CN111145941A - 切割电离层获得电流的绳系电缆机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种切割电离层获得电流的绳系电缆机构，该绳系电缆机构中的电缆包括导电芯材和绝缘外皮，其中导电芯材是由碳基芯材和/或金属芯材并列排列或绞合而成。本发明的切割电离层获得电流的绳系电缆机构，可以实现在电离层中通过运动切割电离层，为空间设备空间供电，甚至用来发射无线电信号，具有良好的柔性、力学性能和空间性能，且拉伸强度和模量较高，不易断裂。

Description

切割电离层获得电流的绳系电缆机构
技术领域
本发明涉及电缆制造技术领域，特别涉及一种切割电离层获得电流的绳系电缆机构。
背景技术
当前空间探测和空间科学正处于飞速发展的时代，载人登月、火星任务、民营航天等领域都在蓬勃发展中。然而电池能量密度进步缓慢，严重制约了空间设备的重量和体积，以及空间设备的供能。传统上采用太阳能电池板、电池或核电池对空间设备进行供电，然而太阳能电池板需要受到空间载荷整体体积重量的影响，且在地影区难以保证供电；电池所能供给的能源是有限的，使用完毕后不可再生；核电池虽然使用寿命长，但是体积重量和技术难度都非常高，且存在核污染的可能。因此，空间技术中对于能源的来源技术需求急迫。
电离层(Ionosphere)是地球大气的一个电离区域。这个区域中的大气受太阳高能辐射以及宇宙线的激励而产生部分电离或全部电离。电离层中存在相当多的自由电子和离子，可以将整个电离层看做一个环绕地球的磁场。根据电磁感应原理，闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动的时候，导体中的电子会收到洛伦兹力，进而引起电势差，从而产生电流。可以采用绳系在电离层进行切割磁感线供电，然而现有的绳系由同轴的多个不同材料组成的层组成，重量大，且整体呈现半刚性状态，非常容易在撒放和供电的过程中出现断裂。
发明内容
本发明的目的是为解决以上问题，本发明提供一种切割电离层获得电流的绳系电缆机构。
一种切割电离层获得电流的绳系电缆机构，该绳系电缆机构中的电缆包括导电芯材和绝缘外皮，其中导电芯材是由碳基芯材和/或金属芯材并列排列或绞合而成。
其中，碳基芯材为碳纳米管纤维、碳纤维或石墨烯纤维中的一种或多种；金属芯材为铜线材、铜合金线材、铝线材、铝合金线材、银线材、银合金线材、铁线材、钢线材、镍线材或镍合金线材中的一种或多种。
其中，碳基芯材为碳纳米管纤维、碳纤维或石墨烯纤维的一种、两种或三种；金属芯材为铜线材、铜合金线材、铝线材、铝合金线材、银线材、银合金线材、铁线材、钢线材、镍线材或镍合金线材中的一种、两种或三种。
其中，导电芯材的直径为50um-100mm。
其中，电缆还包括位于导电芯材和绝缘外皮之间的屏蔽层，屏蔽层为碳基材料层、金属材料层或金属/碳复合材料层。屏蔽层的厚度为0.1mm-50mm。
其中，碳基材料为碳纳米管纤维、石墨烯纤维、碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、碳纤维布中的一种或多种；金属材料层为铜、铜合金、铝、铝合金、银、银合金、铁、钢、镍或镍合金的中一种或多种；金属/碳复合材料由碳纳米管纤维、石墨烯纤维、碳纤维、碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜或碳纤维布与铜、铜合金、铝、铝合金、银、银合金、铁、钢、镍、镍合金的一种或多种复合而成。
其中，由乙烯-四氟乙烯共聚物、聚四氟乙烯、聚亚酰胺、聚酯、聚酰胺、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、硅胶、TPV、TPU、TPE、TPR、云母、玻璃纤维、芳纶、聚芳醚酮中的一种或多种混合制成，其厚度为0.1mm-50mm。
其中，绳系电缆机构还包括用于带动电缆缆体运动的电缆载具结构。
1、本发明的切割电离层获得电流的绳系电缆机构，可以实现在电离层中通过运动切割电离层，进而产生直流电或者交流电，为空间设备空间供电。产生的交流电由于自身拥有的震荡频率，甚至能够用来发射无线电信号。
2、本发明的切割电离层获得电流的绳系电缆机构的电缆良好的柔性、力学性能和空间性能，如耐高低温、电磁屏蔽、抗原子氧、抗宇宙射线、抗辐照等，且拉伸强度和模量都较高，不易断裂。其电缆耐低温范围可至-196℃到-320℃，其感应电流的范围为0.1A-1000A，感应电流频率的范围为1Hz-1GHz，功率范围为0.1W-1000KW，产生电压的范围为0.1-20000V。
具体实施方式
下面将根据实施例更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然说明书中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1绳系电缆机构X1
该绳系电缆机构X1包括电缆Y1和电缆载具结构。其中电缆Y1由直径100mm的导电芯材和绝缘外皮组成。导电芯材由多根碳纳米管纤维、多根铝线材和多根铜线材绞合而成。该电缆的绝缘外皮由聚氯乙烯、聚丙烯和硅胶制成。
实施例2绳系电缆机构X2
该绳系电缆机构X2包括电缆Y2和电缆载具结构。其中电缆Y2由直径50mm的导电芯材和绝缘外皮组成。导电芯材由多根铜线材、多根石墨烯纤维和多根碳纤维并列排列设置而成。该电缆的绝缘外皮由聚亚酰胺、聚酯、聚酰胺制成。
实施例3绳系电缆机构X3
该绳系电缆机构X3包括电缆Y3和电缆载具结构。其中电缆Y3由直径25mm的导电芯材、屏蔽层和绝缘外皮组成。导电芯材由铜合金线材、铝合金线材和银线材共同绞合而成。屏蔽层由碳纳米管纤维制成。绝缘外皮由聚乙烯制成。
实施例4绳系电缆机构X4
该绳系电缆机构X4包括电缆Y4和电缆载具结构。其中电缆Y4由直径15mm的导电芯材、屏蔽层和绝缘外皮组成。导电芯材由银合金线材、碳纳米管纤维和石墨烯纤维绞合而成。屏蔽层由碳纳米管薄膜和铜层组成。绝缘外皮由聚丙烯制成。
实施例5绳系电缆机构X5
该绳系电缆机构X5包括电缆Y5和电缆载具结构。其中电缆Y5由直径5mm的导电芯材、屏蔽层和绝缘外皮组成。导电芯材由钢线材、碳纤维和石墨烯纤维并列排列而成。屏蔽层由碳纳米管纤维/银合金的复合材料制成。绝缘外皮由乙烯-四氟乙烯共聚物和聚四氟乙烯制成。
实施例6绳系电缆机构X6
该绳系电缆机构X6包括电缆Y6和电缆载具结构。其中电缆Y6由直径1mm的导电芯材、屏蔽层和绝缘外皮组成。导电芯材由银合金、钢和镍合金绞合而成。屏蔽层由铜合金层、铝合金层和镍合金层组成。绝缘外皮由聚乙烯制成。
实施例7绳系电缆机构X7
该绳系电缆机构X7包括电缆Y7和电缆载具结构。其中电缆Y7由直径0.5mm的导电芯材、屏蔽层和绝缘外皮组成。导电芯材由碳纳米管、碳纤维与铝合金线材并列排列形成。屏蔽层由碳纳米纤维层以及碳纤维和金属铝复合形成的复合材料层组成。绝缘外皮层由云母、玻璃纤维、芳纶制成。
实施例8绳系电缆机构X8
该绳系电缆机构X8包括电缆Y8和电缆载具结构。其中电缆X8由直径100um的导电芯材、屏蔽层和绝缘外皮组成。导电芯材由碳纤维、石墨烯纤维和碳纳米管纤维共同绞合而成。屏蔽层由石墨烯纤维层和石墨烯薄膜组成。绝缘外皮层由聚乙烯制成。
实施例9绳系电缆机构X9
该绳系电缆机构X9包括电缆Y9和电缆载具结构。其中电缆X9由直径80um的导电芯材、屏蔽层和绝缘外皮组成。导电芯材由碳纤维和石墨烯纤维并列排列形成。屏蔽层由碳纳米管管薄膜、银合金层以及碳纳米管纤维与银合金复合的复合材料层组成。绝缘外皮由聚丙烯制成。
实施例10绳系电缆机构X10
该绳系电缆机构X10包括电缆Y10和电缆载具结构。其中电缆X10由直径50um的导电芯材、屏蔽层和绝缘外皮组成。导电芯材由碳纤维形成。屏蔽层由碳纳米管管薄膜、银合金层以及碳纳米管纤维与银合金复合的复合材料层组成。绝缘外皮由聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯制成。
实施例11绳系电缆机构X11
该绳系电缆机构X11包括电缆Y11和电缆载具结构。其中电缆X11由直径2mm的导电芯材、屏蔽层和绝缘外皮组成。导电芯材由碳纳米管纤维绞合形成。屏蔽层由碳纳米管薄膜组成。绝缘外皮由TPE制成。
实施例12绳系电缆机构X12
该绳系电缆机构X12包括电缆Y12和电缆载具结构。其中电缆X12由直径5mm的导电芯材、屏蔽层和绝缘外皮组成。导电芯材由石墨烯纤维绞合形成。屏蔽层由碳纳米管薄膜组成。绝缘外皮由乙烯-四氟乙烯共聚物和聚四氟乙烯制成
实验例绳系电缆机构的特性检测实验
①耐高低温测试：
取绳缆X11一段，典型长度为1.5m，直径2mm，将绳缆浸泡于液氮中，1h后取出，待绳缆恢复到室温后进行外形，拉伸和电学性能测试。经液氮低温处理后绳缆平均直径2mm，长度1.5m；未处理绳缆平均拉伸强力550.9N，低温处理后绳缆平均拉伸强力550.8N；未处理绳缆电阻0.101Ω，低温处理后绳缆电阻0.102Ω。
将相同直径长度绳缆放置于高温烘箱内，烘箱加热至320℃，保持1h后取出，待绳缆恢复到室温后进行外形，拉伸和电学性能测试。经高温处理后绳缆平均直径2mm，长度1.5m；未处理绳缆平均拉伸强力550.9N，高温处理后绳缆平均拉伸强力551.2N；未处理绳缆电阻0.101Ω，高温处理后绳缆电阻0.128Ω。
②电磁屏蔽测试：
按照GB/T35675-2017电磁屏蔽用金属化纤维通用技术要求进行测试，测试结果绳缆体X11的电阻率0.9×10-5Ω/m，长度表面电阻17.6Ω/m，屏蔽效能30MHz-10GHz平均40dB。
③原子氧测试：
1.取一定长度绳缆X11，长度不低于10mm，典型长度10mm，保留1个样品作为真空对比样未进行原子氧辐照；2.对绳缆X11进行真空预处理，预处理典型条件压力20Pa，48h；3.对预处理后的绳缆进行原子氧试验前的质量测量，并进行设备原子氧束流密度标定，典型标定原子氧积分通量为1×1019atoms/cm2；4.设定原子氧试验时间，试验时主容器内典型真空度5×10-2Pa，试验中典型原子氧积分通量1×1019atoms/cm2，典型测试温度25℃；测试前绳缆平均重量0.1g，测试后绳缆平均重量0.87g。
④拉伸测试：
按照GB/T17737.316-2018同轴通信电缆第1-316部分：机械试验方法电缆的最大抗拉力试验进行，典型绳缆长度为1m，直径2mm，夹距为50mm，平均断裂强力560.7N，平均模量1.0GPa。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种切割电离层获得电流的绳系电缆机构，其特征在于，所述绳系电缆机构中的电缆包括导电芯材和绝缘外皮，其中导电芯材是由碳基芯材和/或金属芯材并列排列或绞合而成。
2.如权利要求1所述的绳系电缆机构，其特征在于，
所述碳基芯材为碳纳米管纤维、碳纤维或石墨烯纤维中的一种或多种；所述金属芯材为铜线材、铜合金线材、铝线材、铝合金线材、银线材、银合金线材、铁线材、钢线材、镍线材和镍合金线材中的一种或多种。
3.如权利要求2所述的绳系电缆机构，其特征在于，
所述碳基芯材为碳纳米管、石墨烯、碳纳米管纤维、碳纤维或石墨烯纤维的一种、两种或三种；
所述金属芯材为铜线材、铜合金线材、铝线材、铝合金线材、银线材、银合金线材、铁线材、钢线材、镍线材和镍合金线材中的一种、两种或三种。
4.如权利要求1所述的绳系电缆机构，其特征在于，
所述导电芯材的直径为50um-100mm。
5.如权利要求1所述的绳系电缆机构，其特征在于，
所述电缆还包括位于导电芯材和绝缘外皮之间的屏蔽层，所述屏蔽层为碳基材料层、金属材料层或金属/碳复合材料层，所述屏蔽层的厚度为100nm-50mm。
6.如权利要求5所述的绳系电缆机构，其特征在于，
其中，碳基材料为碳纳米管纤维、石墨烯纤维、碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、碳纤维布中的一种或多种；
金属材料为铜、铜合金、铝、铝合金、银、银合金、铁、钢、镍或镍合金的中一种或多种；
金属/碳复合材料由碳纳米管纤维、石墨烯纤维、碳纤维、碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜或碳纤维布与铜、铜合金、铝、铝合金、银、银合金、铁、钢、镍、镍合金的一种或多种复合而成。
7.如权利要求1所述的绳系电缆机构，其特征在于，
所述绝缘外皮由乙烯-四氟乙烯共聚物、聚四氟乙烯、聚亚酰胺、聚酯、聚酰胺、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、硅胶、TPV、TPU、TPE、TPR、云母、玻璃纤维、芳纶、聚芳醚酮中的一种或多种混合制成，其厚度为0.1mm-50mm。
8.如权利要求1所述的绳系电缆机构，其特征在于，
所述绳系电缆机构还包括用于带动电缆缆体运动的电缆载具结构。
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