本發(fā)明涉及外星制氧裝置，具體是指一種用于外星生命維持的氣體壓縮和發(fā)生裝備。
背景技術(shù)：
1、隨著我國綜合國力與科技水平不斷提升，載人航天、深空探測等領(lǐng)域加速邁向并跑、領(lǐng)跑階段。載人空間站工程獲階段性成果后，我國提出載人月球探測、火星采樣返回等重大任務(wù)，外星長期駐留基地愿景正從構(gòu)想轉(zhuǎn)向工程規(guī)劃。然而目前航天領(lǐng)域仍面臨核心裝備自主化程度不足、深空探測長期駐留技術(shù)儲備薄弱、跨天體任務(wù)的保障體系尚未完善等現(xiàn)實(shí)問題，技術(shù)攻關(guān)與產(chǎn)業(yè)配套的壓力逐步凸顯。
2、在現(xiàn)有的空間任務(wù)中，航天星壤材料3d打印技術(shù)員的呼吸氧氣、艙內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)以及部分推進(jìn)劑氧化劑，主要依賴從地球預(yù)先攜帶或定期補(bǔ)給。然而，隨著探測距離和駐留時間的增加，傳統(tǒng)的供氧方式主要存在以下問題：1）任務(wù)成本高且運(yùn)力受限氧氣、推進(jìn)劑氧化劑等物資需占用大量運(yùn)載火箭載荷，不僅推高發(fā)射成本，還會擠壓設(shè)備、科學(xué)載荷等核心物資的搭載空間；2）任務(wù)可靠性與安全性受制于補(bǔ)給鏈依賴補(bǔ)給的模式難以支撐長期深空任務(wù)，無法實(shí)現(xiàn)頻繁補(bǔ)給，同時也制約了更遠(yuǎn)距離的深空探測拓展；3）資源利用效率低從地球運(yùn)輸?shù)奈镔Y屬于“一次性消耗”，無法循環(huán)利用，既不符合深空任務(wù)的可持續(xù)性需求，也浪費(fèi)地外天體可能存在的資源。
3、以火星為代表的類地行星，其大氣環(huán)境具有一個突出的共同特點(diǎn)：二氧化碳含量極高。并具備以下可行性特征：1）以碳基氣體為核心組分具備資源轉(zhuǎn)化潛力，可通過原位資源利用技術(shù)，如薩巴蒂爾反應(yīng)、電解等將其轉(zhuǎn)化為氧氣、甲烷等關(guān)鍵物資；2）存在動態(tài)循環(huán)，可支撐持續(xù)資源采集類地行星大氣存在季節(jié)和晝夜的濃度、成分波動，意味著大氣資源具備“可再生”的持續(xù)采集條件，而非一次性靜態(tài)資源；3）大氣壓力與成分適配原位轉(zhuǎn)化設(shè)備雖類地行星大氣密度較低，但壓力與成分范圍適配現(xiàn)有小型化原位資源利用裝置，無需極端的設(shè)備改造即可實(shí)現(xiàn)氣體的捕獲、分離與轉(zhuǎn)化。因此，圍繞如何利用火星等外星環(huán)境的co2生產(chǎn)氧氣這一核心工程問題開展研究，對支撐我國未來深空探測與空間基地建設(shè)具有重要的戰(zhàn)略意義。
4、從工程實(shí)踐與可持續(xù)發(fā)展視角綜合來看，當(dāng)前以地球補(bǔ)給為核心的深空任務(wù)資源保障模式存在以下矛盾：1）載荷占用與成本耦合的效率偏衡，不僅直接推高單次發(fā)射的經(jīng)濟(jì)成本，還難以保障系統(tǒng)等核心載荷的搭載空間；2）補(bǔ)給鏈脆弱性與可持續(xù)性低，無法實(shí)現(xiàn)高頻次、高可靠性補(bǔ)給；3）外星極端動態(tài)環(huán)境，難以實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計和寬工況自適應(yīng)的工程協(xié)同問題。
5、為了突破對地球補(bǔ)給的依賴，亟需研發(fā)一種能夠高效利用外星原位資源（如火星大氣中豐富的二氧化碳）的集成化裝備，實(shí)現(xiàn)從稀薄大氣中采集、穩(wěn)定壓縮到高效轉(zhuǎn)化制氧的一體化解決方案。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：一種用于外星生命維持的氣體壓縮和發(fā)生裝備，包括依次連接的渦旋壓縮機(jī)構(gòu)及氧氣發(fā)生機(jī)構(gòu)；
2、所述渦旋壓縮機(jī)構(gòu)與氣體采集與預(yù)處理裝置連接，用于對預(yù)處理后的稀薄co2進(jìn)行多級增壓，并輸出平穩(wěn)氣流；
3、所述氧氣發(fā)生機(jī)構(gòu)用于在高溫條件下將增壓后的co2電化學(xué)分解為氧氣和一氧化碳，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的分離收集；
4、所述渦旋壓縮機(jī)構(gòu)包括：殼體結(jié)構(gòu)；設(shè)置于所述殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的動盤渦旋軌道組件；設(shè)置于所述殼體結(jié)構(gòu)兩端并與所述動盤渦旋軌道組件的輸入端、輸出端傳動連接的發(fā)動機(jī)及靜盤盤蓋；所述靜盤盤蓋與所述動盤渦旋軌道組件通過若干惰輪軸及緊固件連接；所述殼體結(jié)構(gòu)上還設(shè)置有散熱孔及散熱風(fēng)扇；
5、所述動盤渦旋軌道組件包括：與所述惰輪軸及緊固件連接的惰輪軸殼；轉(zhuǎn)動設(shè)置于所述惰輪軸殼內(nèi)的渦旋軌道；連接所述渦旋軌道與所述發(fā)動機(jī)的傳動曲軸。
6、優(yōu)選地，所述惰輪軸及緊固件包括設(shè)置于所述惰輪軸殼的偏心惰輪軸以及設(shè)置于所述偏心惰輪軸頂部的多個軸承；所述軸承嵌設(shè)于所述靜盤盤蓋上對應(yīng)的安裝孔內(nèi)。
7、優(yōu)選地，所述渦旋軌道的渦旋型線以圓的漸開線為基礎(chǔ)型線，其齒頂型線經(jīng)修正形成雙邊不對稱型線；所述渦旋齒端面開設(shè)有密封槽，所述密封槽內(nèi)嵌有自潤滑材料制成的密封條；所述渦旋盤底平面加裝有耐磨片；所述密封條采用自緊式密封或背壓平衡式密封結(jié)構(gòu)。
8、優(yōu)選地，所述傳動曲軸通過螺栓與所述渦旋軌道緊固連接；所述傳動曲軸通過柔性聯(lián)軸器與所述發(fā)動機(jī)連接。
9、優(yōu)選地，所述靜盤盤蓋上設(shè)置有與所述氧氣發(fā)生機(jī)構(gòu)連通的輸氣管道；所述輸氣管道內(nèi)設(shè)有多層過濾膜；所述輸氣管道為耐高壓、抗腐蝕的密封管路。
10、優(yōu)選地，電解池殼體206；設(shè)置于所述電解池殼體206內(nèi)的電解組件；所述渦旋壓縮機(jī)構(gòu)通過輸氣管道與所述電解組件的進(jìn)氣口連接；所述電解組件的出氣口連接有若干穿出所述電解池殼體206的出氣管道207。
11、優(yōu)選地，可拆卸連接的電解池底座和電解池頂蓋；設(shè)置于所述電解池底座內(nèi)的電解池外殼；設(shè)置于所述電解池外殼內(nèi)的電解堆棧；與所述電解池外殼頂部連接的電解池頂部固定蓋；所述電解堆棧內(nèi)由上至下交錯設(shè)置有若干層電解陽極腔和電解陰極腔。
12、優(yōu)選地，所述電解陽極腔和電解陰極腔內(nèi)分別設(shè)有電解陽極片和電解陰極片；所述電解陽極腔用于釋放并收集氧氣；所述電解陰極腔出口用于排出一氧化碳及未反應(yīng)的co2，其中未反應(yīng)的co2回流至氣體采集與預(yù)處理裝置重新參與循環(huán)，一氧化碳被單獨(dú)收集以維持系統(tǒng)還原性環(huán)境。
13、優(yōu)選地，包括如上述所述的氣體壓縮和發(fā)生裝備；以及電氣控制模塊；
14、所述電氣控制模塊包括：stm32系列主控芯片，具備抗單粒子效應(yīng)能力及多種通信接口；
15、傳感器模塊，包括壓力傳感單元和溫度傳感單元；所述壓力傳感單元通過儀表放大器放大信號并經(jīng)多階有源低通濾波器濾噪后輸入所述主控芯片；
16、所述溫度傳感單元通過恒流源驅(qū)動，并采用查表法轉(zhuǎn)換為溫度值；
17、通信模塊，采用隔離型can收發(fā)器，并設(shè)有硬件看門狗芯片和電壓監(jiān)控芯片；
18、電機(jī)驅(qū)動模塊，采用三相全橋逆變電路，功率開關(guān)管為低導(dǎo)通電阻的n-mosfet，通過foc算法驅(qū)動，并配備集成柵極驅(qū)動和保護(hù)邏輯的三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動ic。
19、優(yōu)選地，所述電氣控制模塊還包括：
20、電源模塊，設(shè)有反接保護(hù)、過壓保護(hù)及過流保護(hù)電路，通過大電流降壓轉(zhuǎn)換器和低壓差線性穩(wěn)壓器為不同模塊供電；
21、數(shù)據(jù)采集模塊，用于周期性輪詢采集傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行滑動平均濾波處理；
22、顯示模塊，采用oled顯示屏，用于動態(tài)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。
23、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
24、（1）本發(fā)明將渦旋壓縮機(jī)構(gòu)與高溫電解機(jī)構(gòu)緊密集成，設(shè)計了一體化的氣體壓縮和發(fā)生裝備。其中，渦旋壓縮機(jī)構(gòu)采用了經(jīng)優(yōu)化齒型的雙頭渦旋線設(shè)計，在保證排氣量的前提下，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的緊湊與輕量化。通過帶偏心惰輪軸的動盤渦旋軌道組件進(jìn)行動力傳遞，有效解決了外星低壓環(huán)境下氣體壓縮效率低、密封泄漏嚴(yán)重的技術(shù)瓶頸，為后端電解提供了平穩(wěn)連續(xù)的氣源。
25、（2）本發(fā)明整個系統(tǒng)針對外星的低氣壓、高低溫、沙塵環(huán)境進(jìn)行了專門適配。渦旋壓縮機(jī)構(gòu)的殼體結(jié)構(gòu)設(shè)有散熱風(fēng)扇和散熱孔，并采用耐環(huán)境特種材質(zhì)，確保熱管理與環(huán)境耐受性。輸氣管道為耐高壓、抗腐蝕的密封管路，內(nèi)部設(shè)有多層過濾膜，能有效應(yīng)對外星大氣中的塵埃雜質(zhì)。電氣控制系統(tǒng)也考慮了抗輻射、寬溫區(qū)工作等可靠性設(shè)計，保障了在極端條件下的長期穩(wěn)定工作。
26、（3）本發(fā)明通過高溫固體氧化物電解堆棧，將增壓后的co2電化學(xué)分解為氧氣和一氧化碳；產(chǎn)物通過獨(dú)立通道，即電解陽極腔、電解陰極腔進(jìn)行分離收集：氧氣被收集供生命維持使用；未反應(yīng)的co2可回流至系統(tǒng)前端重新參與壓縮和電解循環(huán)，而非直接排放。這種設(shè)計極大地提高了資源的利用效率，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵物質(zhì)的閉環(huán)循環(huán)，從根本上減少了對外部補(bǔ)給的依賴，對于建立可持續(xù)的外星基地具有決定性意義。