CN105620793B - 一种以空间固体物质为工质的太空推进装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以空间固体物质为工质的太空推进装置及其方法，推进装置包括捕获系统、存储加工系统、弹射系统和电力系统，所述的捕获系统包括支撑臂和柔性机械臂，柔性机械臂的固定端与支撑臂连接，活动端设有机械爪，机械爪将捕获的物质送向存储加工系统；所述的弹射系统为电磁加速轨道系统，包括线圈和发射体，线圈为上下两个同轴线圈，两个线圈之间有小段间隙，发射体可在两个线圈之间通过，发射体的发射材料为存储加工系统中加工的成品。本发明在进入近地轨道时不必携带大量燃料，而是在太空中获得工质，具备任意机动、遂行多种任务的能力。

Description

一种以空间固体物质为工质的太空推进装置及其方法

技术领域

本发明涉及航空宇航推进技术领域，具体是一种以空间固体物质为工质的太空推进装置及其方法。

背景技术

2007年10月24日18时05分(UTC+8时)左右，中国首颗深空探测卫星嫦娥一号卫星于在西昌卫星发射中心升空。在经过494天的飞行之后，嫦娥一号卫星于2009年3月1日下午15时36分开始减速,经过37分钟的减速，卫星以撞击月球的方式成功落在月球的丰富海区域，结束了它的工作使命。

2006年1月19日，美国国家航空航天局从佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射升空冥王星探测器新---地平线号，其主要任务是探测冥王星及其最大的卫星卡戎和探测位于柯伊柏带的小行星群。考察冥王星任务结束后，“新地平线”会继续向离地球更远的宇宙空飞，在2017至2020年抵达一个由彗星和其他宇宙碎片构成的中间环带——柯伊柏带，探测至少两个直径为40至90千米的柯伊伯带天体，这一阶段最多可能会持续5至10年。

上述两个探测器均以深空探测为目的，使用化学火箭发动机作为推进方式。这种推进方式的效果是需要携带大量燃料进入近地轨道，对实际应用带来两个问题：

1.入轨重量巨大，对火箭运载能力要求很高；现有火箭的运载能力也限制了航天器任务载荷的重量。

2.需要在任务开始之前精确计算出所需燃料，任务完成后燃料基本耗尽，失去进一步机动的能力，难以接受其他任务。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种以空间固体物质为工质的太空推进装置及其方法，在进入近地轨道时不必携带大量燃料，而是在太空中获得工质，具备任意机动、遂行多种任务的能力。

本发明提供的推进装置包括捕获系统、存储加工系统、弹射系统和电力系统，所述的捕获系统包括支撑臂和柔性机械臂，柔性机械臂的固定端与支撑臂连接，活动端设有机械爪，机械爪将捕获的物质送向存储加工系统；所述的弹射系统为电磁加速轨道系统，包括贯通式长轨道，轨道内两侧沿轨道分别分布有一对长条同轴线圈，每对线圈中间穿入有一块金属板，两块金属板中间连接有碗状发射体，发射体的发射材料为存储加工系统中加工的工质块。

进一步改进，推进装置还包括热控系统，所述热控系统一面朝阳，朝阳面上敷设电力系统，背阳面上设有辐射板，辐射板上排布有若干热管，热管延伸到线圈和受热面之间。

进一步改进，所述的电力系统为薄膜太阳能电池。

本发明还提供了一种以空间固体物质为工质的太空推进方法，包括以下步骤：

1）捕获系统的柔性机械臂定位并捕获一颗太空中的金属碎块或者岩石碎块，输送向存储加工系统；

2）存储加工系统将其加工成大小形状合适的小块工质块，输送向弹射系统；

3）弹射系统将加工好的小块工质块加速抛出，从而获得推力。

本发明有益效果在于：

1、本发明可以不断地获得新的工质，从而具备了机动性和使用灵活性。

2、可以销毁太空垃圾。在利用太空垃圾作为工质的时候，垃圾本身被减速，从而坠落回地球烧毁。

3、新发射的火箭可以不必进行钝化处理，从而节省运力。入轨的第二级或者第三级火箭可以被本发明捕获，作为工质使用。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为弹射系统结构示意图。

图3为本发明提供的推进装置从低轨道爬升至同步轨道高度轨迹图。

图4为本发明提供的推进装置从低轨道爬升至同步轨道过程总质量随时间变化图。

图5为本发明提供的推进装置从低轨道爬升至同步轨道过程高度随时间变化图。

图6为本发明提供的推进装置从低轨道爬升至同步轨道过程速度随时间变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明结构如图1所示，包括捕获系统、存储加工系统5、弹射系统4和电力系统3。系统具体结构如下：

1、捕获系统：

本发明由普通化学火箭发射入轨，处于近地轨道，收集足够太空垃圾之后，就可以进入同步轨道获取那里的太空垃圾。由于需要在太空获取太空垃圾，首先要有捕获系统，捕获系统包括支撑臂2和柔性机械臂1，柔性机械臂1的固定端与支撑臂2连接，活动端设有机械爪，机械爪将捕获的物质送向存储加工系统5。利用三条多功能柔性机械臂，抓取太空垃圾或者小行星。它的指尖非常的锋利，可以刺穿薄壁结构，或者插入松软的岩石，从而固定比自身大的物体。机械臂在发射阶段可以收进内部空间，便于发射。

机械臂的多功能体现在它可以操作专用的切割或挖掘工具，对所捕获的物体进行粗加工操作，获得较小的块。然后交由存储加工系统进行进一步加工操作。

2、存储加工系统：

加工车间拥有较好的零件加工能力，首先测量机械臂送来的工质块的质量和体积，然后选择合适的工艺将其加工成质量和体积都满足要求的小块，交由智能仓库进行分类储存备用。也可依据指令加工出备用零件，甚至向其它航天器提供此类产品。

3、 弹射系统

弹射系统采用磁力线重接式电磁加速装置。磁力线重接式电磁加速装置是利用两个磁场重新接合时产生的相互作用力来推动发射体高速前进。它是一种可以多级加速的、无接触的感应发射器。由于采用无接触式发射，避免了导轨烧蚀与过热等问题，而且重接式每单位长度传递给弹丸的能量要比其它电磁发射方式多得多。

弹射系统如图2所示，包括贯通式长轨道9，长轨道9内两侧沿长轨道9分别分布有一对长条同轴线圈6，每对线圈6中间穿入有一块金属板7，两块金属板7中间连接有碗状发射体8，发射体8的发射材料为存储加工系统中加工的工质块。

为了尽量增加轨道长度，采用贯通式长轨道，长达20米。轨道主要的承力部分为轨道框架，轨道框架是用来容纳、固定加速线圈的结构。加速过程中必须保证轨道框架的变形在合理的范围内。对于航天飞行器而言，重量是个必须要斤斤计较的事情。因此，轨道框架所用材料必须有足够的强度，同时还得尽可能地轻。轨道框架使用类似TC4高强度钛合金。

考虑到工质来源复杂，材料各不相同，所以电磁加速装置配用的发射体为专门设计制造的，并能够重复使用，工质块被做成合适的形状放置在发射体内，随发射体一起加速到预定值时，发射体减速，工质块靠惯性继续运行。

4、热控系统

由于加速过程电流较大，为了提高能量利用率，减少发热，线圈和发射体采用了在液氮温区的高温超导材料制作。根据这个要求设计了热控系统，首先从姿态上保证只有一面朝向太阳，表面敷设薄膜太阳能电池，薄膜电池与结构之间使用隔热材料；另一面使用辐射板散热。热管延伸到线圈组和受热面之间，阻止热量传递到线圈上。

5、电力系统

采用太阳能作为能量来源，拥有两片巨大的太阳能电池，其主体是由缆绳牵拉张开的薄膜太阳能电池，薄膜电池在发射时处于折叠状态，入轨之后展开。由于电磁加速器推进方式不是连续的，整个飞船会受到一个不连续的过载，需要在薄膜电池前方设置支撑臂（如图），减小薄膜电池受到的影响，同时支撑臂作为缆绳的支点，也在前进方向提供一定的保护作用；折叠状态下作为薄膜电池的收纳之处，同时也对主体部分提供一定的保护。

本实例太阳能电池总面积达到676.793m²，在地球附近工作时，太阳常数取值为1367W/m²，考虑到能量转化效率取0.5的情况下，每分钟可以将0.5kg的工质加速到10537m/s。保证离开的工质块以一个较大的速度进入大气层烧毁。

为了进一步验证本设计推进方式的可行性，基于航天器轨道力学，对其从200km低轨道爬升至同步轨道高度的过程进行了动力学模拟，结果如图3至6所示。

该算例中本实例空重20吨，携带12吨工质，采用0.5kg/min的工质喷射质量流量，10537m/s的速度，从200km低轨道加速到同步轨道高度，工质消耗量为11.43吨。还剩0.57吨可以用来进行轨道调整和在轨机动。模拟结果表明，携带12吨太空垃圾作为工质，足够达到同步轨道，所花费时间为16天。

本发明还包括以下常规飞船系统：

1、导航控制系统：

前述模拟结果给出了本实例从近地轨道到同步轨道所需的太空垃圾总质量，实际上太空垃圾的收集，需要不断地变轨和捕捉，每次变轨都会消耗一定量的工质。因此每次获取的太空垃圾不宜过小。

考虑到运载火箭发射时候，第二级火箭已经达到入轨速度，可以作为比较理想的工质来源。特别是本实例自身入轨时候，可以将所用火箭的第二级直接捕获，分解后作为工质使用。全世界每年的航天发射数量巨大，2014年世界航天发射次数达到92次，其中中国16次。这些航天发射活动的第二级火箭提供了大量入轨的第二级火箭可供抓取，同时无需进行钝化处理，从而节约运力。

本实例的导航控制系统，负责在捕获这些目标过程中，进行路径规划及变轨。结合已有太空垃圾种类、质量及轨道的监测数据库，提出一种社会群体搜索算法，社会群体搜索算法对垃圾群体的分类及信息反馈机制，引入交叉变异和淘汰机制增加搜索范围，提升社会群体搜索算法在飞行器捕捉太空垃圾中的有效性和高效性，进一步减少飞行器变轨次数和能量损耗，增加捕获太空垃圾的数量和质量。

2、损害管制系统：

鉴于本实例要长期多次的执行任务，有必要也有条件准备损害管制系统。一旦出现碰撞损伤，可以利用获取的太空垃圾或者金属质小行星作为原料，由智能仓库里的加工设备，制造出用于临时更换的零件，由机械臂负责安装到位。执行往返任务归来以后，再由全新的零件替换。同时，损管系统要有预防措施，比如将一些暂时不用的大块工质固定在容易遭到其它碎片碰撞的方向，从而起到保护作用。

3、任务载荷系统：

由于本实例可以进行多次往返任务，所以其任务载荷系统，可以做成独立的模块，在需要的时候进行安装更换，可以根据任务需求决定置于外表面，或者舱内，使用灵活方便。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种以空间固体物质为工质的太空推进装置，其特征在于：包括捕获系统、存储加工系统（5）、弹射系统（4）和电力系统（3），所述的捕获系统包括支撑臂（2）和柔性机械臂（1），柔性机械臂（1）的固定端与支撑臂（2）连接，活动端设有机械爪，机械爪将捕获的物质送向存储加工系统（5）；所述的弹射系统（4）为电磁加速轨道系统，包括贯通式长轨道（9），长轨道（9）内两侧沿长轨道（9）分别分布有一对长条同轴线圈（6），每对线圈（6）中间穿入有一块金属板（7），两块金属板（7）中间连接有碗状发射体（8），发射体（8）的发射材料为存储加工系统中加工的工质块。

2.根据权利要求1所述的以空间固体物质为工质的太空推进装置，其特征在于：还包括热控系统，所述热控系统一面朝阳，朝阳面上敷设电力系统，背阳面上设有辐射板，辐射板上排布有若干热管，热管延伸到线圈和受热面之间。

3.根据权利要求1或2所述的以空间固体物质为工质的太空推进装置，其特征在于：所述的电力系统（3）为薄膜太阳能电池。

4.一种以空间固体物质为工质的太空推进方法，其特征在于包括以下步骤：

1）捕获系统的柔性机械臂定位并捕获一颗太空中的金属碎块或者岩石碎块，输送向存储加工系统；

2）存储加工系统将其加工成大小形状合适的小块工质块，输送向弹射系统；

3）弹射系统将加工好的小块工质块加速抛出，从而获得推力。