一种利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统

摘要

一种利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统，包括静电输运子系统和聚光熔融烧结子系统，两子系统通过三维支架实现装配和位置调控；静电输运子系统通过保守静电力实现土壤颗粒的定向操控运动，聚光熔融烧结子系统通过太阳光聚光装置和导光装置，形成并操控聚焦光斑，烧蚀熔融土壤颗粒。该系统引入独特的土壤颗粒静电输运子系统，土壤颗粒输运能耗小、操控精度高；独特的聚光熔融烧结子系统，实现了原位太阳光的高效汇聚和有效传导，能源利用效率高，处理过程操控性强，系统整体原理简单可行，结构设计巧妙，质量功耗代价较低，可靠性高。

权利要求

1.一种利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统，其特征在于：包括静电输运子系统(7)和聚光熔融烧结子系统，两子系统通过三维支架(8)实现装配和位置调控；静电输运子系统通过保守静电力实现土壤颗粒(9)的定向操控运动，聚光熔融烧结子系统通过太阳光聚光装置和导光装置(4)，形成并操控聚焦光斑，烧蚀熔融土壤颗粒(9)；

所述静电输运子系统(7)包括电帘、电源和输运管(7-1)；电帘布置在输运管内壁底部，电帘外连电源；输运管(7-1)采用带空腔的长方体结构，电帘布置在空腔下部；

所述聚光熔融烧结子系统包括一次聚光装置、导光装置(4)、打印喷头(6)和二次聚光装置(5)；太阳光经一次聚光装置形成聚集光斑，经导光装置(4)传输至打印喷头(6)，经二次聚光装置(5)形成更小光斑，打印喷头(6)熔融经静电输运子系统输运至此的土壤颗粒(9)；所述导光装置(4)采用导光管或多束集聚式光纤；所述二次聚光装置(5)采用透镜或锥形棱镜或菲涅尔透镜。

2.根据权利要求1所述的一种利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统，其特征在于：所述输运管(7-1)的进口端为铲式构型。

3.根据权利要求1所述的一种利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统，其特征在于：所述电帘包括电极(7-2)、绝缘衬底(7-3)和绝缘膜(7-4)；电极(7-2)铺设在绝缘衬底(7-3)之上，电极(7-2)上表面覆盖绝缘膜(7-4)。

4.根据权利要求1所述的一种利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统，其特征在于：电源包括太阳能电池片、蓄电池、DC/AC变换器、继电器和升压器；太阳能电池片将太阳光能转换为电能，一部分白天经DC/AC变换器由直流电变换为交流电，另一部分储存在蓄电池内，晚上再由蓄电池经DC/AC变换器由直流电变换为交流电；继电器控制交流电向电帘供电，升压器维持继电器的内部工作压力，继电器的开关控制指令来自外围控制器，当继电器开关闭合时，电帘开始工作。

说明书

一种利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种新型原位资源处理系统，特别是涉及一种利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统，可作为地外生存原位资源有效利用的重要手段。同时，该系统也可用于地外生存原位资源发电的致密蓄能模块加工研制，在地外生存能源关键问题解决方面发挥重要作用。此外，该系统还可扩展为原位资源的空间3D打印领域，实现基于原位资源的空间部组件3D打印。

背景技术

[0002] 随着人类探索疆域的拓展，重返月球、载人火星等极具挑战性的航天任务逐步提上日程。我国在载人和探月重大科技专项工程的基础上开展后续载人探索计划论证，美俄等国正在实施宏伟的载人深空探索计划，SpaceX、洛马等航天公司也提出了载人火星探索计划，月球开发将向民间企业开放，月球将被纳入地球经济圈。载人深空探索已成为当前国际太空活动的前沿热点。

[0003] 在载人深空探索活动中，地外生存技术是人类实现地外移民、长期居住的基础技术，它涉及到对地外行星环境资源的深入了解，对人、动植物、微生物等组成的地外微小型生态圈的平衡维持和可持续发展能力。因此，地外生存技术是行星科学、生命科学和航天技术前沿交叉的新领域。生物体生存过程面临基本的能量与物质需求。对能源需求来说，对于一个小型地外前哨战，其电力和热能消耗一般为十千瓦级，因月夜长达350小时，即使采用500Wh/kg高比能再生燃料电池，储能质量也会超过7吨(平均供电10kW)。为满足基本生理需求，航天员消耗为水27.6千克/(天·人)，氧1千克/(天·人)，食物1.5千克 /(天·人)，其它3.5千克/(天·人)，共计33.6千克/(天·人)。对于6个乘员的火星任务，若不循环利用物资，其需携带的消耗品就需高达200吨，若采用再生技术，携带的消耗品仍需达38吨。因此，从地球上携带资源来开展载人地外探索，任务成本代价极高，技术上也难以实现，必须对地外天体原位资源加以有效利用并对携带的物资进行循环利用，才能大大降低从地球携带的物资，使载人深空探索任务具备可行性。

[0004] 地外天体土壤储量丰富且矿物质成分多样，是开展原位资源有效利用的首选原材料。月壤可以用于环控生保物资、工程材料物资以及结构材料物资等。同时，月壤还可作为蓄能材料，将太阳辐射能进行收集存储，进行余热利用和热能供给。但由于月壤中不含有水和气体，热量在月壤中的传递主要依靠固体颗粒的导热和月壤孔隙的辐射来完成，导致原始月壤，特别是表层月壤的热导率极低(大致在0.9-1.6mW/(m.K)之间)。低热导率导致月壤升温仅限于极薄浅层，极大限制了月壤的温升蓄热能力，使得原始月壤利用价值大打折扣，也限制了原位资源利用技术的发展。月壤输运同样限制月壤的有效利用。传统输运方式，如气力输运、挖掘输运、升降梯输运等，不但系统组成复杂，可靠性不高，同时还面临输运工质损耗、能源消耗以及重量负担过重等不足，难以满足月壤高效、可控和便于实现的输运要求。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，基于原位资源高效利用思想，针对原位资源(表层土壤)输运困难、热导率低、蓄热能力有限等典型问题，提出一种基于静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统，利用保守静电力，实现原位资源颗粒的高效输运，利用新型聚光系统，实现高效光热转换，完成原位资源的熔融烧结处理，以提高原位资源的蓄热能力。

[0006] 本发明包括如下技术方案：一种利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统，包括静电输运子系统和聚光熔融烧结子系统，两子系统通过三维支架实现装配和位置调控；静电输运子系统通过保守静电力实现土壤颗粒的定向操控运动，聚光熔融烧结子系统通过太阳光聚光装置和导光装置，形成并操控聚焦光斑，烧蚀熔融土壤颗粒。

[0007] 所述静电输运子系统包括电帘、电源和输运管；电帘布置在输运管内壁底部，电帘外连电源；输运管采用带空腔的长方体结构，电帘布置在空腔下部。

[0008] 所述聚光熔融烧结子系统包括一次聚光装置、导光装置、打印喷头和二次聚光装置；太阳光经一次聚光装置形成聚集光斑，经导光装置传输至打印喷头，经二次聚光装置形成更小光斑，打印喷头熔融经静电输运子系统输运至此的土壤颗粒。

[0009] 所述输运管的进口端为铲式构型。

[0010] 所述电帘包括电极、绝缘衬底和绝缘膜；电极铺设在聚缘衬底之上，电极上表面覆盖聚缘膜；

[0011] 电源包括太阳能电池片、蓄电池、DC/AC变换器、继电器和升压器；太阳能电池片将太阳光能转换为电能，一部分白天经DC/AC变换器由直流电变换为交流电，另一部分储存在蓄电池内，晚上再由蓄电池经DC/AC变换器由直流电变换为交流电；继电器控制交流电向电帘供电，升压器维持继电器的内部工作压力，继电器的开关控制指令来自外围控制器，当继电器开关闭合时，电帘开始工作。

[0012] 所述导光装置采用导光管或多束集聚式光纤。

[0013] 所述二次聚光装置采用透镜或锥形棱镜或菲涅尔透镜。

[0014] 本发明与现有技术相比的有益效果是：

[0015] 本发明采用静电保守力进行颗粒输运，基本摆脱颗粒搬运带来的能源和物质消耗，同时原理简单可行、颗粒操控精度高，部件组成较为简单，技术成熟度较高；采用太阳能聚光方式进行光热转化，采用导光方式实现聚焦光斑的位置调控，实现了原位资源加工处理的光热直接转换，避免引入光-热-电-热等循环转换使用模式，系统整体效率更高，部组件组成更为简单可靠。同时，将静电输运与聚光熔融烧结配合使用，原位资源烧结更彻底，加工精度和加工质量更高。

附图说明

[0016] 图1为本发明的利用静电输运和聚光熔融烧结的原位月壤加工系统示意图；其中1-旋转抛物面反射镜，2-平面反射镜，3-对日定向装置，4-导光装置， 5-二次聚光装置，6-打印喷头，7-静电输运子系统，8-三维支架，9-土壤颗粒， 10-太阳能电池片。

[0017] 图2a为本发明的静电输运子系统结构装配示意图；其中，7-1：输运管。

[0018] 图2b为本发明的静电输运子系统结构组成示意图；其中7-1：输运管，7-2：电极，7-3：绝缘膜，7-4：绝缘衬底。

[0019] 图3为静电输运系统行波电帘供电示意图；

[0020] 图4为空间3D打印系统综合控制策略。

具体实施方式

[0021] 为进一步的认识与了解本发明的特征、目的及功能 ，下文将结合具体实施方案，对本发明的设计思想进行说明，以了解本发明的特点，详细说明陈述如下：

[0022] 如图1、2所示，本发明利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统主要包括静电输运子系统7和聚光熔融烧结子系统。

[0023] 静电输运子系统主要由电帘、电源和输运管7-1组成。电帘由电极7-2、绝缘衬底7-3和绝缘膜7-4组成，电帘一般分为两种：不透明的和透明的。不透明的一般以聚酯材料为绝缘衬底7-3,以铜作为电极7-2,绝缘膜7-4采用表面喷涂聚酯薄膜；透明的是以玻璃或柔性聚酯材料为绝缘衬底7-3,以氧化铟锡 (ITO)为电极7-2,绝缘膜7-4采用表面喷涂聚酯薄膜。电源由太阳能电池片10 (单晶硅太阳能电池片)，蓄电池(锂离子电池)，DC/AC变换，继电器，升压器组成。太阳能电池经太阳光能转换为电能(直流电)，一部分经DC/AC变换器再由直流电变换为交流电，另一部分储存在蓄电池内，晚上再由蓄电池经 DC/AC变换器再由直流电变换为交流电；继电器控制交流电向电帘供电，供电策略如图3所示，升压器维持继电器的内部工作压力，继电器的开关控制指令来自外围控制器。在继电器开关闭合时，电帘开始工作。由于电帘的三个极连接到多相交流电源上，从而产生交流电场的行波，在电场的作用下，土壤颗粒 9从输运管7-1左端吸入，随行波举起而运动，开始以跳跃的方式输运到输运管7-1右端，从而达到输运的目的。输运管7-1采用带空腔的长方体形式，电帘布置在空腔下部；为了便于原位土壤颗粒9进入，输运管7-1进口端为铲式构型。

[0024] 聚光熔融烧结子系统主要由一次聚光装置、导光装置4和二次聚光装置组成。其中，一次聚光装置包括旋转抛物面反射镜1、平面反射镜2和对日定向装置3组成；导光装置4采用导光管或多束光纤集聚；二次聚光装置5采用聚焦透镜，如常规透镜或锥形棱镜或菲涅尔透镜等。太阳光经一次聚光装置形成聚集光斑，经导光装置4传输至打印喷头6，打印喷头6内部的二次聚光装置 5对聚焦光斑进行二次聚焦，形成更小光斑，经打印喷头6喷嘴输出，熔融经静电输运子系统7输运至此的原位资源土壤颗粒9。

[0025] 一种利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统采用一套综合控制系统和策略，如图4所示。综合控制系统由控制器实现对三维支架8、静电输运子系统7的继电器以及对日定向装置3的综合控制；三维支架8实现静电输运子系统7以及聚光熔融烧结子系统打印喷头6的运动；静电输运子系统继电器控制电帘电极7-2的供电；对日定向装置3实现对一次聚光装置对日定向控制。控制器统一由空间计算机发送控制指令。

[0026] 综上所述，本发明提供一种利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统，利用静电保守力实现原位资源颗粒的定向输运，物质和能源损耗小，利用聚光系统对原位资源颗粒进行熔融烧结，实现太阳光的光热直接利用，系统输运能耗小，太阳光利用效率高，系统组成简单，加工精度和可控性高，是未来月球资源原位开发利用的重要手段，也是空间原位增材制造的便捷途径，具备很强的竞争力，符合专利发明要求具备的新颖性、创造性、实用性要求。