CN110963076B - 工质可循环利用的月基高压气体抛射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工质可循环利用的工质可循环利用的月基高压气体抛射装置，主要包括工质储箱、活塞、纵长的发射管、电磁阀门、限位栓，其中工质储箱与发射管通过螺纹连接且工质储箱上设置有进气口，活塞圆周上设置有欧圈槽用于安装密封欧圈，活塞外侧设置圆柱形凸起用于固定抛射物体；电磁阀门位于靠近活塞的发射管头部，限位栓位于远离活塞的发射管尾部，限位栓与发射管之间设置有弹簧。本发明具有结构简单、成本低、抛射效率高、重量轻、安全无污染等特点，可在月面资源有限的条件下大幅提高抛射装置的效费比，具有明显的工程应用价值。

Description

工质可循环利用的月基高压气体抛射装置
技术领域
本发明属于月基探测中的高压气体发射技术领域，具体而言，本发明涉及一种工质可循环利用的月基高压气体抛射装置。
背景技术
月面环境恶劣，地形地貌复杂，未知因素多，采用无人探测器作为航天员探测的辅助手段，可有效扩大探测范围，提高探测效益。月球表面近似为真空环境且重力加速度约为1/6地球重力加速度，通过抛射方式远距离传送无人探侧器，航天员可以快速对周边探测区域进行远距离探查，是扩展航天员在月面工作能力和探查范围的有效探测手段。月基抛射装置的根本需要是将无人探测器根据航天员设定的抛射仰角、方位角和所需的初始速度抛射出去，且能够适应月面复杂的工作环境。此外，还要求月基抛射装置可以在月面低成本快速重复使用，并携带多个月面抛射的无人探测器。
月基抛射装置首先需要被运送到月面上去，所以需要月基抛射装置具备体积小、重量轻、可模块化组装、可月面移动运输等功能。目前，国内外高压气体发射装置多针对陆基高速发射试验系统开展，系统组成主要包括高压气室或火药室、泵管、高压段、发射管等。发射时，由控制系统释放高压气体或者点燃火药，借助高压气体或火药爆炸的能量推动泵管内的活塞，活塞压缩泵管中的轻质气体，产生极高气压，从而冲破泵管与发射管之间的膜片，推动发射管中的弹丸达到需求速度。其中高压气室选择的能量源多为氮气、火药室则选择火药，均不可循环利用。由上可知，目前尚不存在工质可循环利用的月基抛射装置。
因此，为了实现月面无人探测器的高效发射，有必要开发一种工质可循环利用的月基高压气体抛射装置。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种工质可循环利用的月基高压气体抛射装置。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案予以实现：
本发明的工质可循环利用的月基高压气体抛射装置，主要包括工质储箱、活塞、纵长的发射管、电磁阀门、限位栓，其中工质储箱与发射管通过螺纹连接且工质储箱上设置有进气口，活塞圆周上设置有欧圈槽用于安装密封欧圈，活塞外侧设置圆柱形凸起用于固定抛射物体；电磁阀门位于靠近活塞的发射管头部，限位栓位于远离活塞的发射管尾部，限位栓与发射管之间设置有弹簧。
进一步地，工质储箱主要是用来储存气体工质，活塞一侧密封工质气体，保证气体的循环利用，另一侧作为弹托，对抛射物体起到固定与加速作用。
其中，电磁阀门和限位栓分别用于抛射装置发射过程的启动和制动，电磁阀门用于释放活塞，使活塞与抛射装置在气体工质的高压作用下加速运动，限位栓用于阻挡运动活塞，运动活塞受阻挡后，抛射装置与活塞的圆柱形凸起分离并被抛射出去。
进一步地，弹簧缓冲活塞的减速过程。
进一步地，活塞选用适用于高低温环境的轻质材料，选择碳/碳化硅复合材料；
其中，密封欧圈选择耐低温硅橡胶。
其中，工质储箱在月面-190℃到150℃范围内应用，材质为低温钢。
进一步地，低温钢包括洛镍钢0Cr18Ni10Ti、06Ni9DR。
其中，工质气体包括CO2、甲烷、N2。
本发明月基高压气体抛射装置，利用高压气体进行发射，合理利用月球表面昼夜环境温度差异，选用恰当的工质气体，通过气体在高温环境的下的膨胀推动物体发射，同时利用气体低温下的液化收缩，从而实现工质的循环利用。本发明的月基高压气体抛射装置具有结构简单、成本低、抛射效率高、重量轻、安全无污染等特点，可在月面资源有限的条件下大幅提高抛射装置的效费比，具有明显的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明一实施方式的工质可循环利用的月基高压气体抛射装置的结构示意图；
其中，1为工质储箱；2为活塞；3为发射管；4为电磁阀门；5为限位栓；6为进气口；7为圆柱形凸起；8为抛射物体，9为欧圈槽。
图2为本发明一实施方式的工质可循环利用的月基高压气体抛射装置功能实现过程的示意图。
图3为本发明一实施方式的工质可循环利用的月基高压气体抛射装置在抛射出物体时，出口速度随炮管长度变化计算图。
具体实施方式
以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。
本发明的工质可循环利用的月基高压气体抛射装置的结构示意图如图1所示，该装置主要包括低温钢0Cr18Ni10Ti的工质储箱1、碳/碳化硅复合材料制成的活塞2、纵长的发射管3、电磁阀门4、限位栓5，其中工质储箱1与发射管3通过螺纹连接且工质储箱1上设置有进气口6，活塞1圆周上设置有欧圈槽9用于安装密封欧圈，活塞外侧设置圆柱形凸起7用于固定作为抛射物体8的探测器；电磁阀门4位于靠近活塞2的发射管3头部，限位栓5位于远离活塞2的发射管3尾部，限位栓5与发射管3之间设置有弹簧。
利用本发明的装置发射抛射物体的基本过程如下：
装置在月球受到阳光照射时，工质储箱中的工质因环境温度升高而发生气化，电磁阀门的控制下活塞固定，气室内的压强逐渐升高，当压强达到预设值时，打开电磁阀门，活塞快速释放，活塞在高压气体的推动下和探测器一起在发射管内作加速运动。当活塞被限位栓拦截时，抛射物与活塞分离，活塞会留在炮管内，而抛射物会以一定的设计速度抛射出去。将发射装置移到月球阴面后，周围的环境温度很低，装置内的气体工质降温后将转变成液体或者固体，装置内的压力下降，活塞在自重作用下自动降回原位，然后再关闭电磁阀门，以保证下一次的正常使用，从而来实现可循环利用。
本发明气体工质可以在月球上循环利用，且不需要额外的加热就可以自动循环。这就要求工质在将抛射装置移到月球阳光照射到的阳面时能够气化，使工质储箱内的压力达到发射所需要的压力，进而可以进行抛射。发射后将装置移至阳光照射不到的阴暗处，安装抛射物后，工质在低温下转成液态或固态，以便于下一次气化后发射。二氧化碳很容易形成气体气化膨胀和气体液化压缩。且二氧化碳是人员排泄产物之一，也可以通过月面岩石加热直接获取。故二氧化碳也可以作为高压气体工质。
本发明通过建立简化模型来对抛射的整个物理过程进行理论分析（图2），抛射物的发射速度主要跟工质储箱的容积、炮管的截面积和炮管的长度有关。计算二氧化碳为工质时炮管发射出口速度与炮管长度之间的关系如图3所示。
本发明抛射角取为45°，储箱内的工质质量为1kg，发射管的截面半径为12.5cm，发射速度超过130m/s，当抛射物的质量为11kg（包括了活塞和探测质量），月球抛射距离不小于10km。
本发明工质储箱内径25cm和壁厚5mm 。由于储箱需要在月面-190℃到150℃范围内应用，故选择低温钢，主要有:洛镍钢0Cr18Ni10Ti、06Ni9DR，具有较高的抗晶间腐蚀能力，可在-196℃到150℃范围长期应用。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.工质可循环利用的月基高压气体抛射装置，主要包括工质储箱、活塞、纵长的发射管、电磁阀门、限位栓，其中，工质储箱与发射管通过螺纹连接且工质储箱上设置有进气口，活塞圆周上设置有欧圈槽用于安装密封欧圈，活塞外侧设置圆柱形凸起用于固定抛射物体；电磁阀门位于靠近活塞的发射管头部，限位栓位于远离活塞的发射管尾部，限位栓与发射管之间设置有弹簧，其中，工质储箱在月面-190℃到150℃范围内应用，材质为低温钢，工质气体由CO2、甲烷和N2组成。
2.如权利要求1所述的抛射装置，其中，工质储箱主要是用来储存工质气体，活塞一侧密封工质气体，保证气体的循环利用，另一侧作为弹托，对抛射物体起到固定与加速作用。
3.如权利要求1所述的抛射装置，其中，电磁阀门和限位栓分别用于抛射物体发射过程的启动和制动，电磁阀门用于释放活塞，使活塞与抛射物体在工质气体的高压作用下加速运动，限位栓用于阻挡运动活塞，运动活塞受阻挡后，抛射物体与活塞的圆柱形凸起分离并被抛射出去。
4.如权利要求1所述的抛射装置，其中，弹簧缓冲活塞的减速过程。
5.如权利要求1-4任一项所述的抛射装置，其中，活塞选用适用于高低温环境的轻质材料。
6.如权利要求5所述的抛射装置，其中，所述轻质材料为碳材料或碳/碳化硅复合材料。
7.如权利要求1-4任一项所述的抛射装置，其中，密封欧圈为耐低温硅橡胶。
8.如权利要求1-4任一项所述的抛射装置，其中，低温钢为铬镍钢0Cr18Ni10Ti或06Ni9DR。
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