通用地面失重系统技术方案

本发明专利技术提供了地面失重系统和使用该系统在接近太空中存在的真实微重力条件和其他失重条件下评价、合成、调整、改变、加工和生产生物和非生物的、有生命和无生命的各种材料系统的方法。的方法。的方法。

General ground weightlessness system

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通用地面失重系统
[0001]相关申请的引证
[0002]本申请要求享有2019年8月30日提交的美国临时申请号62/894,667的优先权，该申请通过引用以全部内容结合于本文中。


[0003]本专利技术涉及在与非旋转流体介质接触并包含受重力影响或响应重力的材料系统的限界区域或体积内在周围环境中在存在非零、有限重力下产生或以其他方式诱导可变和失重条件的方法和设备。

技术介绍

[0004]人们越来越感兴趣和需要开发能够创造失重条件(<1g)的系统，尤其是地面系统(ground
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based system)。开发此类系统的兴趣源于全球对人类太空探索的追求，专门研究和开发地面系统才能在失重环境下更深入地了解非生物材料以及生物材料和系统(非生物和生物)的需要，生产用于地基(earth
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based)应用和失重下的极端空间环境的高性能材料、设备和系统的先进制造系统的需要，以及能够规模放大并通常适用于在失重环境中评价、合成、加工或生产各种材料系统的更便宜和更易于使用的实用地面系统的需要等。
[0005]迄今为止，只有有限数量的工程设计方法和设备能够创造能够降低重力对非生物材料系统的影响的情况，如聚合物、陶瓷、金属及其复合材料，以及非生命和有生命生物材料系统以及由非生物和生物材料组成的混杂材料系统而同时处于重力场影响之下的环境中。这些包括为在地面上地球环境中运行而开发的方法和设备，以及为在地面，即存在单位重力(1
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g或9.81m2/s)的行星表面或地球表面上运行而开发的方法和设备。地上失重系统的实例包括落塔和管道、气球、经历抛物线飞行模式的飞行器、探空火箭(sounding rocket)、卫星和低轨道空间站，如国际空间站(ISS)等。地面失重系统(ground
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based reduced gravity system)的实例包括悬浮系统(声学、磁力、电磁、静电、降落管)、脉冲EMAG系统、组合电磁(EMAG)/浮力系统、随机定位系统、离心系统、悬挂系统(动物)、竖直(headup)/倾斜系统、水浸系统和流体旋转系统等。
[0006]现有的失重系统包括：在重力环境中支撑测试物品以在模拟失重条件下测试测试制品的电缆系统；由人在微重力环境中操作的制造装置；一种包括通过为乘客提供重力或失重体验的加压气体发射乘用车的中空发射管的装置和方法；一种产生磁场以使加热和熔化的物质悬浮(levitate)并随后冷却而更精确控制材料形状的设备和方法；一种用于悬浮和浓缩气溶胶和其他小型液体/固体样品的低功率声学方法和设备；一种产生能够模拟局部区域如小容器中的低重力或超重力环境以影响材料合成的磁场的装置和方法；一种悬挂于飞行器上而执行抛物线飞行路径(其具有模拟失重环境的自动校正重心)的试验腔室；一种包括允许在失重环境中行走，用于训练、教育、娱乐和休闲目的的静态平衡的可调节弹簧设备的装置和方法；一种包括带有连接到经历模拟失重环境影响的负载的电缆的水平可移动托架(carriage)的可变重力场模拟器设备和方法；一种包括构造设计成自由落体下降期
间控制乘客的交互式塔架轨道和乘坐车辆的装置和方法。
[0007]关于材料合成与加工，现有系统包括：产生由允许在失重条件下动态控制晶体生长的高磁场引起的抗磁(diamagnetic)条件的设备和方法；一种结合自由电泳和多级萃取而改进细胞、颗粒、蛋白质和溶质的分离和纯化的装置和方法；一种包括在允许颗粒熔体在自由落体时凝固的静电悬浮炉中的落管型结晶体生产设备的装置和方法；一种包括在失重条件下产生熔体凝固的静电悬浮炉的装置和方法；一种在太空中利用增材制造工艺制造铸造金属物体的装置和方法。
[0008]关于细胞和组织生物反应器，现有系统包括通过利用旋转壁容器生物反应器诱导模拟微重力条件以生长活细胞和组织的装置和方法。相关系统，称为经典回转器(clinostat)，由Julius Sachs于1879年首次引入，使用类似的旋转系统，但用于幼苗和小植物以评价它们的重力响应。然而，这些系统都没有模拟微重力的关键特征，即消除测试物品周围液体和气体的对流混合。
[0009]因此，对于一种包括限界区域或体积，如经受环境重力场的腔室或容器，包含受重力影响的材料系统，浸在非旋转的动态流体介质中使自由落体条件保持长时间的通用地面失重技术平台，仍存需要。本专利技术满足了这种需要。

技术实现思路

[0010]一方面，本专利技术涉及一种失重系统，包括：至少一个导管，其具有至少一个与入口和出口连通的腔；入口，其定位于低于所述出口高度的高度处；通过流体导流器可流动穿过所述至少一个导管的流体介质；和限界腔室，其尺寸设计成在所述至少一个导管的所述至少一个腔内自由移动。
[0011]在一个实施方式中，所述至少一个导管以相对于垂直于重力的平面的一定角度对齐，该角度为约1
°‑
179
°
。在一个实施方式中，所述至少一个导管的尺寸设计成容纳入口和出口之间的限界腔室。在一个实施方式中，所述至少一个导管的轴向长度尺度大于限界腔室的轴向长度。在一个实施方式中，所述至少一个导管的长度为约1cm
‑
100m。在一个实施方式中，所述至少一个导管具有一定宽度或一定半径而使所述至少一个导管包括尺寸设计成容纳入口和出口之间的限界腔室的轴向长度与宽度或半径之间的一定纵横比。在一个实施方式中，所述至少一个导管具有约1cm
‑
10m的宽度。在一个实施方式中，该纵横比为约1:1
‑
100:1。
[0012]在一个实施方式中，该流体介质选自水、油、凝胶、空气、氮气、惰性气体、单相流体、多相流体及其组合。在一个实施方式中，该流体介质针对粘度、密度、化学性质(pH和极性)和流变(flow deformation)行为(牛顿或非牛顿)进行选择。
[0013]在一个实施方式中，该系统还包括一种或多种能量源、流体储存器、传感器、致动器和控制器。在一个实施方式中，所述一个或多个传感器选自由以下组成的组中：光学传感器、定位装置、加速度计、陀螺仪、超声传感器和电容式位移传感器。在一个实施方式中，所述一个或多个致动器选自手动、气动、液压和电动致动器。在一个实施方式中，该系统还包括一个或多个能量发射器，其选自由以下组成的组中：激光器，高和低辐射能发射器，光发射器，红外发射器，紫外发射器，超声换能器，声波发射器，辐射发射器，磁场发射器，无线电波发射器，X射线发射器和电极。
[0014]在一个实施方式中，该限界腔室包括围绕中空内部的外壳。在一个实施方式中，该限界腔室具有选自由以下组成的组中的几何形状：球体、圆盘、圆柱体、立方体、圆锥体、矩形棱柱体和盒状。在一个实施方式中，该中空内部包括单一内部或分隔成多隔间内部。在一个实施方式中，该中空内部通过阻隔元件分隔成两个隔室，该阻隔元件包括尺寸设计成密封性配合中空内部中的环、尺寸设计成密封性配合所述环的中心孔道内的中空核芯和尺寸设计成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种失重系统，包括：至少一个导管，其具有与入口和出口连通的至少一个腔，所述入口定位在低于出口高度的高度处；流体介质，其能够通过流体导流器流动通过所述至少一个导管；和限界腔室，其尺寸设计成在所述至少一个导管的至少一个腔内自由移动。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个导管以相对于垂直于重力的平面的一定角度对齐，所述角度为约1
°‑
179
°
。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个导管的尺寸设计成容纳在所述入口和所述出口之间的所述限界腔室。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个导管具有的轴向长度尺寸大于所述限界腔室的轴向长度。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个导管具有约1cm
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100m之间的长度。6.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个导管具有一定宽度或一定半径，以使所述至少一个导管包括轴向长度与所述宽度或半径之间的一定纵横比，所述宽度或半径的尺寸设计成容纳所述入口和所述出口之间的所述限界腔室。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个导管具有约1cm
‑
10m之间的宽度。8.根据权利要求6所述的系统，其中所述纵横比为约1:1
‑
100:1之间。9.根据权利要求1所述的系统，其中所述流体介质选自水、油、凝胶、空气、氮气、惰性气体、单相流体、多相流体及它们的组合。10.根据权利要求9所述的系统，其中针对粘度、密度、化学性质(pH和极性)和流动变形行为(牛顿或非牛顿)选择所述流体介质。11.根据权利要求1所述的系统，还包括一个或多个能源、流体储存器、传感器、致动器和控制器。12.根据权利要求11所述的系统，其中一个或多个所述传感器选自由以下组成的组中：光学传感器、定位装置、加速度计、陀螺仪、超声传感器和电容式位移传感器。13.根据权利要求11所述的系统，其中一个或多个所述致动器选自手动致动器、气动致动器、液压致动器和电动致动器。14.根据权利要求1所述的系统，还包括选自由以下组成的组中的一个或多个能量发射器：激光器、高和低辐射能发射器、光发射器、红外发射器、紫外发射器、超声换能器、声能发射器、辐射发射器、磁场发射器、无线电波发射器、X
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射线发射器和电极。15.根据权利要求1所述的系统，其中所述限界腔室包括围绕中空内部的外壳。16.根据权利要求15所述的系统，其中所述限界腔室具有选自由以下组成的组中的几何形状：球、圆盘、圆柱体、立方体、圆锥体、直角棱柱和盒状。17.根据权利要求15所述的系统，其中所述中空内部包括单一内部或被分隔成多隔室内部。18.根据权利要求17所述的系统，其中所述中空内部通过阻隔元件分隔成两个隔室，所述阻隔元件包括尺寸设计成密封地配合所述中空内部内的环、尺寸设计成密封地配合所述环的中心孔道内的中空核芯，以及尺寸设计成密封地配合所述核芯的中空部内的塞子。19.根据权利要求18所述的系统，其中所述塞子是闸门或阀门，所述闸门或阀门能够打
开以解闭所述核芯的中空部并流体连接所述两个隔室。20.根据权利要求18所述的系统，其中所述塞子包括随时间熔化或破裂开以解闭所述核芯的中空部并流体连接所述两个隔室的可溶解或可降解材料。21.根据权利要求15所述的系统，其中所述限界腔室的外壳的区域包括半透膜。...

【专利技术属性】
技术研发人员：文森特，
申请(专利权)人：亚利桑那州立大学董事会，
类型：发明
国别省市：