[发明专利]一种基于超导磁通钉扎连接的模块化可重构方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于超导磁通钉扎连接的模块化可重构方法，及采用该方法的模拟装置实现方式，利用了第II类高温超导体和磁体之间的相互作用，以及磁场方向和大小可控的特点，通过建立超导磁通钉扎连接接口的方式来完成模块化结构的重构。

技术背景

随着宇航技术的不断发展，航天器的体积也在不断增加，而任何航天运载工具的运载能力都是有限的，很多大型航天器将不能够作为完整的独立装配体发射到太空中。利用发射车运载未装配的结构元件，然后对它们进行在轨装配，将是许多大型空间机构的构造方式。目前采用在轨装配方法主要有可展开结构构建、太空成形结构构建、可直立结构构建和编队飞行构建等，但是这些构建方法都有其各自的局限性。可展开结构构建法结构复杂、故障率高、风险大；太空成形结构构建法制作过程可靠性低、成形期间热量梯度不可控；可直立结构构建法涉及到危险的人工太空操作或复杂的机器人操作；编队飞行构建法导航及姿态控制复杂、能量消耗巨大等。因此，寻求适应未来太空探索的大型航天器在轨装配新方法具有重要意义。

高温超导材料(HTSC)的磁悬浮特性为在轨装配提供了新的思考空间。高温超导体在不完全抗磁性和磁通钉扎效应共同作用下，在实现悬浮的同时又能保持自稳定。完全抗磁性是所有超导体都具有的特性(也称为迈斯纳效应)，处于外加磁场中的超导体进入超导态时，其内部会感应出超电流，超电流产生的磁场与外磁场相互排斥，将外磁场磁力线完全从超导体内部排除，宏观表现为超导体与磁体相排斥，悬浮现象发生。而对于经常掺有一些杂质或存有缺陷的第II类高温超导体(比如钇钡铜氧化物-YBCO)情况则有所不同：外磁场磁力线不能被完全排除，一部分进入超导体内部，在杂质和缺陷处被捕获钉扎(杂质或缺陷称为钉扎点或钉扎中心)，产生所谓的磁通钉扎效应，另外一部分从超导体内部排除与外磁场排斥。被捕获在超导体内部的磁场与外磁场相互吸引，吸引力(钉扎力)使悬浮磁体在一定的干扰下仍维持稳定。钉扎力与具有阻尼的弹簧力类似，有涡电流强阻尼力的作用，是一个多自由度的非线性、磁滞的回复力。因此可以把超导体磁体对简化为一个多自由度弹簧-阻尼系统来看待，如果刚度和阻尼足够大时，超导体与磁体之间也就形成了一个非接触式的“虚拟”联接，这种联接也就是本发明所提出的超导钉扎联接。

高温超导体的磁通钉扎效应对于空间应用非常具有吸引力，主要体现在以下两点：①钉扎力不受恩绍(Earnshaw)定理的限制，恩绍定理描述的是满足平方反比规律的力(如重力、静电力、静磁力)不可能被动稳定，若稳定需主动控制，而磁通钉扎能够在太空中多个实体之间创建被动稳定的六自由度平衡；②这种效应不需要动力驱动，只要高温超导材料保持在超导状态，它就能够钉扎磁通，不需要给超导体施加电压，也不需要磁体的激励，只要对超导体进行冷却和加热即可，功率和燃料的节省是巨大的，太空中一个遮阳伞可能就足以控制温度的变化。

随着我国天宫一号和神舟九号自主交互对接和手控交互对接的完成，航天发展已经进入到一个跨越转型的新时期，本发明所提超导钉扎联接将为大型航天器的空间构建解决一些科学难题，也将开启模块化航天器的一种新的思考方法。

本方法充分利用了高温超导体在进入超导态下的磁通钉扎特性，该特性下所构建的超导磁通钉扎连接接口具有一定的刚度和阻尼，可比拟为具备一定刚度的弹簧连接，由于超导体在太空环境中自然会进入超导态，故本发明所提重构方法为模块化航天器的在轨装配提供了崭新的研制思路，在新型航天器研制领域将具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于超导磁通钉扎效应的模块化可重构新方法，配置两个呈垂直关系放置的高温超导磁体对(磁场由电磁铁产生)与一个呈水平关系放置的高温超导体磁体对(磁场由永磁铁产生)钉扎铰链；场冷呈水平关系放置的高温超导体，形成非接触的转动轴；顺序控制电磁铁通电和液氮冷却高温超导体时间，从而先后实现预设的两个平衡稳定状态；完成两个预设的平衡状态之后，通过控制电磁铁通电时间和方向实现非接触结构的重构过程；其中所述方法依赖于高温超导体捕获磁力线，与其对应电磁铁与永磁铁的相互作用，并利用电磁铁磁场易控制的特点，实现模块化结构的重构。