ГРУППА ОБЕСПЕЧЕНИЯ СВОБОДНОЙ ОРИЕНТАЦИИ СФЕРЫ ОТНОСИТЕЛЬНО ВНЕШНИХ СИЛОВЫХ ПОЛЕЙ
GROUP OF ENSURING FREE ORIENTATION OF SPHERE REGARDING EXTERNAL POWER FIELDS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству обеспечения свободной ориентации сферы относительно внешних силовых полей.
В частности, устройство согласно изобретению в основном используется в качестве устройства для экспериментов в микрогравитации.
Предпосылки создания изобретения
Космическая среда предоставляет преимущества уменьшенного гравитационного поля для осуществления экспериментов, чувствительных к гравитации, или для обнаружения феноменов, скрытых на земле посредством присутствия гравитации. Тем не менее, на длительные эксперименты, даже в уменьшенном гравитационном поле, могут в меньшей или большей степени влиять эффекты остаточного гравитационного поля, присутствующего во время космической навигации; более того, во время навигации космические корабли изменяют свою ориентацию относительно остаточного гравитационного поля. Эти факты, по причине остаточной гравитации, приводят к присутствию возмущения, которое изменяется во время эксперимента по модулю и по ориентации. Во множестве случаев этот эффект, который не может быть ограничен или исключен, серьезно влияет на результаты экспериментов или усложняет их проведение.
Следовательно, существует потребность в разработке устройства, технические признаки которого обеспечивают преодоление технических проблем предшествующего уровня техники.
Идеей, на которой основано настоящее изобретение, является физический феномен долговременного подавления слипания, открытый несколько лет назад. Вкратце, когда капля жидкости нагревается до температуры выше, чем у твердой поверхности, к которой приближается капля, в капле возникают перемещения поверхности по причине изменения температуры поверхностного натяжения жидкой капли. Выполненные исследования показали, что такие перемещения поверхности захватывают воздух между поверхностью капли и твердой поверхностью, приводя к возникновению мягкой, лишенной трения подушки.
Подобное поведение наблюдается, когда друг с другом встречаются две капли, удерживаемые при разных температурах: две капли не слипаются, если они прижимаются друг к другу.
Заявитель использует этот феномен для удовлетворения описанной выше потребности.
Краткое изложение сущности изобретения
Предметом настоящего изобретения является устройство для экспериментов в условиях микрогравитации, существенные технические признаки которого изложены в п. 1 формулы изобретения и предпочтительные и/или вспомогательные признаки которого изложены в пп. 2-12 формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания изобретения ниже описан вариант осуществления в качестве иллюстрации и не для ограничения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
- Фиг. 1 представляет собой вид сбоку устройства согласно настоящему изобретению;
- Фиг. 2 представляет собой вид в частичном разрезе части устройства с Фиг. 1;
- Фиг. 3 представляет собой частично прозрачный вид сбоку первой отдельной части с Фиг. 2;
- Фиг. 4 представляет собой частично прозрачный вид сверху в перспективе второй отдельной части с Фиг. 2;
- Фиг. 5 представляет собой частично прозрачный вид сверху в перспективе третьей отдельной части с Фиг. 2;
- Фиг. 6 представляет собой частично прозрачный вид сверху в перспективе четвертой отдельной части с Фиг. 2.
Подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения
На Фиг. 1 устройство согласно настоящему изобретению в целом обозначено ссылочной позицией 1.
Устройство 1 в основном содержит поддерживающую конструкцию 2, цилиндрическую изоляционную герметизированную конструкцию 3, в которой проводятся эксперименты в условиях микрогравитации, и устройство 4 охлаждения/фильтрации, используемое для обеспечения циркуляции инертного охлаждающего газа, например азота, внутри изоляционной конструкции 3, как будет описано далее.
Как показано на Фиг. 2, внутри цилиндрической изоляционной герметизированной конструкции 3 устройство 1 содержит сферу 5, выполненную из легкого сплава на основе алюминия и выполненную из двух полусфер, привинченных друг к другу, два блокирующих элемента 6, воздействующих на сферу 5 с противоположных сторон и используемых для удерживания сферы 5, закрепленной в правильном положении во время нерабочей фазы устройства 1, четыре средства (7) обеспечения капель (на Фиг. 2 показаны только три из них), расположенные вокруг сферы 5 соответственно на четырех вершинах правильного тетраэдра, устройство 8 электростатического разряда, выполненное с возможностью приведения сферы 5 к такому же электростатическому потенциалу, как у средств (7) обеспечения капель, впрыскивающее (подающее) устройство 9, выполненное с возможностью подачи жидкости к четырем средства (7) обеспечения капель для осуществления соответствующих капель. Устройство 4 охлаждения/фильтрации может охлаждать поверхность сферы до температуры ниже, чем температура капель, для предотвращения слипания капель с поверхностью сферы, и может фильтровать газ вокруг сферы для предотвращения осаждения пыли на поверхность сферы и капель.
На Фиг. 2 средства (7) обеспечения капель 7 для понятности не показаны в разрезе из-за их сложной структуры.
Датчики температуры и давления необходимы для отслеживания температуры поверхности сферы, температуры капли масла, давления газа внутри герметизированной конструкции 3.
Внутри сферы 5 находится экспериментальное устройство, которое сообщается с внешним миром посредством набора беспроводных посредством плат беспроводной связи. Для обеспечения прохождения радиосигнала через металлическую сферу, антенна должным образом выполнена и расположена в канавке, просверленной в сфере. Антенна находится непосредственно под геометрической поверхностью сферы и покрыта проводящей эпоксидной смолой для предотвращения накопления электростатических зарядов на поверхности сферы. Шероховатость и плавность этой части поверхности сферы после нанесения смолы должны быть наиболее близки к шероховатости и плавности всей поверхности сферы.
Сфера 5 подвергнута нанесению никелевого покрытия и, как показано на Фиг. 3, состоит из двух полусфер 9a, 9b, привинченных друг к другу для расположения внутри самой сферы экспериментального оборудования 10 и платы беспроводной связи для осуществления связи.
В качестве альтернативы, сфера 5 может быть выполнена из графита или углеродных полимеров, преимуществом которых являются меньший вес и, в основном, прозрачность для радиосигналов; в этой конфигурации отсутствует потребность в антенне, вделанной в наружную поверхность сферы.
Блокирующие элементы 6 выполнены с возможностью обеспечения блокировки сферы 5 во время нерабочей фазы без залипания или царапания поверхности сферы и с возможностью поддерживания веса сферы (сфера плюс экспериментальное оборудование). Как показано на Фиг. 4, каждый блокирующий элемент 6 содержит узел 12 двигателя с кодовым датчиком положения и поршень 13, приводимый в действие узлом 12 двигателя с кодовым датчиком положения известным образом.
Каждый поршень 13 содержит чашеобразный свободный конец 14. В частности, в каждом поршне 13 чашеобразный свободный конец 14 имеет вогнутую часть, большую, чем поверхность сферы, и имеет шесть щелей 14a. Целью этих технических признаков является обеспечение охлаждения газом сферы также в зонах, закрытых чашеобразным свободным концом 14. Фактически, каждый чашеобразный свободный конец 14 в действительности соприкасается с поверхностью сферы только посредством окружного края 15, позволяя охлаждающему газу достигать, в основном, всей зоны поверхности сферы под чашеобразным свободным концом 14.
Только один из двух блокирующих элементов 6 содержит спиральную пружину 16, обмотанную вокруг стрежня соответствующего поршня 13. Таким образом, давление на поверхность сферы сводится к минимуму без ухудшения блокирующего усилия двух блокирующих элементов 6.
Как показано на Фиг. 5, каждое средство (7) обеспечения капель 7 содержит узел 17 двигателя с кодовым датчиком положения и поршень 18, приводимый в действие узлом 17 двигателя с кодовым датчиком положения известным образом.
К тому же, поршень 18 у одного из своих концов содержит внутреннюю конструкцию 19, выполненную из меди и содержащую нагреватель и датчик температуры. Внутренняя конструкция 19 содержит наружный наконечник 20, из которого образуется капля и который является остроконечным, обточенным в форму усеченного конуса с боковой поверхностью, наклоненной на 45°. К тому же, каждое средство (7) обеспечения капель содержит вход 21 жидкости, выход 22 жидкости, управляемый дистанционно двухходовой клапан 23 для обеспечения закрытия контура жидкости, и управляемый удаленно трехходовой клапан 24 для переключения от впрыскивания (подачи) к всасыванию и наоборот. Управляемые вход 21 жидкости и выход 22 жидкости очевидно соединены по текучей среде с внутренней конструкцией 19.
Устройство 8 электростатического разряда содержит узел 25 двигателя с кодовым датчиком положения, тонкую вольфрамовую проволоку 26, которая уложена в форме петли для улучшения соприкосновения с поверхностью сферы, и вторичную металлическую проволоку 27, выполненную с возможностью соединения тонкой металлической проволоки 26 с легким 28, которое прикреплено к опоре. Целью второй металлической проволоки 27 является осуществление заземления через специальный электрический жгут.
Для того чтобы знать, когда должно быть использовано устройство 8 электростатического разряда, устройство 1 содержит измеритель электрического потенциала (не показан на чертежах) для измерения электростатического заряда на сфере 5.
Как показано на Фиг. 6, впрыскивающее (подающее) устройство 9 содержит узел 29 двигателя с кодовым датчиком положения и резервуар 30 для жидкости, в котором может перемещаться поршень 31, приводимый в действие узлом 29 двигателя с кодовым датчиком положения. Впрыскивающее устройство содержит наполнительный клапан 32 и выход 33 жидкости, которые оба обращены в резервуар 30 для жидкости. Выход 33 жидкости соединен с входом 21 жидкости средства (7) обеспечения капель посредством шланга. Капли должны образовываться или всасываться только посредством перемещения поршня 31, и объем капель должен быть управляемым. Предпочтительно жидкости, используемые для образования капель, представляют собой силиконовые масла с разной вязкостью и длиной цепи.
Сильное влияние на устойчивость неслипающихся капель оказывают несколько факторов, такие как шероховатость поверхности, присутствие электростатического заряда, разность температур между каплей и поверхностью сферы, наличие пыли на поверхности сферы.
В целях удовлетворения требований, заключающихся в сохранении подходящей разности температур между каплей и поверхностью сферы и в сохранении окружающей среды вокруг сферы и капли свободной от пыли, разработано и осуществлено специальное устройство 4 охлаждения/фильтрации. Устройство 4 охлаждения/фильтрации содержит две одинаковые коробки (два легких) 34, в которых находятся управляемый вентилятор, охлаждающий элемент, наполненный водой, циркулирующей по замкнутой цепи, и пористый фильтр. Два легких 34 соединены с цилиндрической изоляционной герметизированной конструкцией 3 посредством двух герметизированных входных трубок 35. Каждая из двух герметизированных входных трубок 35 обращена в цилиндрическую изоляционную герметизированную конструкцию 3 посредством соответствующего входного окна.
Каждый вентилятор, расположенный в соответствующем легком 34, создает принудительную вентиляцию сухого чистого газа (азот или другие инертные газы), попадающего на сферу. Газ охлаждается посредством прохождения через охлаждающий элемент, через который течет охлажденная жидкость. Газ и охлажденная жидкость не соприкасаются. Температура охлаждающей жидкости может быть отрегулирована для получения подходящей эффективности охлаждающей струи газа.
Для предотвращения смещения сферы из-за потока газа, два входных окна выполнены напротив друг друга. Струи газа могут быть управляемыми для поучения нулевого нетто момента,  воздействующего на сферу. Поток газа и температура отслеживаются посредством специальных расходомеров и датчиков температуры.
Газ, впрыскиваемый (подаваемый) в конструкцию, вытягивается двумя противоположными выходными трубами 36 (на Фиг. 1 показана только одна), каждая из которых входит в цилиндрическую изоляционную герметизированную конструкцию 3 посредством соответствующего выпускного окна, расположенного на 90° от каждого из входных окон. Каждая выходная труба 36 соединяет цилиндрическую изоляционную герметизированную конструкцию 3 с соответствующим легким 34. В частности, каждая выходная труба 36 вытягивает газ из цилиндрической изоляционной герметизированной конструкции 3 и выпускает его в соответствующее легкое 34.
В основном, устройство 4 охлаждения/фильтрации состоит из двух одинаковых линий, каждая из которых работает для впрыскивания охлажденного/фильтрованного газа в цилиндрическую изоляционную герметизированную конструкцию 3 и для всасывания газа из цилиндрической изоляционной герметизированной конструкции 3.
Каждое из входных окон имеет диаметр примерно на 20 больше, чем диаметр сферы, для исключения попадания струй только на часть сферы. Таким образом, вся поверхность сферы всегда покрыта однородным потоком газа. В трубы вставлены подходящие отклоняющие элементы для обеспечения попадания струи газа во всю поверхность сферы. Оригинальное устройство является частью изобретения и является существенным для правильного функционирования основного устройства в ходе длительных экспериментов. Оно обеспечивает функции как фильтрации, так и охлаждения газа перед его вхождением в камеру, в которой подвешена сфера. Эффект охлаждения достигается посредством попадания газа в поверхность сферы. На самом деле, сфера не должна соприкасаться с какими-либо механическими удерживающими устройствами, иначе ее изоляционные характеристики будут утеряны.
Во время использования сфера 5 блокирована в ее правильном положении внутри изоляционной герметизированной конструкции 3 посредством двух блокирующих элементов 6, как показано на Фиг. 2.
Воздух, присутствующий внутри конструкции, извлекается посредством вакуумного насоса, соединенного с основной конструкцией 3 через специальный клапан. После достижения остаточного давления не более 1 мбар внутри герметизированной конструкции 3 вакуумный насос отсоединяется, и конструкция 3 соединяется с наполняющей линией с инертным газом посредством другого специального клапана. Затем конструкция наполняется инертным газом до достижения избыточного давления в 200 мбар относительно окружающего давления. В этот момент наполняющая линия также закрывается, и давление внутри конструкции 3 отслеживается посредством специального цифрового манометра. Затем приводится в действие система фильтрации/охлаждения для фильтрации охлаждения и фильтрации газа. Газ впрыскивается в конструкцию 3 через линии 35 и всасывается через линии 36 для повторной фильтрации и охлаждения. Минимальное рабочее избыточное давление задано составляющим 50 мбар относительно окружающего давления.
2
Начиная с этой ситуации, впрыскивающее устройство 9 впрыскивает силиконовое масло в каждое из четырех средств (7) обеспечения капель, которые образуют соответствующие капли. Предпочтительно используемое силиконовое масло отличается вязкостью 5 сСт (5 мм/с). Капли, конечно же, должны быть нагреты с помощью специального нагревателя, находящегося в медной внутренней конструкции 21. Температура нагревателя должна быть задаваемой и управляемой. В частности, после образования капли, нагреватель начинает нагревать ее до 55°C-60°C. Датчик, не показанный на чертежах, отслеживающий температуру капли, помогает определять достижение заданной температуры. В это же время сфера 3 приводится к температуре ниже, чем температура капли, посредством устройства 4 охлаждения/фильтрации.
После поверки удовлетворения требований к температуре оператор перемещает средства (7) обеспечения капель для медленного приближения капель к поверхности сферы до установления контакта. В частности, каждый двигатель 17 с кодовым датчиком положения приводит соответствующую образованную каплю в соприкосновение с поверхностью сферы. Фактически, капли приводятся только в видимое касание с поверхностью сферы. После установки соприкосновения со всеми каплями, они слегка прижимаются к сфере.
В этот момент оператор отодвигает блокирующие элементы для освобождения сферы, которая теперь может свободно перемещаться относительно капель, посредством того, что она поддерживается ими без трения.
Настоящее изобретение может оказаться особенно полезным в качестве нового устройства, которое может быть установлено на платформы микрогравитации для выполнения экспериментов, чувствительных к вращающемуся силовому полю, которое может ухудшить результаты эксперимента. На самом деле, во время полета по орбите вокруг Земли, платформы обеспечивают среды с уменьшенными уровнями гравитации (то есть, условия микрогравитации); тем не менее, такое желаемое условие дополняется несколькими нежелательными эффектами, которые иногда могут серьезно ухудшить результаты изучаемого эксперимента.
В отличие от того, что описано выше, количество капель, расположенных симметрично вокруг сферы, также может быть больше четырех. Чем больше количество капель, тем больше масса сферы, которую возможно поддерживать.
Обычно на земле без труда возможно образовывать капли диаметром 3-4 мм. Верхний предел может быть задан до диаметра 5 мм, более крупные размеры становятся неустойчивыми из-за гравитационного поля. В среде с уменьшенными уровнями гравитации возможно образовывать устойчивые более крупные капли (диаметром 20 мм или больше), необходимые для поддерживания нагрузки, величина которой зависит от количества капель, предусмотренных для установки.
Устройство согласно настоящему изобретению также может решать проблемы, относящиеся к присутствию вибраций, которые передаются на экспериментальные устройства, и к присутствию вектора остаточной гравитации, который не может быть исключен из-за характеристик, свойственных космическим полетам.
Отличительной особенностью устройства согласно настоящему изобретению является не только возможность ориентирования сферы и оборудования, расположенного внутри него, относительно любого вращающегося поля, действующего на саму сферу, но также и возможность применения сферы без трения, то есть без какого-либо воздействия на внутреннюю часть вследствие наличия механических соединений (как, например, в гироскопе). Например, для обеспечения ориентации сферы относительно вектора остаточной гравитации, присутствующего на борту находящихся на орбите космических кораблей, необходимо и достаточно расположить экспериментальную полезную нагрузку внутри сферы таким образом, чтобы центр массы не совпадал с геометрическим центром сферы.
Настоящее устройство также предоставляет возможность обеспечения пространства с улучшенными характеристиками гасителя вибраций; на самом деле, сами капли являются квази-идеальными изоляторами вибрации, действующими против высокочастотного возмущения.
В заключении, устройство согласно настоящему изобретению обеспечивает инновационное решение для обеспечения свободной ориентации, то есть без трения и физических или механических ограничений, сферических тел относительно силового поля (например, остаточной гравитации), воздействующего на саму сферу.
Настоящее изобретение относится к физическому устройству (оборудованию) для осуществления экспериментов по свободной ориентации сферы относительно внешних силовых полей, и рабочие параметры, используемые в этом устройстве, могут быть заданы техниками на основании конкретных экспериментальных ситуаций. Устройство также обеспечивает характеристики изолятора вибраций.
Иначе говоря, поскольку предметом изобретения является физическое устройство, описанный пример изобретения состоит из описания предпочтительного варианта осуществления оборудования со ссылкой на Фиг. 1-6. Никакие примеры рабочих параметров не описаны, поскольку предметом изобретения является не способ, а физическое оборудование.
К тому же устройство согласно настоящему изобретению разработано для использования в космическом пространстве, и описание рабочих параметров, приспособленных для работы на земле, не имеет смысла.