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一种高微重力科学实验装置制造高微重力环境的方法与流程

1.本发明涉及一种高微重力科学实验装置且涉及一种使用所述高微重力科学实验装置从航区内的预定高度自由落体运动为高微重力科学实验装置内悬浮的有效载荷装置制造高微重力环境的方法，高微重力环境为流体力学、材料科学和生物技术科学研究提供了高质量、新的领域和途径。

背景技术：

2.目前微重力实验平台有空间站、探空火箭、抛物线飞行、落塔，这些微重力实验平台在微重力持续时间和微重力水平各有所不同，部分微重力实验平台还受两国之间深层关系和天基影响。
3.空间站是主要的微重力实验平台，提供其他独特方而包括暴露于辐射和热层的不同气体、自由电子、离子混合和在地面上永远无法获得的大规模高真空环境，太空真空度取决于地球上空的高度。微重力持续时间通常数自然月的微重力水平(10-4
～10-6
g)，是所有微重力实验平台中最好的。但受到一些深层关系的因素无法提供满足一些国家、实体的微重力试验需求。
4.探空火箭作为在近地空间进行探测和科学试验的火箭，微重力持续时间几分钟至十几分钟左右的微重力水平(10-2
～10-3
g)，但探空火箭试验成本过高，目前全球每年发射20枚左右探空火箭用于nasa的科学实验，也无法满足商业快速相应需求。
5.抛物线飞行适合航天员训练，飞机内部有氧气，飞机在抛物线的顶部，飞机内的人和物体一次自由落体大约20～30秒高微重力水平(10-2
～10-3
g)，仅有极少数国家拥有这样设施。
6.一些要求十分严苛的实验，追求能够提供比微重力实验平台舱内微重力水平更高的微重力环境，即微重力水平达到10-7
g。在一些情况下，无人驾驶自由气球浮力飞行至航区内的预定高度，极限真空度的载荷舱及有效载荷装置在自由落体的影响可制造短时间的高微重力环境，而本发明的极限真空度的高微重力科学实验装置从航区内的预定高度以竖直方向突然落下，剩下是一个微重力环境，微重力持续时间在1至3分钟左右微重力水平(10-2
～10-3
g)，而悬浮在极限真空度的载荷舱的有效载荷装置的微重力水平有望达到10-11
g，即高微重力环境。
7.使用高微重力科学实验装置具有许多优点，包括：
8.成本是亚轨道探空火箭的十分之一。
9.载荷舱的极限真空度不低于10-4
mbar。在真空中，重力会导致所有物体以相同的速度下落。如果一个人抛下锤子和羽毛，空气会使羽毛下落得更慢，但如果没有空气，它们将以相同的加速度下落。
10.可回收重复使用。
11.快速迭代的设计。
12.对流体力学、材料科学和生物技术相关研究有巨大帮助。

技术实现要素：

13.本发明的主要目的为科学研究机构和商业公司提供快速相应、低成本、微重力持续时间1至3分钟的高微重力环境。
14.根据第一方面，根据本发明的高微重力科学实验装置包括两个不可分离的级，至少一级搭载有效载荷装置，且所述级被放置在另一级的下方。高微重力科学实验装置弹头锥尖竖直向下。
15.根据第二方面，使用所述高微重力科学实验装置制造高微重力环境并回收高微重力科学实验装置的方法包括以下阶段：
16.a)用充装氦气的无人驾驶自由气球将吊载2.4ghz频段立方体卫星挂载高微重力科学实验装置浮力飞行到预定的航区内的预定高度；并且
17.b)在预定高度(高微重力科学实验装置下落飞行的速度＝0m/s)，解脱挂耳释放高微重力科学实验装置自由落体运动制造高微重力环境并落入在弹着区。
18.根据优选实施例，无人驾驶自由气球将吊载2.4ghz频段的立方体卫星挂载高微重力科学实验装置从陆域发射场区浮力飞行至距地面40～45千米高度需要大约3小时，挂弹钩解脱弹耳释放高微重力科学实验装置突然自由落体运动下制造高微重力环境并拾回高微重力科学实验装置至少包括以下步骤：
19.第一步骤：无人驾驶自由气球吊载2.4ghz频段的立方体卫星与卫星地面站组成卫星通信系统，2.4ghz频段的立方体卫星的底部装有挂弹钩挂载高微重力科学实验装置，2.4ghz频段立方体卫星接受地面指令后，传输挂弹钩解脱弹耳信号，通过挂弹钩内置电磁铁驱动解脱装置打开挂钩，高微重力科学实验装置在重力下自由落体。
20.第二步骤：距离地面20千米时，抛伞舱盖弹射系统接受到2.4ghz频段立方体卫星信号工作，点燃爆炸螺栓，掀开抛伞舱盖拉出引导伞，抛伞舱盖因重力与高微重力科学实验装置分离。高微重力环境结束。
21.第三步骤：距离地面5千米时，引导伞的牵引力又将减速伞拉出，降低所述高微重力科学实验装置的下落速度。
22.第四步骤：距离地面3千米时，减速伞通过爆炸螺栓切断伞绳与高微重力科学实验装置的分离同时拉出主伞，高微重力科学实验装置缓慢的落入弹着区。
23.第五步骤：接收雷达系统传输信号，人工检索高微重力科学实验装置。
24.优选地，第一步将高微重力科学实验装置在40千米的高度(高微重力科学实验装置下落飞行的速度＝0m/s)以竖直向下突然自由落体。
25.本发明至少具有以下优势：
26.可回收：探空火箭可能在飞行中出现爆炸事故，因而无法回收有效载荷装置。无人驾驶自由气球浮力飞行未能达到预定的上升高度时，需要应急回收，这将改变降落伞的开伞初始条件或超过允许开伞的范围，均可直接点燃装置掀开抛伞舱盖拉出引导伞应急回收程序。
27.微重力：载荷舱内的极限真空度不低于10-4
mbar，它相当于在标准大气情况中100公里高度左右的环境。因此，有效载荷装置在载荷舱内的下落运动所受阻力极低，有效载荷装置的微重力水平有望达到10-11
g。
28.空间诱变育种：在40～45千米高度接近真空，其高度、大气结构、气温、空气密度、
压力、地磁强度、辐射流(宇宙射线、等离子辐射)均与地面有很大差异，还具有强烈的紫外线照射，这些条件为空间诱变育种提供可能性。
附图说明
29.为了更好地理解，附加了一些附图，附图示意性并且仅作为非限制性示例的示出本发明的一个实施例。
30.图1根据本发明优选实施例的高微重力科学实验装置的正视图；
31.图2无人驾驶自由气球吊载2.4ghz频段立方体卫星挂载高微重力科学实验装置的示意图；
32.图3通过无人驾驶自由气球释放高微重力科学实验装置制造短期高微重力环境并拾回高微重力科学实验装置的整个方法的示意图；
33.图4试验靶场示意图；
具体实施方式
34.本发明涉及高微重力科学实验装置、一颗2.4ghz频段立方体卫星与卫星地面站三者组成地空通讯，并且涉及使用所述的高微重力科学实验装置通过无人驾驶自由气球制造短期高微重力环境的方法。
35.根据本发明的高微重力科学实验装置包括两个不可分离的级。在优选实施例中，本发明的高微重力科学实验装置弹壳优选石墨烯纳米增强新型复合材料制成。
36.根据图1的实施例，高微重力科学实验装置1的第一级抛伞舱12包括挂耳9、抛伞舱盖11、引导伞13、减速伞14、主伞15、固定压板16、抛伞舱盖弹射系统26；第二级载荷舱25包括上吸式磁悬浮装置17、浮子18、有效载荷装置19、磁悬浮导轨20、橡胶空气弹簧装置21、雷达系统22、地空通信组件23、程序控制系统24；第三级弹头锥尖29包括填充物蜂窝增强低密度烧蚀防热材料。
37.如图2和图3所示，制造高微重力环境的方法包括两个不同阶段：无人驾驶自由气球将吊载一颗2.4ghz频段立方体卫星和挂载高微重力科学实验装置发射准备和浮力飞行至航区内的预定高度后释放高微重力科学实验装置自由落体运动。
38.根据本发明的高微重力科学实验装置1优选地从陆域发射场区发射，航区优选在弹着区至发射场区直线距离40公里。弹着区与发射场区和航区一起组成试验靶场。
39.无人驾驶自由气球每一次飞行都需提前得到气象部门许可后还需得到其他相关主管单位批准。
40.在飞行循环阶段，氦气罐7通过充气管5向通过无人驾驶自由气球2填充氦气后，无人驾驶自由气球2将吊载2.4ghz频段立方体卫星3和挂载根据本发明的高微重力科学实验装置1浮力飞行到距地面40千米的高度，浮力飞行时间持续大约3小时。
41.无人驾驶自由气球2将吊载2.4ghz频段立方体卫星3和挂载高微重力科学实验装置与卫星地面站三者组成地空通讯。在高微重力科学实验装置从2.4ghz频段立方体卫星脱离之前，如果高微重力科学实验装置发生故障，则整个任务可能会中止并回收，因为无人驾驶自由气球2可控地将气体从其顶端阀门排出并下降到高微重力科学实验装置可以重新回收以用于检查或未来再次试验。
42.为了载荷舱内达到极限真空度，且有效载荷装置在浮力飞行期间处于悬浮至少包括以下步骤：
43.第一步骤：向无人驾驶自由气球填充氦气，同时将2.4ghz频段立方体卫星放置u型升降吊架顶部使高微重力科学实验装置弹头锥尖竖直向下架吊。
44.第二步骤：载荷舱内顶部装有上吸式磁悬浮装置17，浮子18材质优选使用浮力较大的钕铁硼磁铁，浮子固定在有效载荷装置19上方，上吸式磁悬浮装置内的电源系统接收器接收到2.4ghz频段的立方体卫星通断电信号，电磁铁通电时有磁性，故有效载荷装置达到悬浮，通过电磁铁的电流越大，电磁铁的磁性越强。断电时没有磁性，故有效载荷装置自动上吸。上吸式磁悬浮装置几个特点：1)悬浮更稳定；2)零噪声；3)可根据有效载荷装置重量修改上吸式磁悬浮装置参数自适应。
45.第三步骤：磁性组件10将有效载荷装置19安装在磁悬浮导轨20，实现有效载荷装置非接触无磨损上下滑动效果。磁悬浮导轨具有结构简单、节省空间、非接触无磨损、整条磁浮模组均为绝对位置模式等特点。
46.第四步骤：使用机械真空泵27将载荷舱内空气排出，保持载荷舱极限真空度不低于10-4
mbar，它相当于在标准大气情况中100公里高度左右的平流层环境。因此，有效载荷装置在载荷舱内的落体运动所受阻力极低，有效载荷装置的微重力水平可高达10-11
g。
47.制造高微重力环境并安全拾回高微重力科学实验装置至少包括以下步骤：
48.第一步骤：无人驾驶自由气球浮力飞行至距地面约40千米的高度，挂弹钩4解脱弹耳9释放高微重力科学实验装置1突然自由落体运动(高微重力科学实验装置下落飞行的速度＝0m/s)以竖直向下突然落下，剩余的是微重力环境，g初始10-5
g(t＝0s)，随着空气阻力的增加，以每秒增加重力加速度(1g)加速，g在21秒达到1x10-3
g，33秒达到1x10-2
g，55秒达到1x10-1
g，而有效载荷装置悬浮在极限真空度的载荷舱25的下落运动所受阻力极低，制造了高微重力环境。高微重力科学实验装置大约60秒下落距离地面20千米高度，微重力环境结束。
49.第二步骤：抛伞舱盖弹射系统26开始工作时，引爆爆炸螺栓，将掀开抛伞舱盖把引导伞从抛伞舱拉出并展开，10秒后抛伞舱盖与引导伞脱离，高微重力科学实验装置下落速度从2马赫减速至约0.5马赫速度，大约在第130秒下落距离地面5千米高度。
50.第三步骤：引导伞的牵引力又将减速伞拉出，在高速气流中展开充气时，以约160m/s速度下落，约第158秒下落距地面3千米高度。
51.第四步骤：减速伞通过点燃伞绳中爆炸螺栓切断伞绳与高微重力科学实验装置的脱离同时拉出主伞，以约55m/s速度下落，约第170秒距离地而2.7千米时，主伞慢慢地全部展开，以约7m/s速度落入在弹着区。
52.第五步骤：接收雷达系统22传输辐射信号，人工检索高微重力科学实验装置。
53.如图1所示，在高微重力科学实验装置的载荷舱内安装上吸式磁悬浮装置17，浮子18固定安装在有效载荷装置19上方达到悬浮，上吸式磁悬浮装置至少包括以下元件：电流环、霍尔传感器、电磁体、控制电路、主控板、线圈、电源装置、红外发射管、接收器、漆包线、运算放大器。抛伞舱盖弹射系统26固定安装在抛伞舱盖11下方，抛伞舱盖11与引导伞13耳片串联，使用装有和点火器的爆炸螺栓将抛伞舱盖固定安装在抛伞舱12上方，程序控制系统24接受2.4ghz频段立方体卫星的指令传输至抛伞舱盖弹射系统的点火指令引爆爆
炸螺栓，掀开抛伞舱盖，由于重力加速度，有效载荷装置在极限真空度载荷舱内所受阻力极低，有效载荷装置的微重力水平有望达到10-11
g。橡胶空气弹簧装置21它由制动系统制动气室、塑胶可锻空气减压阀和载重板三部份构成，如有效载荷装置与橡胶空气弹簧装置产生冲击性，橡胶空气弹簧是一种非金属材质弹簧，将压缩空气添加到软密封性玻璃器皿中，运用空气压缩的回弹性授予延展性，进而进行减震缓存，推有效装置与上吸式磁悬浮装置斥力来得到平衡再次悬浮。橡胶空气弹簧装置负载大且弹性柔软，防振性能超。雷达系统22既能密切跟踪测量高微重力科学实验装置的位置信息又能测速。
54.如图2所示，无人驾驶自由气球2的气膜优选超高分子量的聚乙烯制造，气膜厚20微米左右，附接空气气候系统28，吊载一颗装有太阳能电池板的2.4ghz频段立方体卫星3，在需要时供应满足大功率需要的必要电力，下方安装挂弹钩4挂载高微重力科学实验装置1。空气气候系统及时、准确获取所处位置及目标区域的风场信息，其依靠浮力升空、无动力、借助风力飘飞，空气气候系统至少包括以下元件：风场探测装置、高度调控装置、自动放气装置。2.4ghz频段立方体卫星与卫星地面站8组成卫星通信系统，卫星通信系统与地空通信组件23组成地空通讯，地空通讯主要用于高微重力科学实验装置和地面之间的远距离通信和数据传输，地面与高微重力科学实验装置之间的通信和数据传输在任务期间至关重要；高微重力科学实验装置向地面提供关于实时高微重力水平数据；卫星地面站与2.4ghz频段立方体卫星信号发射或信号接收，2.4ghz频段立方体卫星提供信号和数据转发。在飞行循环阶段，氦气罐7通过充气管5向通过无人驾驶自由气球2填充氦气，同时将2.4ghz频段立方体卫星放置u型升降吊架顶部使高微重力科学实验装置弹头锥尖竖直向下架吊。为了有效载荷装置的微重力水平可高达10-11
g，使用机械真空泵27将载荷舱内空气排出，保持载荷舱极限真空度不低于10-4
mbar。悬浮有效装置在无人驾驶自由气球发射时处于悬浮，在发射时，人工挪动u型升降吊架与2.4ghz频段立方体卫星分离使无人驾驶自由气球顺利开始浮力飞行。
55.如图3所示，高微重力科学实验装置在自由落体运动前期的速度为2马赫，因此采用引导伞13、减速伞14和主伞15达到减速。引导伞的开伞条件为平流层、超声速、低动压的环境。高微重力科学实验装置长为3450mm，在设计引导伞时，以极限速度1.5马赫来计算伞的阻力面积，因此抛伞舱盖弹射系统26在点燃爆炸螺栓掀开抛伞舱盖拉出引导伞逐渐展开，10秒后抛伞舱盖与引导伞脱离，引导伞展开时所处于的高度高，动压较低，气动阻力小于高微重力科学实验装置重力，引导伞开伞后高微重力科学实验装置将继续作加速运动，直至达到高微重力科学实验装置阻力与重力相等。大约在第130秒时引导伞在超声速飞行中的牵引力又将减速伞拉出并展开，减速伞优选用6.2平方米的带条形减速伞，减速伞伞绳总长度设计为15米。根据主伞展开下降速为7m/s的要求，高微重力科学实验装置最大有效载荷装置200kg计算，伞衣阻力系数0.75，载荷舱内部装有其他装置等，伞衣面积优选为400平方米。主伞开伞方式为减速伞拉出主伞，最大开伞动载不超过7g。主伞伞绳总长度为26米，主伞结构采用环帆伞。主伞安装在减速伞下面，外包用固定压板16将包底固定在抛伞舱内底结构上，外包上有耳片及封包绳。减速伞通过爆炸螺栓切断伞绳与高微重力科学实验装置的脱离同时牵引主伞包，先解除外包的封包绳，拉出主伞包。在主伞连接绳拉直时，在拉断主伞封包绳，实现主伞以倒拉伞形式拉出并展开，以约7m/s速度落入在弹着区。
56.如图4所示，根据本发明的高微重力科学实验装置1优选地从陆域发射场区发射，
航区优选在弹着区距发射场区不超过40公里。弹着区与发射场区和航区一起组成试验靶场。

技术特征：

1.一种高微重力科学实验装置，包括三个不可分离的级，至少一级搭载有效载荷，且所述级被放置在另外两级的之间。2.根据权利要求1所述的高微重力科学实验装置，其中，所述级中的级一级为载荷舱包括上吸式磁悬浮装置、浮子、有效载荷装置、磁悬浮导轨、橡胶空气弹簧装置、雷达系统、地空通信组件、程序控制系统。3.一种使用根据权利要求1所述的高微重力科学实验装置制造高微重力环境的方法，其特征在于，所述方法包括以下阶段：a)用填充氦气的无人驾驶自由气球将吊载2.4ghz频段立方体卫星并挂载高微重力科学实验装置浮力飞行至预定的航区内的预定高度；且b)在预定高度，解脱挂耳释放高微重力科学实验装置自由落体运动制造高微重力环境并落入在弹着区。4.根据权利要求3所述的方法，填充有氦气的无人驾驶自由气球浮力飞行大约3小时至距地面约40～45千米高度。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述在预定高度解脱挂耳释放高微重力科学实验装置在自由落体为悬浮的有效载荷制造高微重力环境并回收高微重力科学实验装置至少包括以下步骤：-第一步骤：无人驾驶自由气球吊载2.4ghz频段的立方体卫星与高微重力科学实验装置实现地空通讯，该立方体卫星的底部装有挂弹钩，2.4ghz频段立方体卫星接受地面指令后，2.4ghz频段立方体卫星传输挂弹钩解脱挂耳信号，通过挂弹钩内置电磁铁驱动解脱装置打开挂钩，高微重力科学实验装置在重力下坠落。-第二步骤：距离地面20千米时，抛伞舱盖弹射系统接受到2.4ghz频段立方体卫星信号工作，点燃爆炸螺栓，掀开抛伞舱盖拉出引导伞，抛伞舱盖因重力与高微重力科学实验装置分离。高微重力环境结束。-第三步骤：距离地面5千米时，引导伞的牵引力又将减速伞拉出，降低所述高微重力科学实验装置的下落速度。-第四步骤：距离地面3千米时，减速伞通过爆炸螺栓切断伞绳与高微重力科学实验装置的分离同时拉出主伞，高微重力科学实验装置缓慢的落入弹着区。-第五步骤：接收雷达系统传输信号，人工检索高微重力科学实验装置。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一步骤自由落体运动约第60秒距离地面20千米，弹出引导伞将高微重力科学实验装置下落速度从2马赫减速至约0.5马赫速度。7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二步骤自由落体运动约第130秒距离地面5千米，拉出减速伞将高微重力科学实验装置下落速度减速至约55m/s。8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第三步骤自由落体运动约第158秒距离地面3千米，拉出主伞将高微重力科学实验装置下降速度减速，约第170秒距离地面2.7千米时，以约7m/s水平速度下降。9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第四步骤约第550秒高微重力科学实验着陆在弹着区。10.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第五步骤在接收雷达系统传输信号，人工检索高微重力科学实验装置。

技术总结

一种高微重力科学实验装置，所述高微重力科学实验装置包括三个不可分离的级，至少一级搭载有效载荷装置，且所述级被放置在另外两级的之间。高微重力科学实验装置弹头锥尖竖直向下。使用所述高微重力科学实验装置制造高微重力环境并回收高微重力科学实验装置的方法包括以下阶段：a)用充装氦气的无人驾驶自由气球将吊载2.4GHz频段立方体卫星挂载高微重力科学实验装置浮力飞行至航区内的预定高度；b)在预定高度(高微重力科学实验装置下落飞行的速度＝0m/s)，解脱挂耳释放高微重力科学实验装置自由落体运动制造高微重力环境并落入在弹着区。着区。