一种基于驻极体的登月服除尘系统及其除尘方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于驻极体的登月服除尘系统及其除尘方法。本发明专利技术在登月服内层设置驻极体摩擦高压发生模块，利用宇航员运动摩擦极化驻极体，产生相应的低能量高幅值电压脉冲激励登月服最外层嵌入式柔性电极模块营造强交变驻波电场驱离带电月尘；对于小颗粒带电月尘，通过剥离极化效应在双极性驻极体体膜产生剥离极化电荷，利用双极性驻极体与电极阵列间营造的无电源均匀电场清除残留带电月尘；本发明专利技术能够实现低功耗、高静电安全和覆盖面积广地清除带电月尘，还能够防止带电月尘二次黏附，具有稳定性好和适用性高等特点，适用于登月服表面黏附带电月尘的清除与防护。表面黏附带电月尘的清除与防护。表面黏附带电月尘的清除与防护。

【技术实现步骤摘要】
一种基于驻极体的登月服除尘系统及其除尘方法


[0001]本专利技术涉及带电月尘清除技术，具体涉及一种基于驻极体的登月服除尘系统及其除尘方法。

技术介绍

[0002]覆盖月球表面的带电月尘是阻碍在月球上建立人类定居点的主要挑战之一。在过去的阿波罗任务已证明，在静电力作用下，微小尖锐的月尘牢牢黏附在登月服表面，造成视野模糊、表面磨损和密封失效等严重危害。更令人担忧的是，当月尘被带入登月舱时，弥散的月尘会严重刺激宇航员的眼睛和肺部，妨碍任务开展。美国航空航天局（NASA）的研究表明长期暴露在月尘环境会导致宇航员的呼吸系统和心血管疾病。因此，高效清除黏附在登月服表面的月尘是保障宇航员生命健康和月面作业顺利开展的前提。
[0003]在月表高真空、低重力和强带电的环境下，地面常见的除尘方法如机械刷除法和流体清洗法难以清除微米级带电月尘。为了实现高稳定、非接触、高效率地清除月尘，NASA开发了电帘除尘技术，并计划将其应用于最新一代登月服。该技术是将织入登月服最外层的叉指型电极通过千伏级交流高压源激励，营造强非均匀交变电场。吸附在登月服表面的带电月尘在电场力作用下脱离。然而电帘除尘系统所需的千伏级高压，不仅大幅增加了登月服的能耗，而且在宇航员活动时最外层褶皱接触使得极易发生静电放电，产生高放电电流，损坏登月服设备。为了顺利开展登月任务，迫切需要具有低功耗、高静电安全和覆盖面积广的登月服除尘技术。

技术实现思路

[0004]针对以上现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种基于驻极体的登月服除尘系统及其除尘方法，实现低功耗、高静电安全、覆盖面积广地清除微尘，还能够防止带电月尘二次黏附，具有稳定性好和适用性高等特点。
[0005]登月服从内至外依次包括内衣舒适层、保暖层、液冷层、气密限制层、真空隔热层和外防护层；登月服相应于宇航员的头部位置安装有面罩，为宇航员提供视野，面罩选用高透光率材料；登月服中的电气设备连接共同的登月服的地端。
[0006]本专利技术的一个目的在于提出一种基于驻极体的登月服除尘系统。
[0007]本专利技术的基于驻极体的登月服除尘系统包括：嵌入式驻极体除尘装置和分立式驻极体除尘装置；其中，嵌入式驻极体除尘装置包括驻极体摩擦高压发生模块、信号检测与控制模块和嵌入式柔性电极模块；其中，多个驻极体摩擦高压发生模块安装于登月服的气密限制层外表面或真空隔热层内表面；信号检测与控制模块安装于真空隔热层；多个嵌入式柔性电极模块安装于登月服的外防护层外表面织物和面罩外表面；驻极体摩擦高压发生模块连接至信号检测与控制模块，并且驻极体摩擦高压发生模块通过信号检测与控制模块连接至嵌入式柔性电极模块；
驻极体摩擦高压发生模块包括摩擦正极性驻极体、摩擦负极性驻极体、接地背电极和高压背电极；接地背电极的表面设置有摩擦负极性驻极体；在高压背电极的表面设置有摩擦正极性驻极体；摩擦正极性驻极体与摩擦负极性驻极体的功函数不同；接地背电极连接至登月服的地端；高压背电极与接地背电极互相平行并贴敷于气密限制层外表面或真空隔热层内表面，摩擦正极性驻极体的表面正对摩擦负极性驻极体的表面，且二者初始状态之间有气隙；嵌入式柔性电极模块包括第一组和第二组柔性梳状电极，第一组和第二组柔性梳状电极分别包括梳脊电极和梳齿电极阵列；其中，梳齿电极阵列包括多个互相平行且等长的长条形梳齿电极，多个互相平行且等长的长条形梳齿电极沿平行于梳脊电极的一维方向排布，形成梳齿电极阵列；梳脊电极的长边与梳齿电极的长边垂直，梳齿电极阵列的一侧连接至梳脊电极；第一组和第二组柔性梳状电极的梳齿电极阵列相互平行且交叉排列形成沿一维方向排布的电极阵列，电极阵列的一维方向排布垂直于长条形的梳齿电极的长边；信号检测与控制模块包括第一转换开关、第二转换开关、控制器和脉冲电压比较器；第一转换开关的第一端连接至控制器，并连接至第一组柔性梳状电极，第二端连接至脉冲电压比较器的输入端，并连接至驻极体摩擦高压发生模块的高压背电极，第三端连接至登月服的地端；第二转换开关的第一端连接至控制器，并连接至第二组柔性梳状电极，第二端连接至脉冲电压比较器的输入端，并连接至驻极体摩擦高压发生模块的高压背电极，第三端连接至登月服的地端；分立式驻极体除尘装置包括双极性驻极体模块和操作适配模块；双极性驻极体模块安装在操作适配模块上；双极性驻极体模块包括顶层保护膜、多层剥离基底膜、多层双极性驻极体膜和基底膜材料；基底膜材料安装在操作适配模块的表面；在基底膜材料上依次设置多层剥离基底膜与多层双极性驻极体膜相间的结构，每相邻的两层双极性驻极体膜之间设置一层剥离基底膜，在最顶层的双极性驻极体膜上设置顶层保护膜；双极性驻极体膜包括多个周期性交替沿一维方向排列的长条形的剥离正极性驻极体单元和剥离负极性驻极体单元；登月服除尘系统包括自动除尘模式和手动除尘模式；在自动除尘模式下，在宇航员运动外力作用下，摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体发生变形，从而互相接触并产生摩擦，在接触面发生电子或离子的转移，使得摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体相对的表面带上等量的异种电荷；相互接触摩擦的摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体的表面电荷极性由功函数决定，功函数大的驻极体摩擦后带负电，功函数小的驻极体摩擦后带正电；摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体表面的异种电荷，使得在高压背电极与接地背电极之间形成感应电势差，形成高压脉冲；脉冲电压比较器将高压背电极的高压脉冲的峰值与阈值比较，当脉冲电压比较器检测到高压脉冲的峰值超过阈值时，判定为有效高压脉冲，脉冲电压比较器向控制器发送高电平脉冲；控制器控制第一转换开关的第一端接通第二端，并且控制器控制第二转换开关的第一端接通第三端，将高压脉冲通过第一转换开关传输至嵌入式柔性电极模块的第一组柔性梳状电极，第二组柔性梳状电极连接地端，从而在两组柔性梳状电极间形成沿电极阵列的一维排布方向上确定方向的电场；当再次检测到高压脉冲的峰值超过阈值时，判定为有效高压脉冲，脉冲电压比较器向控制器发送高电平脉冲；控制器控制第一转换开关的第一端接通第三端，并
且控制器控制第二转换开关的第一端接通第二端，将高压脉冲通过第二转换开关传输至嵌入式柔性电极模块的第二组柔性梳状电极，第一组柔性梳状电极连接地端，从而在两组柔性梳状电极间形成与前一次方向相反的电场；通过第一和第二转换开关相应不断切换档位，平行的第一组和第二组柔性梳状电极分别交替被施加高压脉冲，在沿电极阵列的一维排布方向上形成交替变化的非均匀脉冲驻波电场，非均匀脉冲驻波电场沿垂直登月服表面方向呈指数衰减；带电月尘在非均匀脉冲驻波电场中受到库仑力和介电泳力的驱离作用下脱离吸附的登月服表面，实现无高压电源自动清除粒径大于5μm的带电月尘；在自动除尘模式下，登月服除尘系统无需高压电源，极大地降低了系统所需能耗，不仅能够自动清除带电月尘，还能够防止带电月尘吸附在登月服表面；在手动除尘模式下，控制器控制第一转换开关和第二转换开关的第一端均接通第三端，使得嵌入式柔性电极模块的第一组和第二组柔性梳状电极均连接地端；宇航员手持操作适配模块，将分立式驻极体除尘装置的顶层保护膜或位于最外层的剥离基底膜剥离，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于驻极体的登月服除尘系统，登月服从内至外依次包括内衣舒适层、保暖层、液冷层、气密限制层、真空隔热层和外防护层；登月服相应于宇航员的头部位置安装有面罩，为宇航员提供视野，面罩选用高透光率材料；登月服中的电气设备连接共同的登月服的地端，其特征在于，所述登月服除尘系统包括：嵌入式驻极体除尘装置和分立式驻极体除尘装置；其中，嵌入式驻极体除尘装置包括驻极体摩擦高压发生模块、信号检测与控制模块和嵌入式柔性电极模块；其中，多个驻极体摩擦高压发生模块安装于登月服的气密限制层外表面或真空隔热层内表面；信号检测与控制模块安装于真空隔热层；多个嵌入式柔性电极模块安装于登月服的外防护层外表面织物和面罩外表面；驻极体摩擦高压发生模块连接至信号检测与控制模块，并且驻极体摩擦高压发生模块通过信号检测与控制模块连接至嵌入式柔性电极模块；驻极体摩擦高压发生模块包括摩擦正极性驻极体、摩擦负极性驻极体、接地背电极和高压背电极；接地背电极的表面设置有摩擦负极性驻极体；在高压背电极的表面设置有摩擦正极性驻极体；摩擦正极性驻极体与摩擦负极性驻极体的功函数不同；接地背电极连接至登月服的地端；高压背电极与接地背电极互相平行并贴敷于气密限制层外表面或真空隔热层内表面，摩擦正极性驻极体的表面正对摩擦负极性驻极体的表面，且二者初始状态之间有气隙；嵌入式柔性电极模块包括第一组和第二组柔性梳状电极，第一组和第二组柔性梳状电极分别包括梳脊电极和梳齿电极阵列；其中，梳齿电极阵列包括多个互相平行且等长的长条形梳齿电极，多个互相平行且等长的长条形梳齿电极沿平行于梳脊电极的一维方向排布，形成梳齿电极阵列；梳脊电极的长边与梳齿电极的长边垂直，梳齿电极阵列的一侧连接至梳脊电极；第一组和第二组柔性梳状电极的梳齿电极阵列相互平行且交叉排列形成沿一维方向排布的电极阵列，电极阵列的一维方向排布垂直于长条形的梳齿电极的长边；信号检测与控制模块包括第一转换开关、第二转换开关、控制器和脉冲电压比较器；第一转换开关的第一端连接至控制器，并连接至第一组柔性梳状电极，第二端连接至脉冲电压比较器的输入端，并连接至驻极体摩擦高压发生模块的高压背电极，第三端连接至登月服的地端；第二转换开关的第一端连接至控制器，并连接至第二组柔性梳状电极，第二端连接至脉冲电压比较器的输入端，并连接至驻极体摩擦高压发生模块的高压背电极，第三端连接至登月服的地端；分立式驻极体除尘装置包括双极性驻极体模块和操作适配模块；双极性驻极体模块安装在操作适配模块上；双极性驻极体模块包括顶层保护膜、多层剥离基底膜、多层双极性驻极体膜和基底膜材料；基底膜材料安装在操作适配模块的表面；在基底膜材料上依次设置多层剥离基底膜与多层双极性驻极体膜相间的结构，每相邻的两层双极性驻极体膜之间设置一层剥离基底膜，在最顶层的双极性驻极体膜上设置顶层保护膜；双极性驻极体膜包括多个周期性交替沿一维方向排列的长条形的剥离正极性驻极体单元和剥离负极性驻极体单元；登月服除尘系统包括自动除尘模式和手动除尘模式；在自动除尘模式下，在宇航员运动外力作用下，摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体发生变形，从而互相接触并产生摩擦，在接触面发生电子或离子的转移，使得摩擦正极性
驻极体和摩擦负极性驻极体相对的表面带上等量的异种电荷；相互接触摩擦的摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体的表面电荷极性由功函数决定；摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体表面的异种电荷，使得在高压背电极与接地背电极之间形成感应电势差，形成高压脉冲；脉冲电压比较器将高压背电极的高压脉冲的峰值与阈值比较，当脉冲电压比较器检测到高压脉冲的峰值超过阈值时，判定为有效高压脉冲，脉冲电压比较器向控制器发送高电平脉冲；控制器控制第一转换开关的第一端接通第二端，并且控制器控制第二转换开关的第一端接通第三端，将高压脉冲通过第一转换开关传输至嵌入式柔性电极模块的第一组柔性梳状电极，第二组柔性梳状电极连接地端，从而在两组柔性梳状电极间形成沿电极阵列的一维排布方向上确定方向的电场；当再次检测到高压脉冲的峰值超过阈值时，判定为有效高压脉冲，脉冲电压比较器向控制器发送高电平脉冲；控制器控制第一转换开关的第一端接通第三端，并且控制器控制第二转换开关的第一端接通第二端，将高压脉冲通过第二转换开关传输至嵌入式柔性电极模块的第二组柔性梳状电极，第一组柔性梳状电极连接地端，从而在两组柔性梳状电极间形成与前一次方向相反的电场；通过第一和第二转换开关相应不断切换档位，平行的第一组和第二组柔性梳状电极分别交替被施加高压脉冲，在沿电极阵列的一维排布方向上形成交替变化的非均匀脉冲驻波电场，非均匀脉冲驻波电场沿垂直登月服表面方向呈指数衰减；带电月尘在非均匀脉冲驻波电场中受到库仑力和介电泳力的驱离作用下脱离吸附的登月服表面，实现无高压电源自动清除粒径大于5μm的带电月尘；在自动除尘模式下，登月服除尘系统无需高压电源，极大地降低了系统所需能耗，不仅能够自动清除带电月尘，还能够防止带电月尘吸附在登月服表面；在手动除尘模式下，控制器控制第一转换开关和第二转换开关的第一端均接通第三端，使得嵌入式柔性电极模块的第一组和第二组柔性梳状电极均连接地端；宇航员手持操作适配模块，将分立式驻极体除尘装置的顶层保护膜或位于最外层的剥离基底膜剥离，从而使得顶层保护膜或剥离基底膜与下层相应的双极性驻极体膜发生剥离极化，在剥离表面发生电子或离子的转移，使得双极性驻极体膜剥离面带上剥离极化电荷，并且在剥离正极性驻极体单元和剥离负极性驻极体单元表面的剥离极化电荷极性相反；将带有剥离极化电荷的表面正对登月服，双极性驻极体膜的剥离正极性驻极体单元和剥离负极性驻极体单元与嵌入式柔性电极模块的梳齿电极互相平行，沿电极阵列的一维排布方向移动分立式驻极体除尘装置，并保证双极性驻极体膜的表面与电极阵列所在的平面平行；双极性驻极体膜与柔性梳状电极之间构成平行极板结构，每个梳齿电极与正对的剥离正极性驻极体单元或剥离负极性驻极体单元之间形成均匀电场；双极性驻极体膜在沿电极阵列的一维排布方向运动时，电场伴随双极性驻极体膜运动，柔性梳状电极交替与剥离正极性驻极体单元和剥离负极性驻极体单元正对，在双极性驻极体膜与柔性梳状电极间的间隙形成交替变化的行波电场；带电月尘在交变电场中受到库仑力和介电泳力的驱离作用...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯跃，周子隆，王瑞国，沈行风，杨朝旭，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：