一种特种空间一体化制铁装置及其方法 |
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| 申请号 | CN201810338859.1 | 申请日 | 2018-04-16 | 公开(公告)号 | CN108384912B | 公开(公告)日 | 2023-08-18 |
| 申请人 | 中国矿业大学(北京); | 发明人 | 杨晓峰; 周洲; 毕涵喆; 李航宇; 张静远; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种特种空间一体化制 铁 装置及其方法，该装置包括壳体和设于壳体内的电 力 系统、动力系统、制铁系统和控制单元，所述电力系统包括 太阳能 电池 板和电源；所述动力系统包括喷射口和滚轮，所述喷射口设有四个部分，所述滚轮设有两个；运行时，放下滚轮，通过不断交替改变各喷射口的 开关 ，使壳体保持距月球表面一定高度的适速飞行；所述制铁系统包括高温还原室、三脱 处理室 和打印室，利用高温还原铁的 氧 化物以制成特定 建筑材料 ；所述控制单元分别与电力系统、动力系统和制铁系统通过电线连接。该一体化制铁方法利用了电磁体的 磁性 ，方式巧妙；结构轻巧方便，适于复杂地形；采用3D打印技术，所得建筑材料多样；污染小。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种特种空间一体化制铁装置，安装于火箭舱内，随火箭进入月球环境后可脱离舱体独立工作，包括子弹头形壳体(1)和设于壳体(1)内的电力系统、动力系统、制铁系统(7)和控制单元(8)，控制单元(8)分别与电力系统、动力系统和制铁系统(7)通过电线(9)连接，其特征在于： |
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| 说明书全文 | 一种特种空间一体化制铁装置及其方法技术领域[0001] 本发明涉及太空技术领域，尤其是制铁技术领域，具体而言涉及一种特种空间一体化制铁装置及其方法。 背景技术[0002] 随着月球资源开发取得较大成果，小型试生产的产品已不能满足需求，我们需要进一步扩大再生产，使月球生产活动逐步走向批量化生产。与此同时，由于进入月球参加开发的人员增多，所建月球基地会显得拥挤不堪，需要完成改建、扩建基地工程，而这无疑需要大量的建筑材料。 [0003] 月球上特殊的工作环境给基地的扩建工程造成了极大的困难。月球环境的特殊性主要在于重力小、没有大气层和地形较为复杂。月球环境的特殊性造成的一些工程难题，归纳为三点：一是低重力，月球的低重力环境不同于地球，给建筑材料的制作和运输过程增加了负担；二是温差大，由于月球没有大气层，月球昼夜温差极大，可达到200度以上，因此需要考虑装置材料的耐热性；三是地形复杂，月面上山岭起伏，峰峦密布，工程中的运输装置必须适应月球上的复杂地形。根据对考察船带回的样品进行化验，证实了在月球表面五厘米厚的尘埃里，约含有四万亿吨铁，即月球表面的铁的总含量将是八百万亿吨。而且，月球上的铁比地球上更容易提炼，更纯。 [0004] 研究发现，理论上将月球上的砂加热到1400℃即可成铁。研究人员用地球上的还原剂对月砂进行了炼铁研究，初步获得成功。然而，目前由于成本和批量生产方面问题仍多，月球上的炼铁技术在短期内难以实用化。 发明内容[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种特种空间一体化制铁装置及其方法，以解决月球上建筑材料的制作和运输工作，实现月球基地的改建、扩建。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案： [0006] 一种特种空间一体化制铁装置，包括壳体和设于壳体内的电力系统、动力系统、制铁系统和控制单元；所述电力系统包括太阳能电池板和电源，所述太阳能电池板紧贴壳体上侧，用于吸收太阳光和其余光线中的能量，所述电源用于储存太阳能电池板收集的能量并与装置中各耗能元件连接为其供给电能；所述动力系统包括喷射口、燃料区和滚轮，所述喷射口设置四个部分，第一部分推进喷射口位于尾端截面上，作为主推进器用于给装置前进的动力，第二部分调姿喷射口共四个，位于尾端截面上推进喷射口周围，作为副推进器给装置前进动力的同时改变装置上下左右的运行方向，第三部分自平衡喷射口若干，位于装置尾部外壳上，沿环向集合而成，用于抵消力矩防止装置自转；第四部分升降喷射口共四个，位于装置下端，用于控制装置的升降，改变各喷射口的开与关从而控制装置的飞行，所述燃料区作为存放燃料和燃料发生反应的区域，反应过程中产生的气体喷出后增加装置的动能，为装置的运动提供动力，所述滚轮工作时在月球表面滚动，用于保持装置底部与月球表面间的距离；运行时，放下滚轮，锁定滚轮轴承，通过不断交替改变各喷射口的开与关，使装置保持距月球表面一定高度的适速飞行；所述制铁系统位于壳体中间部分，包括超声波发射器、高温还原室、三脱处理室、打印室、电磁体、推砂片、伸缩杆、磁性铁渣收集台和管道，所述超声波发射器发射高频率机械振荡波为高温还原室和三脱处理室提供工作所需热量，所述高温还原室作为还原铁的氧化物的区域，工作时加入还原剂，利用高温将部分铁的氧化物还原成单质铁，月砂化为铁水进入制铁的后续流程，所述三脱处理室作为脱去铁中杂质的区域，在高温状态下加入相应的物料主要脱去铁水中的磷、硫、硅三种不利元素，所述打印室作为打印金属铁的区域，将熔融的铁单质注入打印室中以得到有特定形状的建筑材料，所述高温还原室、三脱处理室、打印室统称为处理室，所述电磁体用于控制制铁流程，电磁体有通电生磁的性质，通电时可吸引铁单质和部分铁的氧化物，控制物质在三个处理室中的流入和流出，所述推砂片前端薄后端厚，整体呈流线型，用于切削月砂，所述伸缩杆用于控制推砂片的伸缩以确定切削月砂的厚度，避免电磁体磁性过大造成的管道堵塞，所述磁性铁渣收集台为密闭容器，用于收集高温还原室和三脱处理室中产生的废料，所述管道用于连接各处理室并引导物质在各处理室中的流动；所述控制单元分别与电力系统、动力系统和制铁系统通过电线连接。 [0007] 优选地，所述壳体为子弹头形。 [0008] 优选地，所述滚轮设置两个，分别置于壳体下部中间的左右两侧，且为万向滚轮。 [0010] 一种特种空间一体化制铁方法，包括以下步骤： [0011] S1：准备步骤，开启一种特种空间一体化制铁装置，在高温还原室中加入木炭； [0013] S3：制铁步骤，一种特种空间一体化制铁装置制铁系统开始运转制铁； [0014] S4：飞行步骤，操控控制中心使一种特种空间一体化制铁装置飞行至使用建筑材料的指定地点； [0015] 进一步，在S1步骤中，太阳能电池板、滚轮、推砂片收起于壳体内。 [0016] 进一步，在S1步骤中，预先展开太阳能电池板收集太阳能，防止装置在工作过程中的电量不足。 [0017] 进一步，在S3步骤中，动力系统同时运行，装置飞行速度控制在8m/s以下。 [0018] 进一步，在S4步骤中，到达指定地点后，处理磁性铁渣收集台中的废渣。 [0019] 本发明的有益效果是：本发明一种特种空间一体化制铁方法从实用性出发，利用电磁体的磁性控制制铁流程，制铁方式巧妙，可以实现收铁、制铁、运铁一体化；该制铁装置结构轻巧方便，可以轻松在月球表面飞行工作，适于月球的复杂地形，同时其采用金属3D打印技术，可得到多样的建筑材料。污染小，本发明一种特种空间一体化制铁装置产生的废料为氧气和少量废渣，氧气是清洁能源，不会产生附带的垃圾，废渣量少，可于月球填埋。附图说明 [0020] 图1是本装置未开展状态的结构示意图； [0021] 图2是本装置工作状态的结构示意图； [0022] 图3是本制铁装置的制铁系统结构示意图。 [0023] 图中：1‑壳体，2‑太阳能电池板，3‑电源，4‑喷射口，401‑推进喷射口，402‑调姿喷射口，403‑自平衡喷射口，404‑升降喷射口，5‑燃料区，6‑滚轮，601‑滚轮轴承，7‑制铁系统，701‑超声波发射器，702‑高温还原室，703‑三脱处理室，704‑打印室，705‑电磁体，706‑推砂片，707‑伸缩杆，708‑磁性铁渣收集台，709‑管道，8‑控制单元，9‑电线。 具体实施方式[0024] 为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合附图1‑3对本发明的技术方案进一步介绍和说明。 [0025] 如图1至图3所示，一种特种空间一体化制铁装置，包括壳体(1)和设于壳体(1)内的电力系统、动力系统、制铁系统(7)和控制单元(8)；电力系统包括太阳能电池板(2)和电源(3)，太阳能电池板(2)通过电线(9)与电源(3)相连，吸收的能量储存至电源(3)中；动力系统包括喷射口(4)和滚轮(6)，喷射口(4)分为四个部分，各部分都通过电线(9)与控制单元(8)相连，控制单元(8)控制各喷射口(4)的开与关从而控制装置的运行，滚轮轴承(601)通过电线(9)与控制单元(8)相连，控制单元(8)通过改变滚轮轴承(601)的转动角从而控制滚轮(6)的收放；制铁系统(7)包括超声波发射器(701)、高温还原室(702)、三脱处理室(703)、打印室(704)、电磁体(705)、推砂片(706)和管道(709)，超声波发射器(701)、打印室(704)和电磁体(705)通过电线(9)与控制单元(8)相连，由控制单元(8)控制，超声波发射器(701)与高温还原室(702)和三脱处理室(703)连接，为两处理室内物质加热，高温还原室(702)、三脱处理室(703)和打印室(704)通过管道(709)相连，电磁体(705)置于管道(709)外侧；控制单元(8)分别与电力系统、动力系统和制铁系统(7)通过电线(9)连接；控制单元(8)与电力系统相连接收电源(3)中的电能，与动力系统和制铁系统(7)相连为系统中各耗能元件输送电能；控制单元(8)接收、整合并发出信息，控制整个装置的运行。运行时，放下滚轮(6)，锁定滚轮轴承(601)，通过不断交替改变各喷射口(4)的开与关，使装置保持距月球表面一定高度的适速飞行。 [0026] 进一步，所述装置安装于火箭舱内，随火箭进入月球环境后可脱离舱体独立工作。 [0027] 进一步，超声波发射器(701)发射20kHz的超声波。 [0028] 进一步，切削月砂的厚度为4cm‑5cm。 [0029] 一种特种空间一体化制铁方法，包括以下步骤： [0030] S1：准备步骤，开启一种特种空间一体化制铁装置，在高温还原室中加入木炭； [0031] S2：飞行步骤，操控控制中心(8)使一种特种空间一体化制铁装置飞行至开采月砂的指定地点； [0032] S3：制铁步骤，一种特种空间一体化制铁装置制铁系统(7)开始运转制铁； [0033] S4：飞行步骤，操控控制中心(8)使一种特种空间一体化制铁装置飞行至使用建筑材料的指定地点； [0034] 进一步，在S1步骤中，太阳能电池板(2)、滚轮(6)、推砂片(706)收起于壳体(1)内。 [0035] 进一步，在S1步骤中，预先展开太阳能电池板(2)收集太阳能，防止装置在工作过程中的电量不足。 [0036] 进一步，在S3步骤中，动力系统同时运行，装置飞行速度控制在8m/s以下。 [0037] 进一步，在S4步骤中，到达指定地点后，处理磁性铁渣收集台(708)中的废渣。 [0038] 以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。 |
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