监测航天器所处位置的压强、温度、海拔高度，并将压强、温度、海拔高度的监测数据实时传输给后台计算机进行计算分析，计算机处理数据得出，相应位置高度下镍钛合金变化达到航天器飞行状态最佳的外部形态所需的温度变化，进而发布指令指挥控制器控制供电设备向半导体膜通电，半导体膜在通电情况下发生制冷、制热效应，位于半导体膜外侧的镍钛合金感应到温度的变化，随即根据温度的变化，在镍钛合金根据外界温度进行初始自动变化的基础上进一步改变镍钛合金的形态，达到适合飞行的最佳状态。

进一步的，此种记忆合金也可用于连接两个进入外太空的航天器的卡扣，卡扣在通电的情况下保持温度恒定不变，保证记忆合金维持稳定形态不致发生形变，到达需要分离两个航天器的位置高度，控制器控制供电设备停止供电，恒温环境突然改变，记忆合金感应到温度的剧烈变化，形态发生变化，使卡扣变形脱离原来的位置，达到分离两个航天器的目的。

该装置的系统电路中所用控制器为航天器内部控制器。

该装置的系统电路中所用控制器还可以为航天器内部控制器和单片机组成，单片机和航天器内部控制器进行互联互通，单片机（6）型号为AT89C51，为了保障控制器运行，给控制器增加复位电路。复位电路有以下功能：1、XTAL1，XTAL2，相接的电路为单片机工作所必须的起震电路。2、RST相接的是单片机开关，可通过按键控制整个电路的开关。3、与P2.0，P2.1，P2.2，P2.3, P2.4相接的是NRF24L01无线收发模块，输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置实现单片与云端后台的通讯。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块。实现单片与后台计算机信息的收发。4、与P1.0相接的是大气压强传感器由弹性元件和电阻应变片组成。当弹性元件受到压力时，其表面发生应变，粘贴在弹性元件表面得电阻应变片的电阻值将随着弹性元件的应变面而相应变化，通过测量电阻应变片的阻值变化，可以用来检测航天器外部所受的打气压。5、与P1.1相接的是温度传感器，温度传感器内置热敏电阻，热敏电阻为一种特殊金属，该金属的阻值会随着温度的变化而变化，阻值变化后会引起相应的电流变化从而测量出温度值。6、与P0.0相接的是无线电高度传感器，无线电波发射器发出无线电波，无线电波经地面反射后被无线电波接收器接收，通过无线电波传输的速度和时间即可算出航天器与地面的距离。7、与P1.7相接的是电磁阀，电控阀控制半导体膜通电情况，电磁阀闭合，半导体膜通电使镍钛合金得状态发生变化。

过程描述：航天器在飞行过程中，温度传感器测量出飞行时的温度，无线电高度传感器测量出飞行高度，大气压强传感器测量出航天器所受的大气压强。传感器将所测得的数据传给控制器，控制器通过无线收发模块将数据传给计算机后台，计算机后台通过计算分析后再将信号传给控制器，控制器控制供电磁阀向合金内层的半导体膜通电，产生制冷、制热效应，合金内层温度改变，进而使外层已经发生改变的镍钛合金进一步变化，从而记忆合金到达适合飞行的最佳状态。

一种航天器表层形态自动变化装置，其控制方法如以下步骤：

步骤1：在航天器上升过程中，随着海拔高度的不断增加，航天器外部环境温度降低，位于航天器最外层的镍钛合金收温度影响发生变化。

步骤2：大气压强传感器、温度传感器、无线电高度表时刻监测航天器飞行外部环境，将相应监测数据实时传送给后台计算机进行数据的分析处理。

步骤3：控制器控制航天器供电设备向合金内层的半导体膜通电，发生制冷、制热效应，镍钛合金受温度影响形态进一步发生变化，使镍钛合金达到适合飞行的最佳状态。

本发明的工作原理是：由镍钛合金、半导体膜、大气压强传感器、温度传感器、无线电高度表、控制器组成一种航天器表层形态自动变化装置。飞行过程中随着海拔高度的上升，外部环境温度逐渐降低，航天器表面最外层的镍钛记忆合金感应到温度的变化从而发生变化，改变航天器最外层飞行形态，大气压强传感器、温度传感器、无线电高度表将相应环境监测数据传输给后台计算机计算分析数据，继而由控制器控制供电设备向合金内层的半导体膜通电，产生制冷、制热效应，合金内层温度改变，进而使外层已经发生改变的镍钛合金进一步变化，到达适合飞行的最佳状态，使航天器外表面形状有利于高空飞行。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、本装置中最外层采用镍钛合金，无磁性，耐磨耐蚀，无毒性，可重复利用率高，对临界温度的变化极度敏感；2、大气压强传感器、温度传感器、无线电高度表均为现有高效率装置，减少一定成本，单独工作，互不影响，便于定时检查和及时更换；3、现有大气压强传感器、温度传感器、无线电高度表，生产工艺优良，仪表精度高，减小因为监测数据错误发生任何飞行事故的风险；4、半导体膜与镍钛合金的直接接触，减少了连接装置，减轻装置重量，使结构更加清晰简单；5、使用半导体作为能量转换的载体，方便高效，半导体材料应用广泛，工艺纯熟，价格适中。

附图说明

图1，图2为该装置的整体结构示意图；

图3，图4为该装置中记忆合金用作卡扣的另一功能示意图；

图5为该装置的系统电路图；

图6为该装置的工作流程图。

图中各个标号为：1-镍钛合金；2-半导体膜；201-电磁阀；3-大气压强传感器；4-温度传感器；5-无线电高度表；6-单片机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

请参阅图1、图2、图3和图4，一种航天器表层形态自动变化装置，其特征在于包括：镍钛合金1、半导体膜2、大气压强传感器3、温度传感器4、无线电高度表5、控制；镍钛合金1位于航天器表面最外层，半导体膜2位于镍钛合金1内层，大气压强传感器3、温度传感器4位于航天器中部下端面，无线电高度表5位于航天器内部，半导体膜2、大气压强传感器3、温度传感器4、无线电高度表5与控制器连接；航天器飞行过程中外部环境温度随海拔高度的上升而降低，镍钛合金1随温度改变发生变化，大气压强传感器3、温度传感器4、无线电高度表5时刻监测航天器外部飞行环境，将相应压强、温度、海拔高度的监测数据实时传送给后台计算机进行数据的分析处理，控制器控制航天器供电设备向合金内层的半导体膜2通电，发生制冷、制热效应，进一步改变镍钛合金1的形态，使镍钛合金1达到适合飞行的最佳状态。

本装置采用镍钛合金1，位于航天器表面最外层，镍钛合金1在固态时晶体结构随温度发生变化，当温度发生变化镍钛合金1由复杂菱形晶体结构转变成简单的立方晶体结构时，会发生形状恢复的记忆，恢复到原有的形状，镍钛合金1具备百万次以上的恢复功能，无磁性，耐磨耐蚀，无毒性，应用广泛的优点。

本装置中半导体膜2，位于最外层镍钛合金1内侧，采用一个N型和P型半导体的粒子用金属连接片焊接成一个电偶对，当直流电源从N极流向P极时，上端面产生吸热现象为冷端，下端面产生放热现象为热端，上百对电偶联成热电堆，载流子流过结点，由势能变化引起能量的传递，若电流方向改变，则冷热端相互转换。

大气压强传感器3和温度传感器4位于航天器中部外表面下端，大气压强传感器3得到大气压强的表征信号，通过放大电路和滤波电路后进行A/D转换，控制器控制进行数据转换，最后得出压强准确值；温度传感器4采用一线式数字温度传感器，采用一根信号线实现信号的双向传输，接口简单，便于维护；无线电高度表5位于航天器内部，无线电高度表5根据由航天器发射出的一束电波到达地面后反射回航天器所花费的时间，利用电波速度和时间计算距地面的高度。

航天器飞行过程中海拔高度不断增加，温度逐渐降低，不同环境温度代表不同的海拔高度，镍钛合金1根据航天器外部环境温度变化发生改变，得到不同海拔高度航天器所需的最佳外部形态，不同季节、不同天气、不同时段下航天器所在同一位置高度外部环境温度不同，无法根据外部环境温度变化准确改变航天器外部形态，到达最佳飞行状态，大气压强传感器3、温度传感器4、无线电高度表5在航天器飞行过程中时刻监测航天器所处位置的压强、温度、海拔高度，并将压强、温度、海拔高度的监测数据实时传输给后台计算机进行计算分析，计算机处理数据得出，相应位置高度下镍钛合金1变化达到航天器飞行状态最佳的外部形态所需的温度变化，进而发布指令指挥控制器控制供电设备向半导体膜2通电，半导体膜2在通电情况下发生制冷、制热效应，位于半导体膜2外侧的镍钛合金1感应到温度的变化，随即根据温度的变化，在镍钛合金1根据外界温度进行初始自动变化的基础上进一步改变镍钛合金1的形态，达到适合飞行的最佳状态。

此种记忆合金也可用于连接两个进入外太空的航天器的卡扣，卡扣在通电的情况下保持温度恒定不变，保证记忆合金维持稳定形态不致发生形变，到达需要分离两个航天器的位置高度，控制器控制供电设备停止供电，恒温环境突然改变，记忆合金感应到温度的剧烈变化，形态发生变化，使卡扣变形脱离原来的位置，达到分离两个航天器的目的。

该装置的系统电路中所用控制器为航天器内部控制器。

请参阅图5，该装置的系统电路中所用控制器还可以为航天器内部控制器和单片机组成，单片机6其型号为AT89C51，为了保障单片机运行，给单片机增加复位电路。复位电路有以下功能：1、XTAL1，XTAL2，相接的电路为单片机工作所必须的起震电路。2、RST相接的是单片机开关，可通过按键控制整个电路的开关。3、与P2.0，P2.1，P2.2，P2.3, P2.4相接的是NRF24L01无线收发模块，输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置实现单片与云端后台的通讯。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块。实现单片与后台计算机信息的收发。4、与P1.0相接的是大气压强传感器由弹性元件和电阻应变片组成。当弹性元件受到压力时，其表面发生应变，粘贴在弹性元件表面得电阻应变片的电阻值将随着弹性元件的应变面而相应变化，通过测量电阻应变片的阻值变化，可以用来检测航天器外部所受的打气压。5、与P1.1相接的是温度传感器，温度传感器内置热敏电阻，热敏电阻为一种特殊金属，该金属的阻值会随着温度的变化而变化，阻值变化后会引起相应的电流变化从而测量出温度值。6、与P0.0相接的是无线电高度传感器，无线电波发射器发出无线电波，无线电波经地面反射后被无线电波接收器接收，通过无线电波传输的速度和时间即可算出航天器与地面的距离。7、与P1.7相接的是电磁阀，电控阀控制半导体膜通电情况，电磁阀闭合，半导体膜通电使镍钛合金得状态发生变化。

过程描述：航天器在飞行过程中，温度传感器测量出飞行时的温度，无线电高度传感器测量出飞行高度，大气压强传感器测量出航天器所受的大气压强。传感器将所测得的数据传给控制器，控制器通过无线收发模块将数据传给计算机后台，计算机后台通过计算分析后再将信号传给控制器，控制器控制供电磁阀向合金内层的半导体膜通电，产生制冷、制热效应，合金内层温度改变，进而使外层已经发生改变的镍钛合金进一步变化，从而记忆合金到达适合飞行的最佳状态。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种航天器表层形态自动变化装置，其特征在于包括：镍钛合金（1）、半导体膜（2）、大气压强传感器（3）、温度传感器（4）、无线电高度表（5）、控制器；镍钛合金（1）位于航天器表面最外层，半导体膜（2）位于镍钛合金（1）内层，大气压强传感器（3）、温度传感器（4）位于航天器中部下端面，无线电高度表（5）位于航天器内部，半导体膜（2）、大气压强传感器（3）、温度传感器（4）、无线电高度表（5）与控制器连接；航天器飞行过程中外部环境温度随海拔高度的上升而逐渐降低，镍钛合金（1）随温度改变发生变化，大气压强传感器（3）、温度传感器（4）、无线电高度表（5）时刻监测航天器外部飞行环境，将相应压强、温度、海拔高度的监测数据实时传送给后台计算机进行数据的分析处理，控制器控制航天器供电设备向合金内层的半导体膜（2）通电，发生制冷、制热效应，进一步改变镍钛合金（2）的形态，使镍钛合金（1）达到适合飞行的最佳状态。

2.根据权利要求1所述的一种航天器表层形态自动变化装置，其特征在于：本装置采用镍钛合金（1），位于航天器表面最外层，镍钛合金（1）在固态时晶体结构随温度发生变化，当温度发生变化镍钛合金（1）由复杂菱形晶体结构转变成简单的立方晶体结构时，会发生形状恢复的记忆，恢复到原有的形状，镍钛合金（1）具备百万次以上的恢复功能，无磁性，耐磨耐蚀，无毒性，应用广泛的优点。

3.根据权利要求1所述的一种航天器表层形态自动变化装置，其特征在于：本装置中采用半导体膜（2），位于最外层镍钛合金（1）内侧，采用一个N型和P型半导体的粒子用金属连接片焊接成一个电偶对，当直流电源从N极流向P极时，上端面产生吸热现象为冷端，下端面产生放热现象为热端，上百对电偶联成热电堆，载流子流过结点，由势能变化引起能量的传递，若电流方向改变，则冷热端相互转换。

4.根据权利要求1所述的一种航天器表层形态自动变化装置，其特征在于：大气压强传感器（3）和温度传感器（4）位于航天器中部外表面下端，大气压强传感器（3）得到大气压强的表征信号，通过放大电路和滤波电路后进行A/D转换，控制器控制进行数据转换，最后得出压强准确值；温度传感器（4）采用一线式数字温度传感器，采用一根信号线实现信号的双向传输，接口简单，便于维护；无线电高度表（5）位于航天器内部，无线电高度表（5）根据由航天器发射出的一束电波到达地面后反射回航天器所花费的时间，利用电波速度和时间计算距地面的高度。

5.根据权利要求1所述的一种航天器表层形态自动变化装置，其特征在于：航天器飞行过程中海拔高度不断增加，温度逐渐降低，不同环境温度代表不同的海拔高度，镍钛合金（1）根据航天器外部环境温度变化发生改变，得到不同海拔高度航天器所需的最佳外部形态，不同季节、不同天气、不同时段下航天器所在同一位置高度外部环境温度不同，无法根据外部环境温度变化准确改变航天器外部形态，到达最佳飞行状态，大气压强传感器（3）、温度传感器（4）、无线电高度表（5）在航天器飞行过程中时刻监测航天器所处位置的压强、温度、海拔高度，并将压强、温度、海拔高度的监测数据实时传输给后台计算机进行计算分析，计算机处理数据得出，相应位置高度下镍钛合金（1）变化达到航天器飞行状态最佳的外部形态所需的温度变化，进而发布指令指挥控制器控制供电设备向半导体膜（2）通电，半导体膜（2）在通电情况下发生制冷、制热效应，位于半导体膜（2）外侧的镍钛合金（1）感应到温度的变化，随即根据温度的变化，在镍钛合金（1）根据外界温度进行初始自动变化的基础上进一步改变镍钛合金（1）的形态，达到适合飞行的最佳状态。

6.根据权利要求1所述的一种航天器表层形态自动变化装置，其特征在于：此种记忆合金也可用于连接两个进入外太空的航天器的卡扣，卡扣在通电的情况下保持温度恒定不变，保证记忆合金维持稳定形态不致发生形变，到达需要分离两个航天器的位置高度，控制器控制供电设备停止供电，恒温环境突然改变，记忆合金感应到温度的剧烈变化，形态发生变化，使卡扣变形脱离原来的位置，达到分离两个航天器的目的。

7.根据权利要求1所述的一种航天器表层形态自动变化装置，其特征在于：装置的系统电路中所用控制器为航天器内部控制器。

8.根据权利要求1所述的一种航天器表层形态自动变化装置，其特征在于：该装置的系统电路中所用控制器为航天器内部控制器和单片机组成，单片机和航天器内部控制器进行互联互通，单片机（6）型号为AT89C51。