[0001] 本发明实施例涉及航天航空中气体的收集利用技术领域，具体涉及用于航天航空系统中的气体富集分离装置和方法。

[0002] 超低轨道卫星可具有更高的对地分辨率、更短的通讯延迟等优势。由于超低轨道的大气阻力远大于中高轨道，若仍采用传统航天推进技术则需携带推进剂量极为庞大，因此适用于超低轨道的吸气式电推进技术一经提出便成为该领域的研究热点。现有的超低轨道吸气式电推进技术一般采用专用进气道收集超低轨道的稀薄气体，并压缩、储存，然后采用离子推力器或霍尔推力器等电推进方式高速喷出以抵消超低轨道大气阻力。但气体中的氧成分会对电推进中的电极、中和器等造成氧化等损伤。

[0003] 因此，如何实现适用于航空航天领域中气体的收集，以及在使用过程中，对气体组分进行分离后使用，以避免电极、中和器等与氧气接触的氧化等损伤的问题，是本发明亟需解决的。

[0056] 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0057] 以下结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。

[0058] 如图1所示，本发明提供了一种用于航天航空系统中的气体富集分离装置，具体地，包括：

[0059] 气体采集单元1：包括进气道11。进气道11主要实现超低轨道环境气体的初步收集；为了增加收集效率，采用蜂窝状进气道结构及气动进气道结构，初步提升气体压力；同时为了增加收集量，可以进一步在进气道11的前端(即朝向外部环境的一端)增加电离装置，附加发散的磁场构型，实现更大收集面的气体收集。

[0060] 进一步地，对于在临近空间和超低轨的吸气式宽域飞行器，进气布局将直接影响收集气体的效率。由于不同轨道下来流气体流态不同，对应流态下最适合的进气方式也不同。对于超低轨稀薄气体，进气装置需要蜂窝导管，形成狭长的通道减少回流，更有效地捕获颗粒。而对于临近空间的连续流，会在进气装置蜂窝导管壁面形成边界层，阻碍气体的进入，使用大口径进气道更有利于进气。为实现在临近空间和超低轨道工作的宽域吸气式飞行器的有效进气，本发明中进一步将进气道11设置为进气截面和进气通道数量能够调节的结构。以下结合具体的实施例进行进一步的说明。

[0061] 实施例一、由外部管道111(即对应固定进气管)和内部记忆合金制作的导管112(即对应可调通道组)组成。

[0062] 如图2和图3所示，为该实施例其中一种具体的结构。其中，图2为可形变的蜂窝状结构的导管112的结构示意图，图3为导管112拉伸为片状的整个进气道11的结构示意图。具体地，使用的导管112为蜂窝状，使用的外部管道111两侧带有凹槽。使用的蜂窝状导管112可拉长为片状，伸长部分置于外部管道111两侧凹槽内，凹槽位于太阳翼或稳定翼中，以不增加侧面摩阻。当飞行器在超低轨道飞行时，记忆金属材料的导管112打开为蜂窝管道，如图2所示，提高粒子与壁面的碰撞，有效防止粒子回流，从而提高进气道压缩比和捕获率；当飞行器在临近空间飞行时，记忆金属材料的导管112上下端受力被拉为片状，如图3所示，将整个进气道11分为两个大口径入口，以降低边界层的影响，收集更多的粒子。

[0063] 如图4‑图7所示，为该实施例另一种具体的结构。即，形成为蜂窝状的导管112是通过径向方向的收缩和舒张实现的。具体地，使用的记忆合金制作的导管112可向四周均匀放大和缩小，根据分形学的概念，导管缩小形态理论上具有有限面积和无限边长。如图5所示，对六边形进行一级分形以增大边长，可根据需要继续进行分形。即存在导管112均匀铺满进气口(如图6所示)和导管112缩小(如图7所示)至足够小两种形态。导管缩小后可位于进气口中心或管道111壁面，导管112的缩小和放大可由位于管道111壁面的电磁装置控制。

[0064] 如图8和图9所示，为该实施例又一具体的结构。具体地，使用的导管112为涡旋板状，并与多个可旋转叶片相连。导管112具有铺满和紧凑两种形态。在超低轨道飞行时，导管112通过旋转的方式能够铺满管道111(如图8所示)，涡旋板展开时带动可旋转叶片张开，将进气口分为多个小孔结构，降低回流，提高捕集率。而在临近空间飞行时，导管112折叠为紧凑型(如图9所示)，使进气口为大口径入口。

[0065] 实施例二、由内环113、外环114(对应固定进气管)，以及位于内环113和外环114之间的可调节叶片115(对应可调通道组)组成。

[0066] 如图10和图11所示，由内环113和外环114两部分组成，其中内环113管道前端具有蜂窝导管。图10为进气道11的结构示意图，并对可调节叶片115的结构进行了单独的示意；图11为可调节的叶片115在旋转过程中的不同状态下的示意图，且自左而右依次为叶片115向外旋转、旋转的中间状态和叶片115向内旋转。在实际使用过程中，进气装置末端内环113进气道与外环114进气道相接的位置的壁面与叶片115连接，叶片115根据压力大小旋转。当在超低轨飞行时，内环113压力大于外环114时，叶片115向外旋转，内环113进气道打开，外环114进气道关闭，如图11中的最左侧图片所示。当在临近空间飞行时，外环114压力大于内环113时，叶片115向内旋转，外环114进气道打开，内环113进气道关闭，如图11中的最右侧图片所示。

[0067] 实施例三、将整个进气道11设置为具有多个口径不同的进气通道(例如，本发明中的具体实施例中采用两个口径不同的进气通道)，依据气流的不同实现进气通道的切换。

[0068] 如图12和图13所示，飞行器主体前部由两个进气通道组成，其中一个进气通道前端具有蜂窝导管，另一个进气通道为大口径导管。在进气通道末端由压力控制的开关相连。如，具有固定角度(90°～180°)的合页，当飞行在临近空间时，无蜂窝导管的一侧进气通道收集到的气体多于有蜂窝导管的一侧，其进气通道内压力更大，冲开末端一侧挡板，另一侧挡板自动闭合，以实现进气装置的自适应选择。(或者，使用移动活塞阀门，利用两个进气通道的压力差控制。)

[0069] 气体富集传递单元2：至少包括储气胶囊22。在本发明的一种具体的实施例中，这里是通过对环境中温度的调节，实现气体收集中的吸附(包括物理吸附和化学吸附)和脱吸附、或者液化和气化的相变过程。同时，需要说明的是，靠近气体采集单元1的一侧为温度最低的区域，以实现气体的富集存储，靠近气体蓄集单元4的一侧为温度最高的区域，以实现气体的气化释放。

[0070] 进一步地，如图1所示，储气胶囊22自左向右分为三个区间。其中，位于最左侧的三个储气胶囊22(温度最低)形成为储气囊，用于通过包括但不限于物理吸附、化学吸附、相变等方式实现气体的收集；位于中间的一组储气胶囊22形成为缓冲囊，其温度无需进一步干预，只需要未达到气体的气化温度即可，用于实现气体的传递，以及隔开温度最低和温度最高的两个区间；位于最右侧的三个储气胶囊22(温度最高)形成为释放囊，具体地，各个释放囊的温度不完全相同，以使得通过对温度的调节，实现不同气体组分的分类释放收集。

[0071] 对于释放囊而言，随着转盘沿如图1所示方向的旋转，释放囊依次旋转到位于上方的第一集气口和位于下方的第二集气口，在不同的温度条件下，不同气体(氮气和氧气，需要说明的是，这里仅仅是以仅需要将区分出氮气和氧气不在同一个集气口41收集的情况下，而在实际操作过程中，针对性地可以根据需要区分的气体组分的数量的不同，针对性设计对应数量的多个顺次设置的集气口41即可)分别实现了脱吸附或液相到气相的转变，即实现了氮气和氧气的收集分离及压缩过程。例如，若采用相变形式收集，则第一集气口的温度应介于‑195.8℃和‑118.57℃之间，第二集气口的温度应高于‑118.57℃。

[0072] 在本发明的这一技术方案下，通过设置不同容气量的储气胶囊22，并配以合适的旋转速度，可实现近乎100％的气体收集效率。进一步实现了在分离气体，降低常规气体利用过程中对部件的损伤的前提下，提高气体利用效率的效果。

[0073] 气体分离单元3：在本发明的具体实施例中，这里是通过对温度进行调节，因此，这里具体可以选用温控管理模块实现。当然，虽然这里具体使用温度，但通过调节压力也可以对气体组分进行分离，因此，这里若采用压力管理模块，或是将其与温控管理模块相结合，也可以作为本发明的一种实现方式。

[0074] 具体地，温控管理模块和气体富集传递单元2相配合工作，通过温控管理模块在储气囊所在的区域实现低温环境(具体地，如图中热量箭头方向，即通过吸热的方式即可实现)，通过对第一集气口和第二集气口的加热操作，在气体收集尾端分别对应实现不同温度的高温环境；第二集气口的温度高于第一集气口。

[0075] 气体蓄集单元4：经集气口41收集的多个气体组分各自进行存储，并进一步供至对应的设备或是区域中。

[0076] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。