催化分解结构的载重泡沫体的制作方法

专利名称：催化分解结构的载重泡沫体的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及在轨道内的助推载重(boosting payload)，和更特别地涉及可分解结构的载重泡沫体支持载重的用途。
背景技术：
空间任务及其硬件设计折衷于冲突的要求。为了逃离地球的地心引力，要求极大的力和能量将空间硬件安置在轨道内。本质上这些大的力和能量被衰减到载重上。一旦进入轨道，太空的真空显示出相对小的结构机械环境。因此，空间硬件被设计为具有显著的强度以经受住不需要的同时在轨道内的助推环境。这一“过度设计”导致结构坚固和重质的空间硬件。
另外，为了努力节约轨道发射的数量，并因此节约任务成本，工程师曾经常常设计助推器载重一次发送数颗卫星。为了进行发射，在助推负载下设计结构“运载舱(bus)”或“树”来悬挂卫星。由于苛刻的助推器环境，因此这些运载舱坚固且重质，从而在大气内出轨和破坏之前行使非常有限和紧要的任务。随后的问题是作为太空废墟残留的这些常规的解决方法使用的硬件数量。
目前，采用下述原理，设计太空的载重空间受约束的载重必需经受住在10Hz的连续和同步频率以及升高的温度下轴向典型地超过10G的助推环境。必需设计载重支持结构经受住太空的温度和化学极限。必需设计载重支持结构，其方式要使得没有妨碍在卫星或者卫星运载舱上的功能硬件(其中使用术语“运载舱”描述携带数个卫星或者卫星组件到轨道内的载重结构)。所得大的且几何形状低效的设计以质量过大的结构形式残留在空间内，从而在机械友好的太空环境内提供很少价值或者没有提供价值。另外，这种设计笨重且昂贵，从而导致两个历史重要的问题。首先，对于轨道发射来说，重量就是财富(money)；因此，货舱(bulk)昂贵。第二，空间组件具有有限的寿命使用率，且当该组件不再有用时，结果是在太空内残留货舱。在近20年来，科学家与研究了因老卫星导致的太空碎片的影响，且认为这是对轻便的新型硬件进入所需轨道内的能力的严重威胁。
目前，升华(sublimating)泡沫工业受限于保护地面载重避免运输的物理环境所使用的包装材料的分解。最近，环境压力要求有机泡沫体，例如聚苯乙烯不仅在大气内分解，而且在其中可获得有限的氧分子的水和土壤下分解。为此，最近努力于用氧化剂涂布包装材料，所述氧化剂要求非常少的光或热以释放并进攻泡沫体。
因此，所需要的是在发射过程中保护载重，即空间硬件，而且一旦载重置于太空内，则可弃置的解决方法。

发明内容
根据本发明的一个方面，使用可分解的泡沫体，在发射过程中保护载重。一旦进入太空内，则至少部分包围载重的可分解泡沫体，通过暴露于高能电磁辐射下，则分解。
此外，根据本发明的另一方面，提供通过飞行器发射到太空内的载重，其中该载重包含在飞行器内，且被可分解泡沫体至少部分包围。
再进一步地，根据本发明的再一方面，提供将载重发射到太空内的飞行器，其中该载重在飞行器内通过至少部分包围载重的可分解泡沫体受到保护免受发射力作用。
根据本发明再进一步的方面，提供在发射到太空内的过程中保护载重的方法。该方法包括用可分解泡沫体至少部分包围载重；和一旦载重进入太空内，通过暴露于高能电磁辐射下使该泡沫体分解。


图1是现有技术的空间发射的载重结构的剖视图；图2是空间发射的载重的运载舱的示意图，但具有包含在常规发射飞行器内的多颗卫星；
图3是在本发明实践中使用的空间发射的载重结构的实施方案的剖视图；和图4A-4D描绘了根据本发明实施方案的轻质运载舱结构(图4A)，卫星阵列(图4B)，升华结构的载重泡沫体(图4C)和三种组件的组合装配体(图4D)。
具体实施例方式
根据本发明，封装将在太空内助推的载重的紫外(UV)催化的升华泡沫体提供超轻质、可适配的设备，以助于轻质、小得多的卫星和空间硬件经受住助推环境。使用可分解的泡沫体，在助推器的载重内，而不是在常规的重质和复杂结构框架内容纳多颗卫星。UV催化的分解泡沫体显著降低所有空间硬件的重量与结构。对于星座体系来说，在其中要求数个或者甚至数以百计的卫星的情况下，这一包装体系是特别有益的，从而显著地有益于在太空内采用的所有技术，其范围从移动通信工业到DOD应用。除了重量和成本节约以外，这一泡沫体的许多优点在于它可适应于任何载重的形状，这是因为它可被注射、喷洒、成形、模塑、容易切割或者制造以支持所要求的任何几何形状。
可使用进行掺加以抵销和减弱特定环境频率的有机泡沫体，以便成功地支持助推到轨道内的空间硬件。此外，结构介质(例如，玻璃、金属薄片、纤维、塑料、橡胶等)可包埋在分解泡沫体内，以便相对于泡沫体将暴露于其下的环境，优化泡沫体。
一旦进入轨道，则载重的护罩打开，于是将这一结构的载重泡沫体暴露于太空的高强能量，例如UV环境下。这一UV能量催化泡沫体分解，于是暴露相对于太空真空优化的轻得多的硬件。可设计该泡沫体，强化光引发反应的自然倾向，因为对太空内容易获得且通过臭氧自然过滤的低波长UV(＜290nm)来说，最易变地发生所述光引发反应。这一自然特征增加的附加价值在于在地球上生产并加工时该材料稳定，而当暴露于太空UV环境下时升华或分解。
正如此处所述，通过高能电磁辐射，优选UV辐射，典型地小于约1000nm(1微米或者10-6米)，和优选小于约100nm(10-7米)，可分解泡沫体。在优选的实施方案中，高能包括小于290nm的低波长的UV。尽管就UV辐射给出了说明，但本领域的技术人员要理解，也可在分解泡沫体中使用较高的能量，包括，但不限于，X-射线、γ射线和宇宙射线。
可获得数种材料从中选择以供开发UV催化的升华结构泡沫体。目前，工业使用短链(塑料)和长链(橡胶)聚合物、乙烯基氯和聚碳作为UV反应基础成分。由于通过原子之间的化学(共价)键保持在一起的非常高分子量的分子导致产生这些材料的独特性能，例如强度、韧度、抗撕裂性。普通的聚乙烯膜的分子量为约300,000。相比之下，二氧化碳和水的分子量分别为44和18。为了定义，聚合物，例如聚乙烯的降解来自于每一分子内碳键的断裂，且同时降低分子量并损失机械性能，例如拉伸强度、韧度和伸长率百分数。因此，含有可分解添加剂的产品显示出分子量的显著下降，从250,000下降到平均小于4000，从而导致该材料的快速分解。这一分子分解的效果是放热反应，于是保持掌管该科学的物质和能量守恒。合适的有机泡沫体基础成分的实例包括，但不限于，膨胀或挤出聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯共聚物和聚氨酯。
许多因素可能引发可降解聚乙烯包装的降解，例如紫外光、热、氧气和膜的应力(例如，牵引和撕裂)。一旦引发降解，则它必需继续。一般地，在催化事件中要求氧气；然而，最近科学家用包含在泡沫体物质内的过氧化物取代大气，以加速该工艺，而与大气无关。降解的最终结果是释放醇、二氧化碳和水(后反应副产物)。后反应泡沫体的副产物确保没有有害的膜或者碎片残留在太空硬件上。
这一反应的简单实例可采用产生臭氧的实例来表达。臭氧是优良的氧化剂，且强烈地进攻有机泡沫体。当将O2和NO2的混合物暴露于亮光下时，可形成臭氧
在这一工艺中，作为中间体形成单氧原子(O.)，所述单氧原子的反应性极大，且容易连接到任何清除分子上。在大气情况下，它与可容易获得的O2连接，从而形成臭氧O3。这是光辐照化学反应的一个简单实例。同样简单和直接可用的是臭氧和在低频波长下解离的二氧化碳分子的紫外光合成反应。这一基本的化学规则是释放氧气分子的关键，其中氧气分子将进攻并分解泡沫体。在一个实施方案中，用通过低波长(小于290nm)UV辐射给予能量的氧化剂，或者自由基引发剂包埋泡沫体。一旦UV能量释放出自由基形式的氧化剂，则在太空内不存在O2或其它清除剂将保证这些自由基继续进攻唯一可获得的清除分子泡沫体。
两种化学品及其常见化合物具有资格作为容易获得的氧化剂，所述氧化剂可借助UV光有效地释放，以分解有机泡沫体；它们是氧气和氟。分解泡沫体可使用的所得化合物，即自由基引发剂的实例，包括，但不限于，氧化铝、氢过氧化物、三氧化硫、氟化硫、一氧化二氮、苯偶酰二甲基缩酮、三甲基二苯甲酮、α-羟基酮、二苯甲酮、过氧化苯甲酰、二异丙基过氧二碳酸酯、二仲丁基过氧二碳酸酯、过氧叔丁基戊酸酯、过氧化辛酰、过氧化月桂酰、过氧化乙酰、叔丁基过氧异丁酸酯、过氧化对氯苯甲酰、过氧化羟庚基、二过氧邻苯二甲酸二叔丁酯、过乙酸叔丁酯、过氧叔丁基异丙基碳酸酯、过苯甲酸叔丁酯、过氧化二枯基、氢过氧化叔丁基、甲基乙基酮过氧化物、过氧化二叔丁基、氢过氧化对孟烷、氢过氧化蒎烷、氢过氧化枯烯、2，5-二甲基-2，5-二氢过氧化物、叔丁基氢过氧化物-90、过硫酸铵、过硫酸钾，偶氮化合物，例如，2，2`-偶氮双异丁腈、4，4`-偶氮双(环己腈)、4，4`-偶氮双(4-氰基戊酸)和2，2`-偶氮双(2-甲基丙烷)、TRIGONOX 21(叔丁基过氧-2-乙基己酸酯，可获自Akzo & Nobel)和PERKADOX 16(二(叔丁基环己基)过氧二碳酸酯，可获自Akzo & Nobel)，和有机过氧化物，例如过氧化二枯基、过氧化二辛酰、过氧化二肉豆蔻基、过氧化月桂酰、1，1-二(叔丁基过氧环己烷)、叔丁基过氧二乙基乙酸酯和氢过氧化枯基。最优选过氧化苯甲酰以提供自由基引发剂的释放。
对泡沫体进行掺加以抵销和减弱特定环境的频率，以便成功地支持助推到轨道内的空间硬件。一旦进入轨道，则载重的护罩打开，于是将暴露于太空的强UV环境下。这一UV能量催化泡沫体分解，于是使相对于太空真空优化的轻得多的硬件暴露。如前所述，也可使用X-射线、γ射线和宇宙射线，以催化泡沫体的分解。
封装将在太空内助推的载重的紫外(UV)催化的分解泡沫体提供超轻质、可适配的设备，以助于轻质、小得多的卫星和空间硬件经受住助推环境。可使用可分解的泡沫体，在助推器的载重内，而不是在常规的重质和复杂结构框架内容纳多颗卫星。UV催化的分解泡沫体显著降低所有空间硬件的重量与结构。对于星座体系来说，在其中要求数个或者甚至数以百计的卫星的情况下，这一包装体系是特别有益的，从而显著地有益于在太空内采用的所有技术，其范围从移动通信工业到DOD应用。除了重量和成本节约以外，这一泡沫体的许多优点在于它可适应于任何载重的形状，这是因为它可被注射、喷洒、成形、模塑、容易切割或者制造以支持所要求的任何几何形状。
使用分解泡沫体具有许多其它应用。例如，空间机构输送载重到太空内并用气体推进器操纵。这些推进器要求大的罐式容器，所述罐式容器当被输送到轨道上时，要求对助推环境绝缘。泡沫体是很好的绝缘体。目前，这些罐是用泡沫体和软木绝缘的。科学家长期希望使用空罐作为在空间站内的结构件。然而，保护罐所要求的泡沫体绝缘会妨碍这些罐容易地用作结构件。对于以太空为基础的组件来说，此处所公开的UV催化的升华/分解绝缘载重介质(泡沫体)将是这一问题的优良解决方案。该泡沫体一旦进入太空将分解，从而暴露有用的结构件。
或者替代地，科学家长期希望助推硬件(在完成其任务之后)通过地球大气返回，于是引起它燃烧并自破坏。由于目前现有技术的软木和泡沫热保护体系(TPS)被设计为保护在轨迹上向上的助推器组件，因此它在向下返回的路线上继续履行其功能，从而妨碍这一容易处置的方法。结果是过量的太空碎片。分解泡沫体TPS将保护在轨迹上向上的助推器组件，直到接近远地点，在此它暴露于太空的低波长光能下。催化的最终结果是消除了TPS，于是暴露原始的硬件，从而以助于所用完成任务的硬件的安全的“pitch and ditch”处置。
图1示出了目前空间发射的载重结构的实例。载重结构10包括管状框架12和多个悬臂支持件14。管状框架12较重，且提供因存在多颗卫星导致的横向负载的支持(参见图2)。悬臂支持件也较重，这是因为在起飞过程中，它们必需承载多颗卫星的重量。载重结构10的重量数量级为10,000磅。
图2示出了在使用之中的载重结构10，其中示出了支持多颗卫星18的卫星运载舱16。在发射过程中，蛤壳式护罩20包围卫星运载舱，并当希望利用卫星18时打开。卫星运载舱16通过火箭加速器22驱动，以到达所需的轨道，在此利用卫星18。
根据本发明的教导，正如图3所示，提供载重结构30。载重结构30包括承载在底座34上的桅杆(mast)32。桅杆32包括多个释放装置36。
桅杆32没有起到框架12的作用，且没有哪一处几乎一样重。底座34可以是实心的，或者为了进一步减轻重量，为所示的穿孔状。释放装置36提供在支持位置内的同时与卫星18的互连，但一旦接收信号，则从控制站(未示出)中释放卫星。载重结构30的重量的数量级为1,000磅，或者为小于现有技术结构10的数量级。
图4A-4D示出了组装运载舱结构30、卫星18和结构泡沫体40的顺序。图4A所示的轻质运载舱结构30与图3所描述的相同，所不同的是替代的基底34，它未穿孔。图4B描绘了在运载舱结构30上安装的多颗卫星18，从而形成改进的卫星运载舱116。图4C用透视法示出了分解结构的载重40。图4D示出了组装的单元(运载舱结构30、卫星阵列116和泡沫体40)。
可看出图4C所示的泡沫体结构40具有底座支持件42、多个侧面支持件44和顶部圆环46。底座支持件42在每一组卫星18a、18b的底座处提供支持，正如图4D所示，其中使用两个泡沫体结构40a、40b，一个用于每一组卫星。连接到内部支持件46上的多个侧面支持件44提供侧面支持。泡沫体结构40a、40b至少部分包围，或者围绕载重。此外，可与分解泡沫体以及本领域的技术人员熟悉的其它经典的机械装置相关联地使用轻质、可采用的环形条或带(为了清楚起见，没有示出)，以辅助助推飞行的剪切负载。
对于太空应用来说，使用升华结构的载重泡沫体的优点包括·重量。目前的卫星和太空载重材料比发泡有机泡沫体重20-30倍。在输送硬件到轨道中，重量与成本直接成正比。目前，将硬件安置在低地轨道(LEO)内的成本为约$100,000/lb。估计使用本发明的分解性载重泡沫体可容易地节约200lbs的载重/次轨道助推，从而导致保守节约$20,000,000/次火箭飞行。
·几何形状。由于现有技术的空间载重结构在其整个寿命中保持在卫星上，因此它们被设计为不干扰卫星上的功能组件。功能组件被迫从悬臂的结构件处悬挂，从而导致低效的结构几何形状，因此进一步增加载重的重量。在使用本发明的可分解泡沫体中，泡沫体在太空中消失，因此可被设计为直接支持功能硬件，于是优化所要求的材料。
·太空碎片。显然，更少的太空碎片是更好的。UV催化的反应的产物是水、二氧化碳和醇。由于诸如铝和硬聚合物之类的材料显著减少，因此当卫星变旧且不再具有功能时，所得太空碎片也显著减少。
·硬件。使用升华泡沫体不限于在整体上替代支持卫星的结构件。这一泡沫体可应用到在一次助推中携带多颗卫星进入轨道内所使用的运载舱上。它也可在诸如太阳能面板用骨架之类的组件水平上使用。在它解决的问题的性质上，使用升华泡沫体简单地超越了全部太空基产品。
·在助推环境下太空组件经历苛刻的机械应力。一旦进入太空的组件则基本上没有经历机械应力。由于这些事实，强制工程师设计在最糟糕环境下用的硬件。本发明的分解性载重泡沫体包装仅仅助推环境下用的硬件，其补偿是现有技术方法重量的1/20。
此处公开了有机泡沫体。然而，可替代使用无机泡沫体，或者可掺杂地结合有机材料使用无机泡沫体，以便改性/控制/改进泡沫体复合材料的分解速度和强度。
实施例在具有腔室窗的大气控制和光控制的保护腔室内放入聚苯乙烯的挤出块料。用氩气反填充该腔室，以吹扫地球大气。聚苯乙烯注射有氧化物，例如氢过氧化物、氧化铝或三氧化硫。检验材料的稳定性。抽真空，以模拟太空。再次检验材料的稳定性。将腔室窗暴露于高频UV光(模拟低波UV的汞蒸气灯)下。再次检验材料的稳定性。将腔室窗暴露于低频UV光下。观察泡沫体的升华。
在不足的真空下进行上述实验。使用氢过氧化物浴。使用汞镉(mercad)-蒸气灯。在汞光源下该材料数秒内分解。
工业实用性认为使用可分解泡沫体可用于在发射过程中保护载重。
权利要求
1.通过运载火箭(20，22)发射到太空内的载重(30，116)，所述载重容纳在所述运载火箭内，且被高能电磁辐射可分解的泡沫体(40)至少部分包围。
2.权利要求1的载重(30，116)，其中所述高能电磁辐射小于约10-6m。
3.权利要求2的载重(30，116)，其中所述高能电磁辐射是紫外辐射。
4.权利要求1的载重(30，116)，其中所述可分解的泡沫体(40)包括选自发泡聚苯乙烯、挤出聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯共聚物和聚氨酯的聚合物。
5.权利要求1的载重(30，116)，其中所述可分解的泡沫体(40)包括自由基引发剂。
6.权利要求5的载重(30，116)，其中所述自由基引发剂以足以在暴露于所述高能辐射下时引发所述可分解泡沫体(40)分解的用量存在。
7.权利要求1的载重(30，116)，其中结构介质包埋在所述可分解的泡沫体(40)内。
8.将权利要求1的所述载重(30，116)发射到太空内的运载火箭(20，22)，所述载重通过所述可分解的泡沫体(40)被保护在所述运载火箭内以免受发射力作用。
9.在发射到太空内的过程中保护权利要求1的所述载重(30，116)的方法，所述方法包括用所述可分解的泡沫体(40)至少部分包围所述载重；和一旦所述载重进入太空，通过暴露于所述高能电磁辐射下，使所述泡沫体分解。
全文摘要
封装将在太空内助推的载重(30，116)的高能，例如紫外(UV)催化的分解性泡沫体(40)，提供超轻质、可适配的设备，以助于轻质、小得多的卫星(18)和空间硬件经受住助推环境。可分解的泡沫体在助推器载重(30)内容纳多颗卫星，而不是常规的重质和复杂结构的框架(10)。催化的分解性泡沫体显著降低所有空间硬件的重量与结构。这一包装体系对于要求数颗，甚至数百颗卫星的星座体系来说是特别有益的，从而显著地有益于在太空内采用的所有技术，其范围从移动通信工业到DOD应用。除了重量和成本节约以外，这一泡沫体的许多优点在于它可适应于任何载重的形状，这是因为它可被注射、喷洒、成形、模塑、容易切割或者制造以支持所要求的任何几何形状。
文档编号B64G1/64GK101044056SQ200580030180
公开日2007年9月26日 申请日期2005年8月16日 优先权日2004年8月18日
发明者Q·E·杜登 申请人:雷斯昂公司