一种用于防止颗粒物质表面发生颗粒起跳的方法

技术领域

本发明涉及对颗粒物质的运动控制技术领域，更为具体地，涉及一种用于防止颗粒物质表面发生颗粒起跳的方法。

背景技术

颗粒物质表面在受到外界的作用时，位于表面的颗粒容易产生起跳现象。例如，在风沙运动中，由于气流的作用，沙漠表面的砂砾容易被气流携带，发生起跳。同时由于重力的作用，离开沙床表面进入跃移运动的沙粒，最终会落下并与床面沙粒相互作用，接着会有更多的沙粒起跳，使得风沙运动得以持续，这便是荒漠化现象不断加剧的原因。在外太空活动中，当飞行器降落在其他星球表面时，反推火箭的气流也会导致扬起大量的星球尘埃，不利于飞行器的光学系统、机械系统，以及可能危及降落的稳定性。

目前已有的抑制颗粒物质起跳的方法中，比较成熟的有化学方法和物理方法。化学方法是指利用化学材料与工艺，在易于发生颗粒起跳的表面形成稳固、保水的固结层，从而达到控制颗粒起跳的目的。传统的化学稳固材料可分为：水泥类、水玻璃类、石油产品类和高分子聚合物高吸水树脂。化学方法的缺点成本略高、不宜大面积推广，并且有些产品对环境还具有潜在的负面影响。

物理方法使用机械的方式将石块、网格或稻草等在流动颗粒的表面布置成方格的形式，形成挡风墙，借以消减风力侵蚀，并兼有截留雨水的作用，因其具有一定的效果和低成本得到了大面积的推广。但(草方格、石方格、塑料网格等)方格具有布置措施繁琐、使用年限短、易被掩埋等缺点，这极大地限制了物理方法的应用。

因此，研究一种成本低、能够大面积推广、对环境无害且又能大大提高工程实施效率的抑制颗粒物质起跳的方法显得尤为重要。

发明内容

为解决现有的抑制颗粒起跳的方法存在的实施周期长、操作繁琐、稳定性欠佳和效果差等问题，本发明提供一种一种用于防止颗粒物质表面发生颗粒起跳的方法，利用可控激光烧结颗粒，在颗粒表面形成固化网，从而抑制颗粒起跳。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于防止颗粒物质表面发生颗粒起跳的方法，包括如下步骤：

(1)发射激光在颗粒物质表面形成激光照射的小区域，使小区域内的颗粒发生烧结；

(2)移动激光照射位置使所述烧结小区域在更大范围内的移动，从而在更大范围的颗粒物质表面产生连续的颗粒烧结路径；

(3)进一步移动激光照射位置使连续的烧结路径形成网状固化层，覆盖在颗粒物质的表面，从而阻止颗粒物质的起跳。

进一步地，在上述技术方案中，当本发明应用于防风治沙领域时，所述的颗粒为砂砾，所述的颗粒物质为沙丘和沙漠。

进一步地，在上述技术方案中，所述的颗粒也可为月球土壤、火星尘埃或地球土壤。由于大气对激光能量有较强的衰减作用，因此在大气浓度稀薄的外太空，本发明方法可以得到更好的应用。进一步地，在上述技术方案中，针对不同的颗粒物质和不同的表面特性，应当采取不同的网状结构以获得更好的作用效果，网格可以采取任意形状的组合，所述的网状固化层网孔的形状包括：三角形、长方形、棱形、圆形、六边形、八变形。

进一步地，在上述技术方案中，针对不同的颗粒物质和不同的表面特性，应当采取不同的网状结构以获得更好的作用效果，网格可以采取任意边长的组合，所述的网状固化层网孔的最大边长范围为：0.01毫米至100毫米。

进一步地，在上述技术方案中，针对不同的颗粒物质和不同的表面特性，应当采取不同的网状结构以获得更好的作用效果，网格可以采取任意烧结厚度的组合，所述的网状固化层厚度范围为：0.005毫米至10毫米。

进一步地，在上述技术方案中，所述的烧结小区域移动的方法包括控制激光的偏转，激光器的转动和移动等。其中，激光器的转动或移动可由搭载激光器的物体实现，或由激光器与搭载物体之间的相对运动实现。以上的偏转、转动、移动等，也可互相进行组合。

进一步地，所述的搭载物体可能为地面移动物体或飞行物，这种地面移动物体或飞行物可由自动驾驶或自动飞行系统进行控制，并结合北斗等导航，实现在特定颗粒表面(即沙漠或外太空星球表面)的网格固化。

进一步地，地面移动物体或飞行物的能量来源包括电池、化学能、太阳能，其中太阳能是优选的。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

从上面的技术方案可知，本发明提供的利用激光烧结网格抑制颗粒物质表面发生起跳的方法，具有较高的科技含量，易于实现自动化、无人作业，能够有效提高工程中的实施效率，节省大量的人力物力。主要能量来源为太阳能，具有可连续作业和能够在各种恶劣的复杂环境中工作的优点，并且工作过程中不需要人为干预，提高了工程实施的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明激光束照射颗粒物质表面某处形成光斑和烧结区域的示意图。

图2是本发明激光烧结颗粒物质表面形成连续烧结路径时的示意图。

图3是本发明激光烧结颗粒物质表面最终形成网状固化层的示意图。

图4是烧结形成的长方形网状固化层。

图5是烧结形成的三角形网状固化层。

图6是烧结形成的菱形网状固化层。

图7是烧结形成的圆形网状固化层的示意图。

图8是烧结形成的六边形网状固化层。

图9是烧结形成的八边形网状固化层。

图10是颗粒物质表面附着烧结层的剖面图。

图11是激光发射装置的偏转示意图。

图12是由地面移动物体携带激光实现烧结时的工作示意图。

图13是由飞行物携带激光实现烧结时的工作示意图。

实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明用于防止颗粒物质表面发生颗粒起跳的方法的步骤为：

(1)可控的激光烧结

与激光烧结颗粒进行粉末3D打印的过程相似，本发明将激光烧结颗粒原理运用于在砂砾、月壤等颗粒物质表面形成网状固化层。首先，一个位于颗粒表面上方一定距离的激光器，向颗粒的表面发射一束激光。激光在照射颗粒表面时，产生一个小的照射区域，即光斑。由于光斑的能量很高，将是光斑内的颗粒发生全部或部分熔融，从而颗粒烧结在一起。

(2)移动激光照射区域形成连续的烧结路径

当激光照射区域(即光斑)移动时，在颗粒物质表面形成连续的烧结区域，即形成连续的烧结路径。这一原理仍与粉末3D固化一层的过程相似。导致光斑移动的方法包括程序控制激光的偏转，激光器的转动，激光的移动，等等。其中，激光器的转动或移动可有搭载激光器的物体实现，或由激光器与搭载物体之间的相对运动实现。以上的偏转、转动、移动等，也可能互相进行组合。这些运动或运动的组合均有程序加以控制。

(3)连续的烧结路径形成网格形状

当激光照射区域(即光斑)在更大的范围移动时，本发明将在颗粒物质的表面形成各种烧结的网格形状，这一原理仍与粉末3D固化一层的过程相似。针对不同的颗粒物质和不同的表面特性，应当采取不同的网状结构以获得更好的作用效果。网格可以采取任意形状、边长及烧结厚度的组合，网状固化层网孔的最大边长大小范围为：0至1000毫米。网状固化层网孔的形状包括：三角形、长方形、棱形、圆形、六边形、八变形。网状固化层厚度范围为：0.005毫米至10毫米。

以上所述搭载激光的物理，可能有车辆或飞行物。通过编程控制对搭载激光器的车辆或飞行物进行移动或飞行、翻转等动作控制，从而使得激光在颗粒表面的光斑进行移动，从而对颗粒物质表面进行不同网格大小，不同网格形状，以及不同烧结深度的激光烧结。这种车辆或飞行物可由自动驾驶或自动飞行系统进行控制，并结合北斗等导航，实现在特定颗粒表面(即沙漠或月球表面)的网格固化。车辆或飞行物的能量来源包括电池、化学能、太阳能。太阳能是优选的。

图1和图2分别展示了本发明的实施方式和步骤。如图1所示，本发明10中，一束激光束12自激光发射装置14发出，射向颗粒物质表面16，并在颗粒物质表面16形成一个很小但能量很集中的照射区域18，引发区域18内部分颗粒、能量等形成飞溅20。位于照射区域18内一定深度内的颗粒，由于吸收激光的能量，温度升高，部分或完全地融化，从而照射区域18一定深度内的颗粒被烧结固化。如图2所示，当照射区域18内的颗粒被烧结固化后，激光束12发生偏转或移动。经过一段时间后，激光束移动至位置13，激光束12的照射区域18随之移动。在这段时间照射区域移动的过程中，照射区域18扫过一条路径22，那么路径22附近的颗粒也被连续地烧结固化。因此，由于激光束的偏转和移动，颗粒物质表面16上形成了一条烧结的路径22。

如图3所示，按照预先设定好的激光烧结路线，通过控制激光发射装置14不断进行连续的移动，或通过偏转激光束12，在颗粒物质表面16不断形成新的烧结路径。经过一段时间的连续烧结，在颗粒物质表面16形成网状固化层23。

如图4所示，按照预先设定好的激光烧结路线，控制激光发射装置14不断进行连续的移动，或通过偏转激光束12，在颗粒物质表面16不断形成新的烧结路径。激光发射装置14首先在颗粒物质表面16烧结形成数条平行且长度相等的烧结路径24a，下一条烧结路径24a应当由上一条烧结路径24a水平平移得来。然后让激光发射装置14偏转或移动激光束12，形成垂直于上一步已经形成的烧结路径24a的数条烧结路径24b.从第一条烧结路径24a的某点开始，进行烧结，重复上一步骤，再次形成数条平行且长度相等烧结路径24b，最终形成长方形网格的网状固化层25。

如图5所示，按照预先设定好的激光烧结路线，控制激光发射装置14不断进行连续的移动,或对激光束12进行偏转，在颗粒物质表面16不断形成新的烧结路径26。激光发射装置14首先在颗粒物质表面16烧结形成类似于图4中长方形的网状固化层25，然后连接每一个小的长方形网格的对角线，依次进行烧结，最终形成三角形网格的网状固化层26。

如图6所示，按照预先设定好的激光烧结路线，控制激光发射装置14不断对激光光斑进行连续的移动，在颗粒物质表面16不断形成新的烧结路径。激光发射装置14首先在颗粒物质表面16上烧结形成一个菱形的外边框。然后在菱形边框的四条边上分别取数个等分点，依次连接对边上相对应的等分点，进行烧结，就可以形成若干个小的菱形网格，最终形成菱形网格的网状固化层27。

如图7所示，按照预先设定好的激光烧结路线，控制激光发射装置14不断进行连续的移动，在颗粒物质表面16不断形成新的烧结路径。激光发射装置14首先在颗粒物质表面16上确定一点，以此点作为第一个烧结圆的圆心，绕圆心取任意长度的半径长度，移动激光发射装置14烧结形成第一个圆形网格28。然后从第一个圆心水平向右移动直径长度的距离，确定此点为第二个烧结圆的圆心，重复上一步骤，烧结形成第二个圆形网格，两个圆形网格优先为相切的关系，再以第二个烧结圆的圆心水平向右移动直径长度的距离，重复上述步骤，烧结形成第一排圆形网格。然后以第一排最后一个烧结圆的圆心为起点，移动激光发射装置14向垂直方向移动直径长度的距离，以此点作为第二排首个圆形网格的圆心，取相同的烧结半径进行烧结，形成第二排烧结网格，最终形成圆形网格的网状固化层30。

如图8所示，按照预先设定好的激光烧结路线，控制激光发射装置14不断对激光照射的光斑进行连续的移动，在颗粒物质表面16不断形成新的烧结路径。激光发射装置14首先在颗粒物质表面烧结形成第一个六边形网格31，然后以第一个六边形网格31的一边为起始边，烧结形成第二个六边形网格。依次按此步骤，以上一六边形网格的某一边为起始边，烧结形成下一个六边形网格，最终形成六边形网格的网状固化层32。

如图9所示，按照预先设定好的激光烧结路线，控制激光发射装置14不断对激光照射的光斑进行连续的移动，在颗粒物质表面16不断形成新的烧结路径。激光发射装置14首先在颗粒物质表面16上确定一点，以此点作为第一个烧结八边形网格33的中心，绕中心取任意长度的半径长度，移动激光发射装置14烧结形成第一个八边形网格。然后从第一个中心水平向右移动直径长度的距离，确定此点为第二个烧结八边形网格的中心，重复上一步骤，烧结形成第二个八边形网格，两个八边形网格应当为相切的关系，再以第二个烧结八边形网格的中心水平向右移动直径长度的距离，重复上述步骤，烧结形成第一排八边形形网格。然后以第一排最后一个烧结八边形网格的中心为起点，移动激光发射装置14向垂直方向移动直径长度的距离，以此点作为第二排首个八边形网格的中心，取相同的烧结半径进行烧结，形成第二排烧结网格，最终形成八边形网格的网状固化层34。

如图10所示，本发明中，控制激光发射装置14对颗粒物质表面16进行烧结，形成网状固化层23、25、26、27、30、32、34。取颗粒物质表面16的剖面图，网状固化层23等附着在颗粒物质表面16的最上层，根据颗粒物质种类的不同、所处地理环境的不同、颗粒物质中各种颗粒含量的不同，以及工程中提出的实际需求等条件，可以调节激光发射装置14发射激光的功率大小，对颗粒物质表面16进行不同程度的烧结，网状固化层23的厚度范围从0.005毫米到10毫米不等。

如图11所示，本发明中，对于激光照射小区域的连续移动，从而形成烧结路径22，优选地是通过激光器自身的镜片系统实现的(未画出)，同时也可有运载(搭载)设备41上所携带的偏转装置42的移动或翻转等动作来实现的(未画出)，还可以由激光装置与运载设备41的相对运动来实现。如图中41所示，激光发射装置14连接并安装在偏转装置42上，偏转装置42可以根据提供的指令，控制激光发射装置14实现任意角度的偏转和移动。偏转装置42可有各类电机和机构来实现。然后激光束12由激光发射装置14射出，射向颗粒物质表面16，并在颗粒物质表面16形成一个很小但能量很集中的照射区域18，当照射区域18内的颗粒被烧结固化后，偏转装置42使激光器发生移动或偏转(虚线15)，从而激光束12发生偏转或移动(形成激光束13)。在这段时间照射区域移动的过程中，照射区域18扫过一条路径22，那么路径22附近的颗粒也被连续地烧结固化。因此，由于激光束的偏转和移动，颗粒物质表面16上就会形成一条烧结的路径22。

如图12所示，本发明10中，激光运载设备41采用地面移动物体。地面移动物体通过自身的移动机构43(可以为履带(未画出)、轮胎等，根据不同的地面类型采用不同的移动机构43实现运载设备41连续的移动。偏转装置42安装于地面移动物体的下方，激光发射装置14再与偏转装置42相连接。当要对颗粒物质表面16的某一处进行烧结时，地面移动物体直接携带激光发射装置14到达该处的正上方，通过地面移动物体的移动，结合偏转装置42控制激光发射装置14的相对偏转，发射激光束12对任一处区域进行烧结，形成各种烧结固化路径。

如图13所示，本发明10中，激光运载设备41采用飞行物。飞行物通过自身的移动装置44(可以为三轴多旋翼、四轴多旋翼等，根据不同的环境采用不同的移动装置44)实现连续的移动。偏转装置42安装于飞行物的下方，激光发射装置14再与偏转装置42相连接。当要对颗粒物质表面16的某一处进行烧结时，飞行物直接携带激光发射装置14到达该处的正上方，通过飞行物的移动，结合偏转装置控制激光发射装置14的角度，或者激光器的镜片系统控制激光束12相对激光发射装置14的偏转，发射激光12对任一处区域进行烧结，形成各种烧结固化路径。

激光运载设备41优先地采用太阳能作为能量来源，驱动激光运载设备41的移动，及其偏转装置42的转动，运载设备41的翻转等各类动作。