CN106005477B - 一种地球天梯系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地球天梯系统，它包括：绳索(1)、天顶锚(2)和地面锚站(3)，其中，绳索(1)的两端通过绳索约束体分别固定在天顶锚(2)、地面锚站(3)上，所述天梯系统通过绳索(1)上的攀爬器实现有效载荷的运送；更进一步，该天梯系统还包括位于GEO轨道上的GEO点平台(4)，GEO点平台(4)通过附着机构固定在绳索(1)上。另外，该发明还提供了一种上述地球天梯系统的建造方法。本发明天梯系统采用碳纳米管材料作为天梯绳索材料，其可使天梯系统整体规模下降，建造难度降低；其利用攀爬器运输有效载荷沿绳索攀爬进入空间，且其能源来源主要为太阳能、激光能和核能，可有效节约能源、降低成本。

Description

一种地球天梯系统

技术领域

本发明涉及航天运输系统技术领域，具体是指一种实现地球与太空之间的运输工具。

背景技术

随着人类社会的不断发展，对航天任务的需求越来越强烈，未来航天活动将变得越来越频繁，甚至可能成为一种日常的活动，这就对进入空间的方式从经济性、可靠性、安全性方面提出了新的需求，为了应对这种需求，需在运载火箭外开拓新的途径，天梯作为符合以上要求的概念，自提出以来备受国际航天领域的关注，并开展了大量的前期研究工作。

天梯是一种将有效载荷从地球表面运送到空间的新型运输系统，其原理为通过缆绳将地球表面的锚点与位于太空的锚点连接，通过运行于缆绳上的载荷舱将有效载荷送入空间。

最早提出太空天梯设想的人是著名的航天先驱齐奥尔科夫斯基。1970年，美国科学家罗姆·皮尔森进一步完善了太空天梯的设想。英国人阿瑟·克拉克1978年初步分析得出天梯对绳索材料强度的要求太高，在当时根本无法想象。材料技术的限制是天梯一直未能得到足够关注的主要原因之一。随着材料技术的发展，尤其是1990年代碳纳米管的出现，为解决天梯缆绳技术问题提出了可能的途径。

美国专利公开说明书US2011005869A1中公开了一种用于天梯建造和天梯运送货物的方法。这种天梯存在的问题是其运送货物的方法是采用绳索移动带动天梯运输车来实施，并没有利用攀爬器，由于天梯绳索重量大，这就带来需要很大的能源需求来移动整个绳索系统；其次，它并没有给出天梯各系统组成；且该天梯仅采用激光作为能源驱动，没有提到核电和太阳能等其他能源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服已有技术之缺陷，提供一种地球天梯系统，其通过绳索将地球表面的锚点与位于GEO轨道上方的空间锚点连接，整个天梯系统的质心位于GEO节点附近，形成一个相对地表静止的自稳定空间运输系统，通过运行于绳索上的攀爬器(载荷舱)将有效载荷送入空间。其可替代运载火箭航天发射器，且具有经济、运载能力大、安全性好等特点。

本发明所述技术问题是通过以下技术方案解决的：

一种地球天梯系统，它包括：绳索、天顶锚和地面锚站，其特征在于：绳索的两端通过绳索约束体分别固定在天顶锚、地面锚站上，所述天梯系统通过绳索上的攀爬器实现有效载荷的运送。

上述地球天梯系统，它还包括位于GEO轨道上的GEO点平台，GEO点平台通过附着机构固定在绳索上。

上述地球天梯系统，所述绳索采用碳纳米管材料制成。

上述地球天梯系统，所述攀爬器通过其上设置的攀爬机电系统沿绳索向上攀爬，攀爬机电系统包括电机、附着机构。

上述地球天梯系统，所述攀爬器上还设有能量供应系统、测控通信系统、姿态控制系统、环境检测与控制系统、检测维修与维护系统、应急安全系统、有效载荷舱。

上述地球天梯系统，所述能量供应系统为攀爬器自身携带的太阳能电池阵，或由空间太阳能电站提供，通过微波、激光等方式传输到攀爬器上；或使用固体激光器作为地面支持能源，在攀爬器的底部装有光伏电池板，激光经过扩束后照射在光伏电池上转化为电能，为爬升器提供持续不断的动力；或攀爬器自身携带的核电源。

上述的地球天梯系统，所述绳索约束体为固定座或拉钩中的一种，所述天顶锚、地面锚站上设有绳索收放设备。

上述地球天梯系统，所述天顶锚为近地小卫星或废弃GEO轨道卫星。

上述地球天梯系统，所述地面锚站为海洋基站。

一种上述地球天梯系统的建造方法，其包括如下步骤：

1)建立母绳：用火箭将母绳送入GEO轨道，母绳从GEO轨道进行铺设，母绳一端在释放牵引装置的作用下朝地面方向展开，母绳的另一端通过GEO展开卫星往上运动，最终成为天顶锚的一部分；

2)稳定母绳：当地面锚站捕获到母绳后，GEO展开卫星会继续往下运行一段距离，以保证绳索具有一定张力，维持系统的稳定性；

3)天梯绳索编织：天梯绳索的建设采用绳索编织法，绳索编织法是指通过小型的攀爬器，携带线圈绕母绳运动，完成绳索的编织；

4)设置攀爬器：在天梯绳索上设置攀爬器，并用攀爬器运送GEO点平台到GEO轨道上，随后释放，GEO点平台将附着在天梯绳索上。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用轻质、高强度的碳纳米管材料作为天梯绳索材料，该材料的允许强度极限达60GPa，使得天梯整体规模下降，建造难度降低，可实现性好。

(2)本发明采用了绳索固定，利用攀爬器沿着绳索攀爬进入空间的方式，能够有效节约进入空间的能源需求。

(3)本发明攀爬器的能源来源采用了太阳能、激光能和核能组合的方式，有效降低了对单一能源的极高的需求，可实现性好。

(4)满足低成本进入空间的需求。相比于当前主流运载火箭GEO轨道的单位质量运输成本动辄为数万美元，GEO等高轨及深空探测任务的发射成本更高。本发明提出的地球天梯系统本身构造简单，且其不间断的运输方式，将使其运输成本大幅度降低，运输总体成本有望降到GEO轨道单位有效载荷运输成本500美元，甚至更低。

(5)满足大规模进入空间的需求。当前运载火箭运载能力有限，无法满足未来对进入空间的需求，像数万吨级太阳能电站的建设。而本发明提出的地球天梯系统，可实现不间断的太空运输，初步设想每组运载器的运载能力达百吨级，并实现365天、每天24小时不间断运输，这为未来大规模空间平台的建设，以及大规模空间运输的常态化提供了良好的选择。

附图说明

图1为地球天梯系统组成示意图；

图2为地球天梯系统平衡状态受力原理图；

图3为地球天梯系统偏离平衡位置受力原理图。

图中各标号清单为：1、绳索，2、天顶锚，3、地面锚站，4、GEO点平台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、地球天梯系统的原理、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明做进一步详细说明。

一、地球天梯系统的基本原理

天梯是一种将有效载荷从地球表面运送到空间的新型进入空间的运输系统，其原理为通过绳索将地球表面的锚点与位于GEO轨道上方的空间锚点连接，通过运行于绳索上的载荷舱将有效载荷送入空间。

绳索是天梯系统最重要的组成部分，其主要功能是向攀爬器提供攀爬的途径，使其能够沿着绳索从地表节点进入空间，同时平衡整个天梯的重力与系统绕地球转动形成的离心力，因而对绳索材料有着极高的要求；攀爬器是运输有效载荷进入空间的运载器，其沿着绳索爬升，进入轨道后将有效载荷释放；地表节点和空间锚点分别位于绳索的两端，起到固定绳索位置、调整绳索姿态的功能。能源供给系统主要提供攀爬器向上爬升的动力能源。

对天梯平衡位置处进行受力分析：理论上，天梯系统的质心O位于GEO节点，当天梯系统以角速度ω运动时，GEO节点以上部分离心力大于引力，会通过绳索对GEO节点产生一个向上的拉力。而GEO节点以下部分，引力大于离心力，会通过绳索对GEO节点产生一个向下的拉力。这两个拉力大小相等，方向相反，系统受力平衡，天梯系统位于平衡位置，地面锚点对绳索无拉力作用。

为保证天梯系统具有一定的稳定性和运输货物能力，实际设计时天梯的质心略高于GEO轨道，整个系统所受离心力略大于引力，这样地面锚点会对绳索产生一定的拉力，这个力称作预紧力。在预紧力作用下，平衡状态时，天梯系统受力分析如图2所示，这个系统依然能够实现受力平衡。

在干扰作用下，当天梯系统偏离平衡位置时，由于绳索上有预紧力作用，地面锚点位置不发生变化。天梯系统依然受预紧力、离心力和引力作用，系统受力情况如图3所示。天梯系统偏离平衡位置一定范围时，在这些力的共同作用下，会对地面锚点处产生一个逆时针力矩M。在力矩M的作用下，系统会逐渐向平衡位置运动，当运动至平衡位置时，由于惯性会继续运动，此时天梯系统所受力矩变为顺时针方向，阻碍天梯偏离平衡位置。这样，在干扰作用下，天梯系统在轨道面内作周期性的摆动。由于天梯系统的绳索长度长、质量大，天梯系统的摆动周期也较长。

二、天梯系统的总体参数指标和总体方案

整体天梯系统主要包括天梯绳索、地球表面锚站、天顶锚、GEO点平台、攀爬器、能源供给系统等构成。整体天梯系统的质心位于GEO点附近，形成一个相对地表静止的自稳定空间运输系统。

为了使天梯系统受力稳定，需要保证天顶锚受力等于绳索的拉力，从而建立天顶锚质量与绳索材料参数、截面积等参数的关系。在绳索锥度比确定的情况下，可以得到绳索的横截面积随高度的变化关系，进而可以计算出绳索的质量；根据天顶锚处的受力分析，可以计算出天顶锚的质量。

天梯各组成部分的总体参数见下表：

表1地球天梯各组成总体参数

(1)天梯绳索方案

天梯绳索采用碳纳米管作为基础材料编制而成。天梯绳索采用分步建造，首先建立绳系的母绳，然后基于母绳开展绳索系统的编织工作。天梯母绳首先用火箭送入GEO轨道，然后从GEO轨道进行铺设，母绳一端在释放牵引动力装置的作用下朝地面方向展开，另一端由GEO展开卫星在展开过程中往上运动，最终成为天顶锚的一部分，以维持系统质心位置的要求。

当地面锚站捕获到绳索后，展开卫星会继续往下运行一段距离，以保证绳索具有一定张力，维持系统的稳定性。

天梯绳索系统的建设采用绳索编织法，绳索编织法是指通过小型攀爬器，携带线圈绕母绳运动，完成绳系的编织。

(2)攀爬器方案

攀爬器由下列分系统组成：

攀爬机电系统：用于实现攀爬器沿绳索的向上爬升，包括电机、附着机构等。

能量供应系统：由太阳能电池阵、蓄电池、配电模块等组成，向攀爬驱动电机和控制系统供电。

测控通信系统：用于与空间和地面控制中心的通信，遥测遥控信号的传递。

环境检测与控制系统：用于检测攀爬器重要部组件的热环境、压力环境、电磁辐射环境等，并对其控制。

姿态控制系统：包括星敏感器、GPS传感器、推力器、自旋装置、控制器、磁力矩棒等，用于控制攀爬器在绳索上的姿态稳定。

检测维修与维护系统：对攀爬器的各分系统进行检测，根据运行状态定期或不定期的维护，在故障发生时提供应急维修功能。

应急安全系统：主要包括攀爬器与绳索之间的锁紧机构及其控制器，防止攀爬器的滑落。

有效载荷舱：承载各种有效载荷，并为有效载荷提供适当的温度、压力等环境。

(3)攀爬器能源供应方案

天梯系统的运行需要大功率大容量的能量供应，目前可以选择的能源及能源供应方式较多，例如太阳能、核能、激光能等。

太阳能的供能方式可以有多种选择，一种是攀爬器自身携带太阳能电池阵，另一种是由空间太阳能电站提供，通过微波、激光等方式传输到攀爬器上。

激光能量传输方式中，使用固体激光器作为地面支持能源，在爬升器的底部装有光伏电池板，激光经过扩束后照射在光伏电池上转化为电能，为爬升器提供持续不断的动力。

未来随着核电池功率的进一步提升和体积的进一步减小，攀爬器还可自身携带核电源，作为攀爬器的能源供给。

(4)锚点方案

天顶锚的来源多种，可以利用近地小行星、绳索编织小型攀爬器、废弃GEO轨道卫星等。地面锚站可通过建设一个海洋基站来实现，海洋基站可依托现有的钻井平台或钻井船进行建造，该方案具有技术成熟度高、建造难度小、成本低等优点。

三、基于地球天梯系统完成有效载荷的运输方案

利用天梯系统从卫星制造到发射入轨可分为5个步骤，直至将其运送到预定高度然后释放到特定轨道。这5个步骤如下：

(1)天梯运送卫星的设计和建造

通过天梯发射的卫星与火箭发射的卫星设计和建造相似。卫星具备与攀爬器数据上行/下行的接口能力，用来提供遥测数据和指令以爬升到轨道高度，同时，也能够从攀爬器接收能量。

(2)在地面节点操作平台进行卫星安装和测试

将建造好的卫星放入特殊容器中保护起来，并运输到地面节点操作平台，在合适的发射时间，将卫星与攀爬器组合安装，确认卫星所固定的攀爬器已与绳索相连。卫星与攀爬器安装完成后，开始系统测试，确认攀爬器和卫星的状态是否正常，若存在问题将采取必要的措施进行改进。

(3)爬升

攀爬器带着用户的卫星逐步爬升。在没有能量供应时，攀爬器通过刹车系统保持静止，利用安装在攀爬器或者卫星上电池提供能量，可以实现卫星与地面节点操作平台联络。

(4)卫星释放

到了期望的高度，按照卫星的指令移除卫星表面的防护罩。这可以通过卫星自主控制或者远程控制完成。从容器内释放卫星与通过火箭末级或者上面级释放卫星的过程类似。此外，也可以通过攀爬器配有的机械臂来完成防护罩移除和卫星释放工作。卫星释放后，卫星执行传统的检查操作。释放过程中，卫星承受的加速度与火箭发射相比要小得多。

(5)卫星返回和废弃卫星处理

若卫星需要返回地球，可以利用机械臂抓捕卫星，然后利用攀爬器将卫星送回地球。攀爬器的下降过程与上升过程类似。若抓捕到废弃卫星，可以利用攀爬器将废弃卫星运送至天顶锚处，以增加天顶锚的重量。

整个地球天梯以地球自转角速度围绕地球进行旋转，沿着天梯越远离地球表面其能量越大；有效载荷沿天梯向上攀登，其能量越来越大，而到达GEO轨道时，其能量刚好等于GEO轨道飞行器所需能量。

从天梯上将有效载荷运输到各个不同的轨道分为以下几种情况：

1)LEO、MEO轨道任务

LEO、MEO：在到达GEO之前释放飞行器能够确保飞行器进入LEO或MEO轨道：

经过计算，有效载荷需要达到天梯上的23390km高度才能获得足够的动能和势能，使有效载荷进入一个安全释放的椭圆轨道，该轨道的近地点高度大于地球半径。离开天梯后，飞行器的默认轨道倾角是零，如果需要轨道倾角，还需要改变轨道倾角的能量。

通常在天梯某位置释放时进入预定轨道时通常采用双脉冲变轨法，为了节省推进剂，一个脉冲需要同时改变轨道形状并修正轨道面。一般可根据任务进行优化，具体变轨过程为：在天梯某一高度释放，释放一段时间后，发动机点火同时修正轨道面并改变轨道形状，有效载荷自由飞行一段时间以后，发动机进行第二次点火，进入预定轨道。

2)GEO轨道任务

直接将有效载荷运送到GEO点，在GEO点释放，然后有效载荷利用自身推进系统进行轨道漂移进入到指定定位经度位置，进行轨道保持。

3)地球逃逸轨道

地球逃逸轨道：将有效载荷运送到GEO点以上位置，其将获得更大的能量，而且能量增加很快，当其能量达到一定时，释放有效载荷进入逃逸轨道。由于释放的轨道与目标轨道往往不尽相同，有效载荷离开天梯后，将需要额外的变轨推进来进行轨道调整。

经分析，在1.2599倍GEO半径或者距离地心53127km(46749km高度)以上释放时，可以脱离地球影响球而成为逃逸轨道，而且释放高度越高获得的能量越大。但考虑到实际工程约束，天梯高度不能无限制增加，进行行星际任务时，有效载荷需独立配置推进系统，在自身推进系统辅助下完成剩余能量的施加。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种地球天梯系统，其总规模为3000吨，GEO轨道周运载能力为140吨；它包括：绳索(1)、天顶锚(2)和地面锚站(3)，其特征在于：绳索(1)的两端通过绳索约束体分别固定在天顶锚(2)、地面锚站(3)上，所述天梯系统通过绳索(1)上的攀爬器实现有效载荷的运送；它还包括位于GEO轨道上的GEO点平台(4)，GEO点平台(4)通过附着机构固定在绳索(1)上；所述绳索(1)采用碳纳米管材料制成；所述攀爬器的个数为10个；所述攀爬器通过其上设置的攀爬机电系统沿绳索(1)向上攀爬，攀爬机电系统包括电机、附着机构；所述攀爬器上还设有能量供应系统、测控通信系统、姿态控制系统、环境检测与控制系统、检测维修与维护系统、应急安全系统、有效载荷舱；所述攀爬器的姿态控制系统包括星敏感器、GPS传感器、推力器、自旋装置、控制器和磁力矩棒，以用于控制攀爬器的姿态稳定，所述应急安全系统包括攀爬器与绳索之间的锁紧机构及其控制器，以防止攀爬器滑落。

2.根据权利要求1所述的地球天梯系统，其特征在于：所述能量供应系统为攀爬器自身携带的太阳能电池阵，或由空间太阳能电站提供，通过微波、激光方式传输到攀爬器上；或使用固体激光器作为地面支持能源，在攀爬器的底部装有光伏电池板，激光经过扩束后照射在光伏电池上转化为电能，为爬升器提供持续不断的动力；或攀爬器自身携带的核电源。

3.根据权利要求1或2所述的地球天梯系统，其特征在于：所述绳索约束体为固定座或拉钩中的一种，所述天顶锚(2)、地面锚站(3)上设有绳索收放设备。

4.根据权利要求1或2所述的地球天梯系统，其特征在于：所述天顶锚(2)为近地小卫星或废弃GEO轨道卫星。

5.根据权利要求1或2所述的地球天梯系统，其特征在于：所述地面锚站(3)为海洋基站。

6.一种根据权利要求2所述地球天梯系统的建造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)建立母绳：用火箭将母绳送入GEO轨道，母绳从GEO轨道进行铺设，母绳一端在释放牵引装置的作用下朝地面方向展开，母绳的另一端通过GEO展开卫星往上运动，最终成为天顶锚的一部分；

2)稳定母绳：当地面锚站捕获到母绳后，GEO展开卫星会继续往下运行一段距离，以保证绳索具有一定张力，维持系统的稳定性；

3)天梯绳索编织：天梯绳索的建设采用绳索编织法，绳索编织法是指通过小型的攀爬器，携带线圈绕母绳运动，完成绳索的编织；

4)设置攀爬器：在天梯绳索上设置攀爬器，并用攀爬器运送GEO点平台到GEO轨道上，随后释放，GEO点平台将附着在天梯绳索上。