催化分解結構的載重泡沫體的製作方法
2024-04-07 15:49:05 1
專利名稱：催化分解結構的載重泡沫體的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及在軌道內的助推載重(boosting payload)，和更特別地涉及可分解結構的載重泡沫體支持載重的用途。
背景技術：
空間任務及其硬體設計折衷於衝突的要求。為了逃離地球的地心引力，要求極大的力和能量將空間硬體安置在軌道內。本質上這些大的力和能量被衰減到載重上。一旦進入軌道，太空的真空顯示出相對小的結構機械環境。因此，空間硬體被設計為具有顯著的強度以經受住不需要的同時在軌道內的助推環境。這一「過度設計」導致結構堅固和重質的空間硬體。
另外，為了努力節約軌道發射的數量，並因此節約任務成本，工程師曾經常常設計助推器載重一次發送數顆衛星。為了進行發射，在助推負載下設計結構「運載艙(bus)」或「樹」來懸掛衛星。由於苛刻的助推器環境，因此這些運載艙堅固且重質，從而在大氣內出軌和破壞之前行使非常有限和緊要的任務。隨後的問題是作為太空廢墟殘留的這些常規的解決方法使用的硬體數量。
目前，採用下述原理，設計太空的載重空間受約束的載重必需經受住在10Hz的連續和同步頻率以及升高的溫度下軸向典型地超過10G的助推環境。必需設計載重支持結構經受住太空的溫度和化學極限。必需設計載重支持結構，其方式要使得沒有妨礙在衛星或者衛星運載艙上的功能硬體(其中使用術語「運載艙」描述攜帶數個衛星或者衛星組件到軌道內的載重結構)。所得大的且幾何形狀低效的設計以質量過大的結構形式殘留在空間內，從而在機械友好的太空環境內提供很少價值或者沒有提供價值。另外，這種設計笨重且昂貴，從而導致兩個歷史重要的問題。首先，對於軌道發射來說，重量就是財富(money)；因此，貨艙(bulk)昂貴。第二，空間組件具有有限的壽命使用率，且當該組件不再有用時，結果是在太空內殘留貨艙。在近20年來，科學家與研究了因老衛星導致的太空碎片的影響，且認為這是對輕便的新型硬體進入所需軌道內的能力的嚴重威脅。
目前，升華(sublimating)泡沫工業受限於保護地面載重避免運輸的物理環境所使用的包裝材料的分解。最近，環境壓力要求有機泡沫體，例如聚苯乙烯不僅在大氣內分解，而且在其中可獲得有限的氧分子的水和土壤下分解。為此，最近努力於用氧化劑塗布包裝材料，所述氧化劑要求非常少的光或熱以釋放並進攻泡沫體。
因此，所需要的是在發射過程中保護載重，即空間硬體，而且一旦載重置於太空內，則可棄置的解決方法。
發明內容
根據本發明的一個方面，使用可分解的泡沫體，在發射過程中保護載重。一旦進入太空內，則至少部分包圍載重的可分解泡沫體，通過暴露於高能電磁輻射下，則分解。
此外，根據本發明的另一方面，提供通過飛行器發射到太空內的載重，其中該載重包含在飛行器內，且被可分解泡沫體至少部分包圍。
再進一步地，根據本發明的再一方面，提供將載重發射到太空內的飛行器，其中該載重在飛行器內通過至少部分包圍載重的可分解泡沫體受到保護免受發射力作用。
根據本發明再進一步的方面，提供在發射到太空內的過程中保護載重的方法。該方法包括用可分解泡沫體至少部分包圍載重；和一旦載重進入太空內，通過暴露於高能電磁輻射下使該泡沫體分解。
圖1是現有技術的空間發射的載重結構的剖視圖；圖2是空間發射的載重的運載艙的示意圖，但具有包含在常規發射飛行器內的多顆衛星；
圖3是在本發明實踐中使用的空間發射的載重結構的實施方案的剖視圖；和圖4A-4D描繪了根據本發明實施方案的輕質運載艙結構(圖4A)，衛星陣列(圖4B)，升華結構的載重泡沫體(圖4C)和三種組件的組合裝配體(圖4D)。
具體實施例方式
根據本發明，封裝將在太空內助推的載重的紫外(UV)催化的升華泡沫體提供超輕質、可適配的設備，以助於輕質、小得多的衛星和空間硬體經受住助推環境。使用可分解的泡沫體，在助推器的載重內，而不是在常規的重質和複雜結構框架內容納多顆衛星。UV催化的分解泡沫體顯著降低所有空間硬體的重量與結構。對於星座體系來說，在其中要求數個或者甚至數以百計的衛星的情況下，這一包裝體系是特別有益的，從而顯著地有益於在太空內採用的所有技術，其範圍從移動通信工業到DOD應用。除了重量和成本節約以外，這一泡沫體的許多優點在於它可適應於任何載重的形狀，這是因為它可被注射、噴灑、成形、模塑、容易切割或者製造以支持所要求的任何幾何形狀。
可使用進行摻加以抵銷和減弱特定環境頻率的有機泡沫體，以便成功地支持助推到軌道內的空間硬體。此外，結構介質(例如，玻璃、金屬薄片、纖維、塑料、橡膠等)可包埋在分解泡沫體內，以便相對於泡沫體將暴露於其下的環境，優化泡沫體。
一旦進入軌道，則載重的護罩打開，於是將這一結構的載重泡沫體暴露於太空的高強能量，例如UV環境下。這一UV能量催化泡沫體分解，於是暴露相對於太空真空優化的輕得多的硬體。可設計該泡沫體，強化光引發反應的自然傾向，因為對太空內容易獲得且通過臭氧自然過濾的低波長UV(＜290nm)來說，最易變地發生所述光引發反應。這一自然特徵增加的附加價值在於在地球上生產並加工時該材料穩定，而當暴露於太空UV環境下時升華或分解。
正如此處所述，通過高能電磁輻射，優選UV輻射，典型地小於約1000nm(1微米或者10-6米)，和優選小於約100nm(10-7米)，可分解泡沫體。在優選的實施方案中，高能包括小於290nm的低波長的UV。儘管就UV輻射給出了說明，但本領域的技術人員要理解，也可在分解泡沫體中使用較高的能量，包括，但不限於，X-射線、γ射線和宇宙射線。
可獲得數種材料從中選擇以供開發UV催化的升華結構泡沫體。目前，工業使用短鏈(塑料)和長鏈(橡膠)聚合物、乙烯基氯和聚碳作為UV反應基礎成分。由於通過原子之間的化學(共價)鍵保持在一起的非常高分子量的分子導致產生這些材料的獨特性能，例如強度、韌度、抗撕裂性。普通的聚乙烯膜的分子量為約300,000。相比之下，二氧化碳和水的分子量分別為44和18。為了定義，聚合物，例如聚乙烯的降解來自於每一分子內碳鍵的斷裂，且同時降低分子量並損失機械性能，例如拉伸強度、韌度和伸長率百分數。因此，含有可分解添加劑的產品顯示出分子量的顯著下降，從250,000下降到平均小於4000，從而導致該材料的快速分解。這一分子分解的效果是放熱反應，於是保持掌管該科學的物質和能量守恆。合適的有機泡沫體基礎成分的實例包括，但不限於，膨脹或擠出聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯共聚物和聚氨酯。
許多因素可能引發可降解聚乙烯包裝的降解，例如紫外光、熱、氧氣和膜的應力(例如，牽引和撕裂)。一旦引發降解，則它必需繼續。一般地，在催化事件中要求氧氣；然而，最近科學家用包含在泡沫體物質內的過氧化物取代大氣，以加速該工藝，而與大氣無關。降解的最終結果是釋放醇、二氧化碳和水(後反應副產物)。後反應泡沫體的副產物確保沒有有害的膜或者碎片殘留在太空硬體上。
這一反應的簡單實例可採用產生臭氧的實例來表達。臭氧是優良的氧化劑，且強烈地進攻有機泡沫體。當將O2和NO2的混合物暴露於亮光下時，可形成臭氧
在這一工藝中，作為中間體形成單氧原子(O.)，所述單氧原子的反應性極大，且容易連接到任何清除分子上。在大氣情況下，它與可容易獲得的O2連接，從而形成臭氧O3。這是光輻照化學反應的一個簡單實例。同樣簡單和直接可用的是臭氧和在低頻波長下解離的二氧化碳分子的紫外光合成反應。這一基本的化學規則是釋放氧氣分子的關鍵，其中氧氣分子將進攻並分解泡沫體。在一個實施方案中，用通過低波長(小於290nm)UV輻射給予能量的氧化劑，或者自由基引發劑包埋泡沫體。一旦UV能量釋放出自由基形式的氧化劑，則在太空內不存在O2或其它清除劑將保證這些自由基繼續進攻唯一可獲得的清除分子泡沫體。
兩種化學品及其常見化合物具有資格作為容易獲得的氧化劑，所述氧化劑可藉助UV光有效地釋放，以分解有機泡沫體；它們是氧氣和氟。分解泡沫體可使用的所得化合物，即自由基引發劑的實例，包括，但不限於，氧化鋁、氫過氧化物、三氧化硫、氟化硫、一氧化二氮、苯偶醯二甲基縮酮、三甲基二苯甲酮、α-羥基酮、二苯甲酮、過氧化苯甲醯、二異丙基過氧二碳酸酯、二仲丁基過氧二碳酸酯、過氧叔丁基戊酸酯、過氧化辛醯、過氧化月桂醯、過氧化乙醯、叔丁基過氧異丁酸酯、過氧化對氯苯甲醯、過氧化羥庚基、二過氧鄰苯二甲酸二叔丁酯、過乙酸叔丁酯、過氧叔丁基異丙基碳酸酯、過苯甲酸叔丁酯、過氧化二枯基、氫過氧化叔丁基、甲基乙基酮過氧化物、過氧化二叔丁基、氫過氧化對孟烷、氫過氧化蒎烷、氫過氧化枯烯、2，5-二甲基-2，5-二氫過氧化物、叔丁基氫過氧化物-90、過硫酸銨、過硫酸鉀，偶氮化合物，例如，2，2`-偶氮雙異丁腈、4，4`-偶氮雙(環己腈)、4，4`-偶氮雙(4-氰基戊酸)和2，2`-偶氮雙(2-甲基丙烷)、TRIGONOX 21(叔丁基過氧-2-乙基己酸酯，可獲自Akzo Nobel)和PERKADOX 16(二(叔丁基環己基)過氧二碳酸酯，可獲自Akzo Nobel)，和有機過氧化物，例如過氧化二枯基、過氧化二辛醯、過氧化二肉豆蔻基、過氧化月桂醯、1，1-二(叔丁基過氧環己烷)、叔丁基過氧二乙基乙酸酯和氫過氧化枯基。最優選過氧化苯甲醯以提供自由基引發劑的釋放。
對泡沫體進行摻加以抵銷和減弱特定環境的頻率，以便成功地支持助推到軌道內的空間硬體。一旦進入軌道，則載重的護罩打開，於是將暴露於太空的強UV環境下。這一UV能量催化泡沫體分解，於是使相對於太空真空優化的輕得多的硬體暴露。如前所述，也可使用X-射線、γ射線和宇宙射線，以催化泡沫體的分解。
封裝將在太空內助推的載重的紫外(UV)催化的分解泡沫體提供超輕質、可適配的設備，以助於輕質、小得多的衛星和空間硬體經受住助推環境。可使用可分解的泡沫體，在助推器的載重內，而不是在常規的重質和複雜結構框架內容納多顆衛星。UV催化的分解泡沫體顯著降低所有空間硬體的重量與結構。對於星座體系來說，在其中要求數個或者甚至數以百計的衛星的情況下，這一包裝體系是特別有益的，從而顯著地有益於在太空內採用的所有技術，其範圍從移動通信工業到DOD應用。除了重量和成本節約以外，這一泡沫體的許多優點在於它可適應於任何載重的形狀，這是因為它可被注射、噴灑、成形、模塑、容易切割或者製造以支持所要求的任何幾何形狀。
使用分解泡沫體具有許多其它應用。例如，空間機構輸送載重到太空內並用氣體推進器操縱。這些推進器要求大的罐式容器，所述罐式容器當被輸送到軌道上時，要求對助推環境絕緣。泡沫體是很好的絕緣體。目前，這些罐是用泡沫體和軟木絕緣的。科學家長期希望使用空罐作為在空間站內的結構件。然而，保護罐所要求的泡沫體絕緣會妨礙這些罐容易地用作結構件。對於以太空為基礎的組件來說，此處所公開的UV催化的升華/分解絕緣載重介質(泡沫體)將是這一問題的優良解決方案。該泡沫體一旦進入太空將分解，從而暴露有用的結構件。
或者替代地，科學家長期希望助推硬體(在完成其任務之後)通過地球大氣返回，於是引起它燃燒並自破壞。由於目前現有技術的軟木和泡沫熱保護體系(TPS)被設計為保護在軌跡上向上的助推器組件，因此它在向下返回的路線上繼續履行其功能，從而妨礙這一容易處置的方法。結果是過量的太空碎片。分解泡沫體TPS將保護在軌跡上向上的助推器組件，直到接近遠地點，在此它暴露於太空的低波長光能下。催化的最終結果是消除了TPS，於是暴露原始的硬體，從而以助於所用完成任務的硬體的安全的「pitch and ditch」處置。
圖1示出了目前空間發射的載重結構的實例。載重結構10包括管狀框架12和多個懸臂支持件14。管狀框架12較重，且提供因存在多顆衛星導致的橫向負載的支持(參見圖2)。懸臂支持件也較重，這是因為在起飛過程中，它們必需承載多顆衛星的重量。載重結構10的重量數量級為10,000磅。
圖2示出了在使用之中的載重結構10，其中示出了支持多顆衛星18的衛星運載艙16。在發射過程中，蛤殼式護罩20包圍衛星運載艙，並當希望利用衛星18時打開。衛星運載艙16通過火箭加速器22驅動，以到達所需的軌道，在此利用衛星18。
根據本發明的教導，正如圖3所示，提供載重結構30。載重結構30包括承載在底座34上的桅杆(mast)32。桅杆32包括多個釋放裝置36。
桅杆32沒有起到框架12的作用，且沒有哪一處幾乎一樣重。底座34可以是實心的，或者為了進一步減輕重量，為所示的穿孔狀。釋放裝置36提供在支持位置內的同時與衛星18的互連，但一旦接收信號，則從控制站(未示出)中釋放衛星。載重結構30的重量的數量級為1,000磅，或者為小於現有技術結構10的數量級。
圖4A-4D示出了組裝運載艙結構30、衛星18和結構泡沫體40的順序。圖4A所示的輕質運載艙結構30與圖3所描述的相同，所不同的是替代的基底34，它未穿孔。圖4B描繪了在運載艙結構30上安裝的多顆衛星18，從而形成改進的衛星運載艙116。圖4C用透視法示出了分解結構的載重40。圖4D示出了組裝的單元(運載艙結構30、衛星陣列116和泡沫體40)。
可看出圖4C所示的泡沫體結構40具有底座支持件42、多個側面支持件44和頂部圓環46。底座支持件42在每一組衛星18a、18b的底座處提供支持，正如圖4D所示，其中使用兩個泡沫體結構40a、40b，一個用於每一組衛星。連接到內部支持件46上的多個側面支持件44提供側面支持。泡沫體結構40a、40b至少部分包圍，或者圍繞載重。此外，可與分解泡沫體以及本領域的技術人員熟悉的其它經典的機械裝置相關聯地使用輕質、可採用的環形條或帶(為了清楚起見，沒有示出)，以輔助助推飛行的剪切負載。
對於太空應用來說，使用升華結構的載重泡沫體的優點包括·重量。目前的衛星和太空載重材料比發泡有機泡沫體重20-30倍。在輸送硬體到軌道中，重量與成本直接成正比。目前，將硬體安置在低地軌道(LEO)內的成本為約$100,000/lb。估計使用本發明的分解性載重泡沫體可容易地節約200lbs的載重/次軌道助推，從而導致保守節約$20,000,000/次火箭飛行。
·幾何形狀。由於現有技術的空間載重結構在其整個壽命中保持在衛星上，因此它們被設計為不幹擾衛星上的功能組件。功能組件被迫從懸臂的結構件處懸掛，從而導致低效的結構幾何形狀，因此進一步增加載重的重量。在使用本發明的可分解泡沫體中，泡沫體在太空中消失，因此可被設計為直接支持功能硬體，於是優化所要求的材料。
·太空碎片。顯然，更少的太空碎片是更好的。UV催化的反應的產物是水、二氧化碳和醇。由於諸如鋁和硬聚合物之類的材料顯著減少，因此當衛星變舊且不再具有功能時，所得太空碎片也顯著減少。
·硬體。使用升華泡沫體不限於在整體上替代支持衛星的結構件。這一泡沫體可應用到在一次助推中攜帶多顆衛星進入軌道內所使用的運載艙上。它也可在諸如太陽能面板用骨架之類的組件水平上使用。在它解決的問題的性質上，使用升華泡沫體簡單地超越了全部太空基產品。
·在助推環境下太空組件經歷苛刻的機械應力。一旦進入太空的組件則基本上沒有經歷機械應力。由於這些事實，強制工程師設計在最糟糕環境下用的硬體。本發明的分解性載重泡沫體包裝僅僅助推環境下用的硬體，其補償是現有技術方法重量的1/20。
此處公開了有機泡沫體。然而，可替代使用無機泡沫體，或者可摻雜地結合有機材料使用無機泡沫體，以便改性/控制/改進泡沫體複合材料的分解速度和強度。
實施例在具有腔室窗的大氣控制和光控制的保護腔室內放入聚苯乙烯的擠出塊料。用氬氣反填充該腔室，以吹掃地球大氣。聚苯乙烯注射有氧化物，例如氫過氧化物、氧化鋁或三氧化硫。檢驗材料的穩定性。抽真空，以模擬太空。再次檢驗材料的穩定性。將腔室窗暴露於高頻UV光(模擬低波UV的汞蒸氣燈)下。再次檢驗材料的穩定性。將腔室窗暴露於低頻UV光下。觀察泡沫體的升華。
在不足的真空下進行上述實驗。使用氫過氧化物浴。使用汞鎘(mercad)-蒸氣燈。在汞光源下該材料數秒內分解。
工業實用性認為使用可分解泡沫體可用於在發射過程中保護載重。
權利要求
1.通過運載火箭(20，22)發射到太空內的載重(30，116)，所述載重容納在所述運載火箭內，且被高能電磁輻射可分解的泡沫體(40)至少部分包圍。
2.權利要求1的載重(30，116)，其中所述高能電磁輻射小於約10-6m。
3.權利要求2的載重(30，116)，其中所述高能電磁輻射是紫外輻射。
4.權利要求1的載重(30，116)，其中所述可分解的泡沫體(40)包括選自發泡聚苯乙烯、擠出聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯共聚物和聚氨酯的聚合物。
5.權利要求1的載重(30，116)，其中所述可分解的泡沫體(40)包括自由基引發劑。
6.權利要求5的載重(30，116)，其中所述自由基引發劑以足以在暴露於所述高能輻射下時引發所述可分解泡沫體(40)分解的用量存在。
7.權利要求1的載重(30，116)，其中結構介質包埋在所述可分解的泡沫體(40)內。
8.將權利要求1的所述載重(30，116)發射到太空內的運載火箭(20，22)，所述載重通過所述可分解的泡沫體(40)被保護在所述運載火箭內以免受發射力作用。
9.在發射到太空內的過程中保護權利要求1的所述載重(30，116)的方法，所述方法包括用所述可分解的泡沫體(40)至少部分包圍所述載重；和一旦所述載重進入太空，通過暴露於所述高能電磁輻射下，使所述泡沫體分解。
全文摘要
封裝將在太空內助推的載重(30，116)的高能，例如紫外(UV)催化的分解性泡沫體(40)，提供超輕質、可適配的設備，以助於輕質、小得多的衛星(18)和空間硬體經受住助推環境。可分解的泡沫體在助推器載重(30)內容納多顆衛星，而不是常規的重質和複雜結構的框架(10)。催化的分解性泡沫體顯著降低所有空間硬體的重量與結構。這一包裝體系對於要求數顆，甚至數百顆衛星的星座體系來說是特別有益的，從而顯著地有益於在太空內採用的所有技術，其範圍從移動通信工業到DOD應用。除了重量和成本節約以外，這一泡沫體的許多優點在於它可適應於任何載重的形狀，這是因為它可被注射、噴灑、成形、模塑、容易切割或者製造以支持所要求的任何幾何形狀。
文檔編號B64G1/64GK101044056SQ200580030180
公開日2007年9月26日 申請日期2005年8月16日 優先權日2004年8月18日
發明者Q·E·杜登 申請人:雷斯昂公司