CN108907200B - 一种形成卫星天线的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成卫星天线的装置，包括用于存储液态金属的储存腔，储存腔的前端设置有喷嘴，后端设置有挤出机构，在储存腔上缠绕有用于透过储存腔给液态金属加热使之熔化的加热装置，挤出机构作用于储存腔使得熔化的液态金属从喷嘴挤出成形构成天线，在储存腔以及喷嘴上连接有移动装置，移动装置对成形天线的位置以及指向进行调节，本发明结合低熔点的液态金属材料以及3D打印技术，以及宇宙空间环境中低温和失重的特点，可在空间失重环境中，通过3D打印方式，形成大型刚性天线结构，具有折叠效率高，对天线的长度没有明显限制，展开空间面积大，天线长度可调或可回收以及可以适应多种形状等优点。

Description

一种形成卫星天线的装置及方法
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种形成卫星天线的装置及方法。
背景技术
3D打印已经是一种在工业生产甚至日常生活中必不可少的技术，其有着生产速度快，可以自定义形状，以及适应多种材料的特点。随着技术的发展，3D 打印技术已经被应用在越来越多的领域。但现有的3D打印技术通常需要借助重力的作用使得打印材料落在成形表面上，在太空环境中没有重力的作用，如何实现3D打印往往还是一个难题。
对于卫星以及各种航天器，天线的设计往往是一个难点，航天器需要多种不同类型的天线以满足工作需要。例如长波天线，其形状往往是一个杆状结构，但由于火箭发射的限制，其尺寸通常比较受限。通过折叠或者伸缩结构的设计，可以增加天线的长度，但对折叠或伸缩机构的要求较高，如果天线长度进一步增加，在卫星上就难以实现。
液态金属材料是一种熔点在室温范围内的材料，以镓合金以及铋合金为基础，可以实现熔点在10摄氏度至数百摄氏度的各种组合。近年来液态金属在柔性电子，金属3D打印，柔性机器人等领域中都有着广泛的应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种形成卫星天线的装置及方法，结合低熔点的液态金属材料以及3D打印技术，以及宇宙空间环境中低温和失重的特点，可在空间失重环境中，通过3D打印方式，形成大型刚性天线结构，具有折叠效率高，对天线的长度没有明显限制，展开空间面积大，天线长度可调或可回收以及可以适应多种形状等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种形成卫星天线的装置，包括用于存储液态金属1的储存腔2，储存腔2 的前端设置有喷嘴4，后端设置有挤出机构7，在储存腔2上缠绕有用于透过储存腔2给液态金属1加热使之熔化的加热装置3，挤出机构7作用于储存腔2使得熔化的液态金属1从喷嘴4挤出成形构成天线，在储存腔2以及喷嘴4上连接有移动装置5，移动装置5对成形天线的位置以及指向进行调节。
所述液态金属1可以是镓基合金如镓铟、镓铟锡等，也可以是铋基合金如镓铟锡铋，铋铟锡等，其熔点较低而且固化后具有较高的机械强度。
所述储存腔2的储存容量根据所要成形的天线的长度及直径而有所不同，储存腔2所用材料不与液态金属1发生物理或化学反应。
所述加热装置3的加热方式为电阻丝加热、空间辐射加热、核反应加热或者电磁感应加热中的任意一种，目的在于将储存腔2内的液态金属1加热为液体。
所述挤出机构7为机械挤出结构，如螺杆挤出机构、螺纹挤出机构、滚珠丝杠挤出机构齿轮齿条挤出机构；也可以是电磁挤出结构，利用液态金属的导电性以及电流在磁场中受到的力的作用将其挤出；还可以是流体挤出结构，利用气体或者液体的流动将液态金属挤出至喷嘴，挤出机构的速度受到控制电路控制。
所述移动装置5的具体结构形式是两个相互配合的三轴机械臂，末端为滚轮或者平面接触端。两个三轴机械臂的末端的相互位置关系可以通过轴的角度转动进行调节，从而夹持已经成形的天线的靠近打印机的末端使之位于特定位置或形成特定角度，从而使得新打印出的天线与已经成形的天线之间产生形状上的变化。
移动装置5可以连接在喷嘴4上，也可以连接在整体装置上，能够使得打印喷出的液态金属1相对于卫星在空间失重环境中进行位置移动变换，可以将已经固化成形的天线送入喷嘴4中，通过储存腔2以及加热装置3再次熔化，重复利用。
所述挤出机构7、加热装置3和移动装置5通过接线连接控制电路6，控制电路6根据需要控制液态金属1的加热、挤出以及移动装置5的运动等，相互配合协调工作，实现卫星天线的打印或回收。
本发明还提供了基于所述形成卫星天线的装置的形成方法，当需要形成卫星天线时，启动加热装置3，将液态金属1熔化为液体，通过挤出机构7，将液态金属1由储存腔2挤出至喷嘴4中，喷嘴4前端与外太空环境相接触，在外太空低温(接近绝对0度)和失重的环境下，挤出后的液态的液态金属1立即凝固并由于失重原因停留在喷嘴4的出口处，此时液态金属1继续挤出并不断凝固，使得已经凝固的液态金属1被向外推出，不断延伸，形成杆状结构，延伸的长度通过挤出机构7进行控制；并可通过移动装置5调整确保成形的准确；
当需要回收卫星天线时，加热装置3启动，挤出机构7反向运动，同时移动装置5将已经成形的卫星天线通过喷嘴4回送入储存腔2中，被再次熔化，通过控制移动装置5，对天线进行长度调节，或者实现彻底的回收再利用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
综上所述，本发明所提出的一种基于液态金属材料的形成卫星天线的装置及方法，借鉴了3D打印的原理，其有体积小，天线长度不受限制，天线形状可调，且天线可以回收再利用等特点。本发明充分利用了空间环境没有重力以及低温的特点，有望在未来为卫星的防护结构以及其他结构的自定义成形提供参考及启发。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图。
图2是本发明装置实际在卫星上工作的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
图1为本发明提供的一种形成卫星天线的装置的结构示意图，也是本发明的一种实施例。
其中，液态金属1储存在储存腔2中，具体到本实施例当中，所用液态金属为铋铟锡合金，储存腔为陶瓷材料。加热装置3为加热线圈，缠绕在储存腔上，透过储存腔2给液态金属1加热，使之熔化。喷嘴4连接在储存腔上，可以使得液态金属1在挤出机构7的作用下流出，流出后由于空间中失重以及低温环境的影响，液态金属1形成丝状并凝固，具体到本实施例当中，所用的挤出机构7为机械螺杆挤出机构，连接在储存腔后部。移动装置5连接在储存腔2 的腔体上，可以对已经成形的液态金属天线的位置以及指向进行调节，保证成形的连续性以及稳定性。控制电路6通过接线连接加热装置3、挤出机构7以及移动装置5上，使其相互之间协调工作。
当需要回收天线或者调节天线长度时，移动装置5将已经打印成形的天线反向送回至喷嘴4中，进而进入储存腔2中并被加热融化，从而实现材料的回收再利用。
图2为本发明提供的形成卫星天线的装置实际在卫星上工作的示意，可以看出只要存储的液态金属材料足够，这种方法所形成的天线长度是不受卫星及火箭的影响的。
综上，本发明中，液态金属存储在储存腔内，加热装置与挤出机构连接在储存腔上，其中加热装置可以将液态金属加热至熔化，挤出机构可以将液态金属材料挤出喷嘴，移动装置连接在储存腔及喷嘴上，控制电路可以根据需要控制液态金属的加热、挤出以及移动装置的运动等。当需要形成卫星天线时，加热装置启动，将液态金属材料熔化为液体，通过挤出机构，将液态金属由储存腔挤出至喷嘴中，由于外太空低温(接近绝对0度)以及失重的特点，液态金属材料由喷嘴中挤出后立即凝固并由于失重原因停留在喷嘴出口处，此时液态金属继续由喷嘴中挤出并不断凝固，使得已经凝固的液态金属材料被向外推出，不断延伸，形成杆状结构天线。本发明所提出的装置及方法，借鉴了3D打印的原理，其有体积小，天线长度不受限制，天线形状可调，且天线可以回收再利用等优点。本发明充分利用了空间环境没有重力以及低温的特点，有望在未来为卫星的防护结构以及其他结构的自定义成形提供参考及启发。
最后所应说明的是，以上基于液态金属的形成卫星天线的装置及方法的实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种在空间失重环境中形成卫星天线的装置，其特征在于，包括用于存储液态金属(1)的储存腔(2)，储存腔(2)的前端设置有喷嘴(4)，后端设置有挤出机构(7)，在储存腔(2)上缠绕有用于透过储存腔(2)给液态金属(1)加热使之熔化的加热装置(3)，挤出机构(7)作用于储存腔(2)使得熔化的液态金属(1)从喷嘴(4)挤出成形构成天线，在储存腔(2)以及喷嘴(4)上连接有移动装置(5)，移动装置(5)对成形天线的位置以及指向进行调节。
2.根据权利要求1所述在空间失重环境中形成卫星天线的装置，其特征在于，所述液态金属(1)为镓基合金或铋基合金。
3.根据权利要求1所述在空间失重环境中形成卫星天线的装置，其特征在于，所述储存腔(2)的储存容量根据所要成形的天线的长度及直径而有所不同，储存腔(2)所用材料不与液态金属(1)发生物理或化学反应。
4.根据权利要求1所述在空间失重环境中形成卫星天线的装置，其特征在于，所述加热装置(3)的加热方式为电阻丝加热、空间辐射加热、核反应加热或者电磁感应加热中的任意一种。
5.根据权利要求1所述在空间失重环境中形成卫星天线的装置，其特征在于，所述挤出机构(7)为机械挤出结构或者电磁挤出结构或者流体挤出结构。
6.根据权利要求5所述在空间失重环境中形成卫星天线的装置，其特征在于，所述机械挤出结构为螺杆挤出机构、螺纹挤出机构、滚珠丝杠挤出机构、齿轮齿条挤出机构；所述电磁挤出结构利用液态金属(1)的导电性以及电流在磁场中受到的力的作用实现挤出；所述流体挤出结构利用气体或者液体的流动实现挤出。
7.根据权利要求1所述在空间失重环境中形成卫星天线的装置，其特征在于，所述移动装置(5)包括两个相互配合的三轴机械臂，末端为滚轮或者平面接触端。
8.根据权利要求1所述在空间失重环境中形成卫星天线的装置，其特征在于，所述挤出机构(7)、加热装置(3)和移动装置(5)通过接线连接控制电路(6)，控制电路(6)控制实现协调工作。
9.基于权利要求1所述在空间失重环境中形成卫星天线的装置的形成方法，其特征在于，当需要形成卫星天线时，启动加热装置(3)，将液态金属(1)熔化为液体，通过挤出机构(7)，将液态金属(1)由储存腔(2)挤出至喷嘴(4)中，喷嘴(4)前端与外太空环境相接触，在外太空低温和失重的环境下，挤出后的液态的液态金属(1)立即凝固并由于失重原因停留在喷嘴(4)的出口处，液态金属(1)继续挤出并不断凝固，使得已经凝固的液态金属(1)被向外推出，不断延伸，形成杆状结构，延伸的长度通过挤出机构(7)进行控制；
当需要回收卫星天线时，加热装置(3)启动，挤出机构(7)反向运动，同时移动装置(5)将已经成形的卫星天线通过喷嘴(4)回送入储存腔(2)中，被再次熔化，通过控制移动装置(5)，对天线进行长度调节，或者实现彻底的回收再利用。
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