一种基于太阳能的星壤自动成形装置

技术领域

本发明属于地外建造领域，更具体地，涉及一种基于太阳能的星壤自动成形装置。

背景技术

随着人类活动区域的不断扩大，极端环境(如电力匮乏的沙漠、月球和火星区域等)的建设，是人类开拓未来和谋求发展的重要途径和方向。由于星球之间的路程遥远，运输成本高昂，将一磅货物运送到月球可能需要高达1万美元的成本，运输到其他星球成本更高。相比于微波烧结、激光烧结等，太阳能烧结以太阳能为热源，以星壤为材料，无需添加其他原料，因此具有节省能源，降低成本的特点。

但现有的星壤成形装置难以自动控温、自动成形，无法保证成形星壤砖质量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于太阳能的星壤自动成形装置，其目的在于，实现基于太阳能的星壤自动烧结成形，并保证成形星壤砖质量。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于太阳能的星壤自动成形装置，包括星壤挖掘单元、星壤处理单元、星壤成形单元、聚光单元、自动追光单元和控温单元，其中：

所述星壤挖掘单元用于对星壤进行挖掘；

所述星壤处理单元用于对挖掘的星壤进行处理筛分，并运送至星壤成形单元；

所述聚光单元包括菲涅尔透镜和伸缩连杆，所述菲涅尔透镜安装在所述星壤成形单元上方，用于将阳光聚焦到星壤成形单元中，使星壤成形单元中的星壤烧结成形；所述伸缩连杆有多组，分别安装在所述菲涅尔透镜的四周，通过伸缩连杆实现对所述菲涅尔透镜的更换和调焦；

所述自动追光单元与所述菲涅尔透镜连接，用于根据太阳角度变化调整菲涅尔透镜的角度；

所述控温单元包括温度传感器和虹膜光圈，所述温度传感器用于实时监测星壤成形单元中星壤的温度，所述虹膜光圈用于根据星壤成形单元中星壤的温度调节菲涅尔透镜的光通量。

作为进一步优选的，所述星壤成形单元包括模具和隔热腔，所述模具用于装填星壤，同时模具吸收太阳光的能量转变为热能，再把热能传递给星壤实现星壤烧结成形；所述隔热腔设置在模具外侧，且隔热腔和模具之间设置有反光材料。

作为进一步优选的，所述模具采用石墨制作而成。

作为进一步优选的，所述自动追光单元包括光敏电阻和调整组件，所述光敏电阻安装在所述菲涅尔透镜四周，所述调整组件用于根据菲涅尔透镜四周的光敏电阻值，调整菲涅尔透镜角度。

作为进一步优选的，所述光敏电阻包括2个水平光敏电阻和2个竖直光敏电阻，2个水平光敏电阻分别安装在菲涅尔透镜水平方向上两侧，2个竖直光敏电阻分别安装在菲涅尔透镜竖直方向上两侧；所述调整组件包括旋转底座和电动推杆，所述旋转底座用于使菲涅尔透镜在水平方向上向光敏电阻值小的方向转动，所述电动推杆用于使菲涅尔透镜在竖直方向上向光敏电阻值小的方向转动。

作为进一步优选的，所述星壤处理单元包括破碎机、振动筛、存储柜和压缩机，所述破碎机用于对挖掘的星壤进行破碎处理，所述振动筛用于对破碎后的星壤进行筛分，得到满足烧结成形要求的星壤；所述存储柜用于存储满足烧结成形要求的星壤；所述压缩机用于通过施压将满足烧结成形要求的星壤送入星壤成形单元中。

作为进一步优选的，所述星壤挖掘单元包括铲斗、机械臂和电机，通过所述电机驱动机械臂带动铲斗对星壤进行挖掘。

作为进一步优选的，还包括自动驾驶单元，该自动驾驶单元包括自动驾驶平台和星壤监测系统，所述星壤监测系统以及星壤挖掘单元、星壤处理单元、星壤成形单元、聚光单元、自动追光单元、控温单元均安装在所述自动驾驶平台上，由自动驾驶平台带动移动；所述星壤监测系统用于检测星壤质量，所述自动驾驶平台在星壤质量满足成形要求时停止移动。

作为进一步优选的，所述自动驾驶单元还包括安装在自动驾驶平台上的支撑架，当自动驾驶平台停止移动时，该支撑架伸展后支撑在星球表面。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明设计了一种基于太阳能的星壤自动成形装置，基于菲涅尔透镜聚光和各部件配合实现太阳能成形星壤，在烧结成形过程中无需外界干预，可自动选择星壤、自动追光、自动控温，为地外原位建造提供了可行方案。

2.由于星壤烧结需要严格控制星壤的烧结温度，本发明通过设置伸缩连杆，以便快速更换不同尺寸的菲涅尔透镜，从而大致控制模具温度；同时设计控温单元，实时监测星壤温度，并通过调节虹膜光圈来改变菲涅尔透镜的光通量，从而实现对烧结过程中星壤温度的实时准确控制。通过上述设计可准确保持星壤的温度不变，保证最终烧结出来的星壤砖的质量。

3.本发明对成形单元进行设计，通过石墨模具、隔热腔、反射材料的共同作用，可更好吸收太阳光能量，并将其传递给模具中星壤。且采用太阳能模具烧结，相比于太阳能3D打印，装置更加简单，结果更加可控。

附图说明

图1为本发明实施例基于太阳能的星壤自动成形装置结构示意图；

图2为本发明实施例基于太阳能的星壤自动成形装置侧视图；

图3为本发明实施例星壤成形单元的结构示意图；

图4为本发明实施例星壤成形单元的剖视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-自动追光单元，2-控温单元，3-星壤成形单元，4-星壤处理单元，5-自动驾驶单元，6-星壤挖掘单元，7-聚光单元，8-旋转底座，9-电动推杆，10-隔热腔，11-模具。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种基于太阳能的星壤自动成形装置，如图1和图2所示，其包括自动驾驶单元5、星壤挖掘单元6、星壤处理单元4、星壤成形单元3、聚光单元7、自动追光单元1、控温单元2和中央控制器，其中：

自动驾驶单元5用于自动寻找达到太阳能烧结要求的星壤地点，具体包括自动驾驶平台、星壤监测系统和支撑架；星壤监测系统、支撑架以及星壤挖掘单元、星壤处理单元、星壤成形单元、聚光单元、自动追光单元、控温单元均安装在所述自动驾驶平台上，由自动驾驶平台带动移动；自动驾驶平台可以在建筑地点附近自动规划行驶路线，自动驾驶平台路线规划和挖掘地点的确定跟星壤监测系统检测的星壤结果有关；星壤监测系统用于检测星壤质量，自动监测装置所处地点的星壤是否满足太阳能烧结的要求，如果检测到星壤不满足要求，自动驾驶平台开始移动选择其他的地点，如果星壤监测系统检测到星壤满足要求，自动驾驶平台停止移动；支撑架用于固定整个成形装置，即当自动驾驶平台停止移动时，支撑架伸展开来支撑地面，同时支撑架可通过伸缩使自动驾驶单元上方的其他结构处于水平状态。

星壤挖掘单元6包括铲斗、机械臂和电机，通过电机驱动机械臂带动铲斗对附近星壤进行挖掘，并将挖掘的星壤运送到星壤处理单元。

星壤处理单元4包括破碎机、振动筛、存储柜和压缩机，破碎机用于对挖掘的星壤进行破碎处理，振动筛用于对破碎后的星壤进行筛分，得到满足烧结成形要求的星壤；存储柜用于存储满足烧结成形要求的星壤；压缩机用于通过施压将满足烧结成形要求的星壤送入星壤成形单元的模具中。

星壤成形单元3包括模具11和隔热腔10，如图3和图4所示，模具设置在隔热腔内部，模具吸收太阳光能量，并作为媒介把能量传递给模具中的星壤实现星壤烧结成形；隔热腔用于保温，减少聚焦热量的丢失，隔热腔内部设置反光材料，用于反射被模具反射的太阳光，使太阳光的能量最终尽可能多的被模具吸收，实现太阳光能量的充分利用。

进一步的，模具采用导热性能良好的石墨制作而成，以更好地吸收太阳光能量。

聚光单元7包括菲涅尔透镜和伸缩连杆，菲涅尔透镜安装在星壤成形单元上方，菲涅尔透镜将平行的太阳光聚焦成光斑，光斑照射在隔热腔上方的单面镜上，最终将能量汇聚到星壤模具上，实现基于太阳能的星壤烧结；菲涅尔透镜成本低、重量轻，且其镜面是平面结构，太阳光可垂直照射在菲涅尔透镜的所有位置，相比其他同等面积的透镜，菲涅尔透镜接收到的光能更多。伸缩连杆有多组，分别安装在所述菲涅尔透镜的四周，通过连杆伸缩对所述菲涅尔透镜进行更换和调焦。

具体的，伸缩连杆通过伸缩可以实现不同尺寸的菲涅尔透镜的更换，进而根据实时的光照强度实现对光通量控制，最终协助控温单元控制模具中的星壤温度；同时可以实现菲涅尔透镜的调焦，使菲涅尔透镜聚焦的光斑照射在模具上，实现对星壤的加热。

自动追光单元1用于根据阳光变化调整菲涅尔透镜的角度，具体的，由于太阳时时刻刻都在不停的转动，而只有当太阳光垂直入射菲涅尔透镜才能让聚焦后的光斑能量最高，保证星壤成功烧结成砖，自动追光单元就是为了实现随着太阳转动，太阳光时刻垂直入射菲涅尔透镜；自动追光单元包括光敏电阻、调整组件和电机，光敏电阻安装在菲涅尔透镜四周，调整组件用于根据菲涅尔透镜四周的光敏电阻值，调整菲涅尔透镜位置。

进一步的，光敏电阻包括2个水平光敏电阻和2个竖直光敏电阻，2个水平光敏电阻分别安装在菲涅尔透镜水平方向上两侧，2个竖直光敏电阻分别安装在菲涅尔透镜竖直方向上两侧；所述调整组件包括旋转底座8和电动推杆9，旋转底座可以实现菲涅尔透镜在水平方向上的追光，实现一个自由度的控制；电动推杆通过传动，实现菲涅尔透镜在竖直方向上的追光，实现另一个自由度的控制；电机通过分别驱动底座旋转和电动推杆传动实现菲涅尔透镜在两个自由度上的追光。具体水平光敏电阻接受太阳光后，其电阻信号传递给中央控制器，当水平光敏电阻值不相等时，中央控制器启动电机，通过旋转底座使菲涅尔透镜在水平方向上向光敏电阻值小的方向转动，直至水平光敏电阻值相等；竖直光敏电阻接受太阳光后，其电阻信号传递给中央控制器，当垂直光敏电阻值不相等时，中央控制器启动电机，通过驱动电动推杆，使菲涅尔透镜在竖直方向上向光敏电阻值小的方向转动，直至竖直光敏电阻的电阻值相等。

控温单元2包括温度传感器、虹膜光圈，温度传感器用于实时监测星壤成形单元中星壤的温度，虹膜光圈用于根据星壤成形单元中星壤的温度调节菲涅尔透镜的光通量。

具体的，由于星壤烧结需要严格控制星壤的烧结温度，无论是光照变强还是变弱都需要星壤的温度保持不变，这样才能保证最终烧结出来的星壤砖的质量，其中聚光单元通过更换不同尺寸的菲涅尔透镜可以粗略控制模具温度变换，但其不能精细化控制，同时频繁地更换菲涅而透镜耗费时间且过程麻烦，不利用太阳能烧结，故配合设计了温控单元。控温单元包括温度传感器、电机和虹膜光圈，温度传感器放置在模具内部(可插在模具外壁小孔内)，实时监测烧结过程中星壤的温度变化；虹膜光圈通过改变菲涅尔透镜的接收光的有效面积，改变菲涅尔透镜的光通量，进而改变模具接收到的能量多少，从而实现对烧结过程中星壤温度的实时控制；电机通过接收来自中央控制器的指令，进而驱动虹膜光圈进行实时改变。当温度传感器检测到星壤的温度的降低时，温度传感器将温度降低信号传递给中央控制单元，中央控制单元接收到温度降低的信号后，其开始驱动电机，通过电机驱动虹膜光圈，使虹膜光圈减小对菲涅尔透镜的遮挡，进而增大光通量，实现星壤温度的升高，最终实现星壤恒温烧结；当温度传感器检测到星壤的温度的升高时，温度传感器将温度升高信号传递给中央控制单元，中央控制单元接收到温度升高的信号后，其开始驱动电机，通过电机驱动虹膜光圈，使虹膜光圈增大对菲涅尔透镜的遮挡，进而减小光通量，实现星壤温度的降低，最终实现星壤恒温烧结。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。