CN107031869B - 用于航天器的在太空推进的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于航天器的在太空推进的方法及系统。在一个或多个实施方式中，用于航天器的在太空推进的方法包括通过移除设备移除航天器的结构的一部分。该方法进一步包括通过移除设备将该部分送入霍尔推进器系统中。此外，该方法包括通过霍尔推进器系统利用该部分作为推进剂来产生推力。在一个或多个实施方式中，结构是航天器的上部级。在至少一个实施方式中，上部级包括至少一个结构支撑件和/或至少一个上部级壳体。在一些实施方式中，结构由镁、铋、锌和/或铟制造。

Description

用于航天器的在太空推进的方法及系统
技术领域
本公开涉及一种结构推进剂。具体地，其涉及一种用于离子火箭的结构推进剂(SPIR)。
背景技术
航天器(诸如卫星)要求在太空(in-space，太空中)推进系统用于轨道站保持以及其他在轨机动(on-orbit maneuver)。航天器上常常使用霍尔推进器来在太空提供高比冲推进。霍尔推进器要求驱逐惰性推进剂质量。目前，在常规霍尔推进器设计中，霍尔推进器推进剂存储在燃料筒中。这些常规设计的缺点在于，推进剂和燃料筒构成了航天器上的显著质量，而航天器发射费用直接与航天器质量相关。因而，用于霍尔推进器的这些常规设计(需要显著的质量)大大地增加了航天器发射费用。因此，需要一种用于航天器的较低质量霍尔推进器设计的解决方案。
发明内容
本公开涉及一种用于离子火箭的结构推进剂(SPIR)的方法、系统及装置。在一个或多个实施方式中，一种用于航天器的在太空推进的方法包括通过移除设备移除航天器的结构的一部分。该方法进一步包括通过移除设备将该部分送入霍尔推进器系统中。此外，该方法包括通过霍尔推进器系统利用该部分作为推进剂来产生推力。
在一个或多个实施方式中，移除设备包括至少一个机械切割机和/或至少一个激光切割机。在一些实施方式中，至少一个机械切割机包括至少一个切割轮和/或至少一个剪刀机构。
在至少一个实施方式中，结构是航天器的上部级(upper stage)。在一些实施方式中，上部级包括至少一个结构支撑件和/或至少一个上部级壳体。在一个或多个实施方式中，结构由镁、铋、锌和/或铟制造。
在一个或多个实施方式中，结构的该部分通过移除设备以带的形式移除。在至少一个实施方式中，移除设备经由至少一个缆线拴系至航天器。在一些实施方式中，移除设备是绕航天器移动的机器人设备。在一个或多个实施方式中，移除设备包括至少一个轮子和/或至少一个推进器。
在至少一个实施方式中，一种用于航天器的在太空推进的系统包括移除设备，该移除设备移除航天器的结构的一部分，并将该部分送入霍尔推进器系统中。该系统进一步包括利用该部分作为推进剂来产生推力的霍尔推进器系统。
特征、功能以及优点可在本公开的各种实施方式中独立实现或者可与又一些其他实施方式结合实现。
附图说明
参考以下说明、所附权利要求和附图，将更好地理解本公开的这些和其它特征、方面和优点，其中：
图1是描绘了可由根据本公开的至少一个实施方式的所公开的用于航天器的在太空推进的系统使用的航天器的示例性上部级的图示。
图2是示出了可由根据本公开的至少一个实施方式的所公开的用于航天器的在太空推进的系统使用的霍尔推进器系统的图示。
图3是示出了根据本公开的至少一个实施方式的所公开的用于航天器的在太空推进的系统的图示，该图示示出了移除航天器的结构的一部分的移除设备的俯视图，该移除设备采用切割轮。
图4是示出了根据本公开的至少一个实施方式的图3的移除设备的侧视图的图示。
图5是描绘了根据本公开的至少一个实施方式的所公开的用于航天器的在太空推进的系统的图示，该图示示出了移除航天器的结构的一部分的移除设备的俯视图，该移除设备采用激光器。
图6是示出了根据本公开的至少一个实施方式的图5的移除设备的侧视图的图示。
图7是示出了根据本公开的至少一个实施方式的所公开的用于航天器的在太空推进的系统的图示，该图示示出了移除航天器的结构的一部分的移除设备的俯视图，该移除设备采用剪刀机构。
图8是示出了根据本公开的至少一个实施方式的图7的移除设备的侧视图的图示。
图9是描绘了根据本公开的至少一个实施方式的所公开的用于航天器的在太空推进的方法的流程图。
具体实施方式
本文中公开的方法和装置提供了一种用于离子火箭的结构推进剂(SPIR)的操作系统。本公开的系统提供了一种将多余的航天器结构用于燃料的SPIR方法。具体地，该系统提供了一航天器，该航天器包括可以重新利用为用作机载推进器的推进剂质量的特定结构。重新利用为燃料的特定结构将由镁制造，该特定结构将变为用于离子推进器(例如，霍尔推进器)的推进剂质量。例如，航天器的上部级结构(其将由镁制造)将由机载霍尔推进器系统作为推进剂消耗。
通常，对于大部分航天器，航天器发射载荷大大地超过在太空载荷。这导致航天器上的多余结构。该多余结构不仅对在轨没有作用，而且由于航天器的质量增加，进一步减小航天器的有限燃料的△v能力。将不需要的结构用于在太空推进剂质量增加了用于航天器有效载荷的可利用质量。
本公开的系统通过消耗航天器结构的不需要的部件来提供推进剂质量。所公开的系统利用可以最终用于燃料的结构来代替仅要求满足发射载荷的现有航天器结构。该配置设计增加了可利用燃料供给并且优化了总航天器质量用途。
应该注意的是，已经建造了使用镁作为推进剂的霍尔推进器。然而，对于这些系统，镁推进剂并非像通过本公开的系统所执行的那样从不需要的结构“提取”。
为了提供系统的更详尽描述，在以下描述中阐述了许多细节。然而，对于本领域技术人员将明显的是，所公开的系统可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其他情况中，没有详细地描述众所周知的特征，以便不必要地使所描述的系统不清楚。
本文中可以根据功能部件和/或逻辑部件和各种处理步骤来描述本公开的实施方式。应当认识到，这种部件可通过被配置为执行特定功能的任意数量的硬件、软件、和/或固件部件来实施。例如，本公开的实施方式可以采用各种集成电路部件(例如，存储元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查询表等)，这些集成电路部件可以在一个或多个处理器、微处理器或者其他控制设备的控制下实施各种功能。此外，本领域技术人员将理解的是，本公开的实施方式可以与其他部件结合来实践，并且本文中描述的系统仅是本公开的一个示例性实施方式。
为了简洁起见，本文中可能不详细描述与霍尔推进器系统以及系统的其他功能方面相关的常规方法和部件(以及系统的单独操作部件)。此外，本文中包含的各种附图中示出的连接线旨在代表各种元件之间的示例性功能关系和/或物理耦接。应注意的是，本公开的实施方式中可以存在许多替换的或者另外的功能关系或者物理连接。
图1是描绘了可以由根据本公开的至少一个实施方式的所公开的用于航天器的在太空推进的系统使用的航天器的示例性上部级110的图示100。在该图中，所示的上部级110是△IV第二级。应当注意的是，在一个或多个实施方式中，由与图1中所示的上部级110不同的制造商制造的不同的上部级可以由所公开的用于航天器的在太空推进的系统使用。
还在该图中，上部级110被示出为包括上部级壳体120，该上部级壳体的形状是圆柱形。另外，上部级110被示出为包括呈栅格构造的多个结构支撑件130。
图2是示出了可以由根据本公开的至少一个实施方式的所公开的用于航天器的在太空推进的系统使用的霍尔推进器系统210的图示200。在该图中，霍尔推进器系统210被示出为包括皮带运输机220、气封230、蒸发器240、隔离器250以及霍尔推进器260。
在霍尔推进器系统210的操作期间，将推进剂的固体带270送入皮带运输机220中。在该实例中，镁带是由霍尔推进器系统210利用的固体带270的类型。然而，应注意的是，在其他实施方式中，可以使用除镁带以外的其他类型的固体带270，包括但不限于铋带、锌带以及铟带。
皮带运输机220将固体带270送入气封230中。然后，蒸发器240加热固体带270使得固体带270转变为气体。气封230防止气体泄漏。
然后，使用隔离器250控制气体流向霍尔推进器260。霍尔推进器260于是使用气体作为推进剂来产生推力。
图3是示出了根据本公开的至少一个实施方式的所公开的用于航天器的在太空推进器的系统的图示300，该图示示出了移除航天器的结构330的一部分的移除设备310的俯视图，该移除设备采用切割轮320。在该图中，移除设备310采用与开罐器设计相似的机械切割机，包括切割轮320和锯齿轮340。移除设备310还被示出为包括多个推进器350和缆线360。
在操作期间，在航天器(未示出)已经被推进到最终轨道中之后，移除设备310(其为机器人设备)将用于从结构330“提取”材料用作用于位于航天器的霍尔推进器系统的固体推进剂。在该实例中，结构330是上部级。因而，移除设备310可以“提取”上部级的各种部件，包括但不限于上部级壳体以及上部级的结构支撑件。然而，应注意的是，在其他实施方式中，结构330可以是除上部级以外的来自航天器的不同的结构。
并且，对于该实例，结构330由镁制造。镁在结构上是高效的，并且在体积上比铝轻近似百分之三十四(34％)。镁具有良好的耐疲劳性和振动阻尼能力。然而，应注意的是，在其他实施方式中，结构330可以由除镁以外的材料制造，包括但不限于铋、锌以及铟。
在航天器已经被推进到最终轨道中之后，移除设备310(其经由缆线360拴系至结构330(或者拴系至航天器上的另一位置)在以带370的形式移除(通过使用切割轮320)结构330的至少一部分的同时绕结构330行进(或者移动)。切割轮320和锯齿轮340的组合在移除结构330的一部分期间辅助引导移除设备310越过结构330的边缘。移除设备310上的推进器350辅助移除设备310绕结构330移动。应注意的是，在其他实施方式中，移除设备310可以包括至少一个轮子(和/或其他类似类型的运输设备，诸如至少一个滚球)以辅助其自身绕结构330的移动。
在移除设备310已经以带370的形式移除结构330的该部分之后，移除设备310将带370送入位于航天器上的霍尔推进器系统(未示出)中(参考图2，图2示出了固体带270被送入霍尔推进器系统210中)。霍尔推进器系统将使用带370作为推进剂来产生用于航天器的推力以获得各种在轨机动。
图4是示出了根据本公开的至少一个实施方式的图3的移除设备310的侧视图的图示400。在该图中，移除设备310被示出为包括切割轮320和锯齿轮340。
图5是描绘了根据本公开的至少一个实施方式的所公开的用于航天器的在太空推进的系统的图示500，该图示示出了移除航天器的结构330的一部分的移除设备510的俯视图，该移除设备采用激光器520。在该图中，移除设备510采用包括激光器520的激光切割机。移除设备310还被示出为包括一对导向轮530、多个推进器550以及缆线360。
在操作期间，在航天器(未示出)已经被推进到最终轨道中之后，移除设备510(其为机器人设备)将用于从结构330“提取”材料用作用于位于航天器的霍尔推进器系统的固体推进剂。在航天器已经被推进到最终轨道中之后，移除设备510(其经由缆线360拴系至结构330(或者拴系至航天器上的另一位置))在以带370的形式移除(通过使用激光器520)结构330的至少一部分的同时绕结构330行进(或者移动)。导向轮530在移除结构330的一部分期间辅助引导移除设备510越过结构330的边缘。移除设备510上的推进器550辅助移除设备510绕结构330移动。应注意的是，在其他实施方式中，移除设备510可以包括至少一个轮子(和/或其他类似类型的运输设备，诸如至少一个滚球)以辅助其自身绕结构330的移动。
在移除设备510已经以带370的形式移除结构330的该部分之后，移除设备310将带370送入位于航天器上的霍尔推进器系统(未示出)中(参考图2，图2示出了固体带270被送入霍尔推进器系统210中)。霍尔推进器系统将使用带370作为推进剂来产生用于航天器的推力以获得各种在轨机动。
图6是示出了根据本公开的至少一个实施方式的图5的移除设备510的侧视图的图示600。在该图中，移除设备510被示出为包括激光器520和一对导向轮530。移除设备510被示出为以带370的形式移除(通过使用激光器520)结构330的至少一部分。
图7是示出了根据本公开的至少一个实施方式的所公开的用于航天器的在太空推进的系统的图示700，该图示示出了移除航天器的结构330的一部分的移除设备710的俯视图，该移除设备采用剪刀机构720。在附图中，移除设备710采用包括剪刀机构720的机械切割机。移除设备710还被示出为包括一对导向轮730、多个推进器750以及缆线360。
在操作期间，在航天器(未示出)已经被推进到最终轨道中之后，移除设备710(其为机器人设备)将用于从结构330“提取”材料用作用于位于航天器的霍尔推进器系统的固体推进剂。在航天器已经被推进到最终轨道中之后，移除设备710(其经由缆线360拴系至结构330(或者拴系至航天器上的另一位置))在以带370的形式移除(通过使用剪刀机构720)结构330的至少一部分的同时绕结构330行进(或者移动)。导向轮730在移除结构330的一部分期间辅助引导移除设备710越过结构330的边缘。移除设备710上的推进器750辅助移除设备710绕结构330移动。应注意的是，在其他实施方式中，移除设备710可以包括至少一个轮子(和/或其他类似类型的运输设备，诸如至少一个滚球)以辅助其自身绕结构330的移动。
在移除设备710已经以带370的形式移除结构330的该部分之后，移除设备710将带370送入位于航天器上的霍尔推进器系统(未示出)中(参考图2，图2示出了固体带270被送入霍尔推进器系统210中)。霍尔推进器系统将使用带370作为推进剂来产生用于航天器的推力以获得各种在轨机动。
图8是示出了根据本公开的至少一个实施方式的图7的移除设备710的侧视图的图示800。在该图中，移除设备710被示出为包括剪刀机构720和一对向导轮730。移除设备710被示出以带370的形式移除(通过使用剪刀机构720)结构330的至少一部分。
图9是描绘了根据本公开的至少一个实施方式的所公开的用于航天器的在太空推进的方法900的流程图。在方法900的开始910，移除设备移除航天器的结构的一部分920。然后，移除设备将该部分送入霍尔推进器系统中930。霍尔推进器系统于是利用该部分产生推力940。然后，方法900结束950。
尽管已示出并且描述了具体实施方式，但是应理解的是，以上论述并非旨在限制这些实施方式的范围。尽管本文中公开和描述了本发明的许多方面的实施方式和变化，但是这样的公开仅是为了解释和说明的目的而提供的。因此，在不背离权利要求的范围的情况下，可以做出各种变化和修改。
尽管已示出并且描述了具体实施方式，但是应理解的是，以上论述并非旨在限制这些实施方式的范围。尽管本文中公开和描述了本公开的许多方面的实施方式和变化，但是这样的公开仅是为了解释和说明的目的而提供的。因此，在不背离权利要求的范围的情况下，可以做出各种变化和修改。
如果上述方法指明以特定次序发生某些事件，则受益于本公开的本领域技术人员将认识到，次序可以被修改，并且这样的修改依照本公开的变型。此外，方法的部分如果可能可以在并行处理中同时进行，以及连续进行。另外，可以进行方法的更多部分或更少部分。
因此，实施方式旨在举例说明可能落入权利要求的范围内的替换物、修改以及等同物。
虽然本文中公开了特定示例性实施方式和方法，但本领域技术人员从以上公开可显而易见的是，在不背离所公开的技术的真实精神和范围的情况下，可以对这种实施方式和方法进行改变和修改。存在所公开的技术的多个其他实例，每个实例仅在细节方面区别于其他实例。因此，旨在使所公开的技术应仅被限制到所附权利要求以及适用法律的条例和法则要求的范围。

Claims (18)

1.一种用于航天器的在太空推进的方法，所述方法包括：
通过移除设备移除所述航天器的结构的一部分；
通过所述移除设备将所述部分送入霍尔推进器系统中；以及
通过所述霍尔推进器系统利用所述部分作为推进剂来产生推力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移除设备包括至少一个机械切割机和至少一个激光切割机或包括至少一个机械切割机。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移除设备包括至少一个激光切割机。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个机械切割机包括至少一个切割轮和至少一个剪刀机构中的至少一者。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述移除设备以带的形式移除所述结构的所述部分。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述移除设备经由至少一个缆线拴系至所述航天器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移除设备是绕所述航天器移动的机器人设备。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移除设备包括至少一个轮子和至少一个推进器中的至少一者。
9.一种用于航天器的在太空推进的系统，所述系统包括：
移除设备，移除所述航天器的结构的一部分，并且将所述部分送入霍尔推进器系统中；并且
所述霍尔推进器系统利用所述部分作为推进剂来产生推力。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述移除设备包括至少一个机械切割机和至少一个激光切割机或包括至少一个机械切割机。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述移除设备包括至少一个激光切割机。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述至少一个机械切割机包括至少一个切割轮和至少一个剪刀机构中的至少一者。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述结构是所述航天器的包括至少一个结构支撑件和至少一个上部级壳体中的至少一者的上部级。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述结构由镁、铋、锌以及铟中的至少一种制造。
15.根据权利要求9所述的系统，其中，所述结构的所述部分通过所述移除设备以带的形式移除。
16.根据权利要求9所述的系统，其中，所述移除设备经由至少一个缆线拴系至所述航天器。
17.根据权利要求9所述的系统，其中，所述移除设备是绕所述航天器移动的机器人设备。
18.根据权利要求9所述的系统，其中，所述移除设备包括至少一个轮子和至少一个推进器中的至少一者。
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