CN107532923A - 用于装配和部署卫星的系统和方法 - Google Patents

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CN107532923A CN201680024691.6A CN201680024691A CN107532923A CN 107532923 A CN107532923 A CN 107532923A CN 201680024691 A CN201680024691 A CN 201680024691A CN 107532923 A CN107532923 A CN 107532923A
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A·阿斯基吉安
J·格罗斯曼
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Abstract

一种卫星部署系统具有多个彼此附接的可释放的分配器模块，每个模块承载卫星。每个分配器模块充当具有其自身的推进单元的单个末级并将卫星子集部署到适当的高度和轨道。由于每个分配器模块可以将其卫星部署成远离其它分配器模块，所以卫星之间的碰撞风险极大地降低，这允许大量卫星以安全、及时和成本有效的方式发射。

Description

用于装配和部署卫星的系统和方法
技术领域
本发明涉及卫星，并且特定地，涉及一种装配和部署来自运载工具的多个卫星的系统和方法。
背景技术
卫星通常使用多级运载工具诸如火箭以在它们单独分离并飞向它们最终的运行轨道之前到达插入轨道。由于运载工具具有有限量的动力和推进力，所以有效载荷中的卫星应该部署在相对短的时间窗内，通常在几小时内。
当在有效载荷中有超过若干个卫星时，例如，在有效载荷中有十个或更多个卫星时，将卫星相对快速地连续地部署在允许的时间窗内是困难的，因为在它们的姿态控制和推进系统起作用之前卫星之间极为贴近并且有发生潜在碰撞的固有风险。
因此，需要提供一种改善的用于以安全、及时和成本有效的方式装配和部署大量卫星的系统和方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种具有多个可释放的分配器模块的卫星部署系统。可释放的分配器模块彼此可释放地附接，并且每个分配器模块支撑将部署在轨道中的至少一个卫星。控制器控制每个分配器模块从运载工具的释放以及卫星从每个释放的分配器模块的部署。
在本发明的另一个方面，提供了一种部署可释放的分配器模块的方法。包含卫星的运载工具定位在太空中的预定位置。然后，分配器模块单独并依序从运载工具释放。每个释放的分配器模块随后通过飞到预定位置而移动到该位置。一旦到了该位置，所释放的分配器模块便释放附接在其上的卫星。
每个分配器模块在规定的插入轨道上与运载工具分离，并随后充当其自身的单个末级来将卫星子集带到适当的高度和轨道参数并接着部署单个卫星。由于每个分配器模块可以将其卫星部署成远离其它分配器模块，所以卫星之间的碰撞风险极大地降低，这允许大量卫星以安全、及时和成本有效的方式发射。
附图说明
图1描绘了根据本发明的一个方面的卫星的透视图。
图2描绘了图1的卫星的一些部分的分解透视图。
图3描绘了根据本发明的一个方面的卫星部署系统的透视图。
图4A和4B分别描绘了根据本发明的一个方面的分配器模块的内表面和外表面的一部分。
图4C描绘了图1的卫星的背面的透视图。
图5A描绘了根据本发明的一个方面的具有多个分配器模块的卫星分配器的透视图。
图5B描绘了图5A的卫星分配器的透视图，其中顶部分配器模块已经从运载工具释放。
图5C描绘了图5B的释放的分配器模块的透视图，其中若干个卫星已经从释放的分配器模块释放。
具体实施方式
图1描绘了根据本教导内容的卫星100。图2描绘了卫星100的一些显著特征的“分解”视图。现在参照图1和2，卫星100包括如图所示布置的一体的有效载荷模块102、推进模块114、有效载荷天线模块122、总线组件模块132以及太阳能阵列系统140。需要注意的是，图1和2中卫星100的取向在使用意义上是“倒置的”，图中面朝“上”的天线124将是朝向地球面朝“下”的。
一体的有效载荷模块102包括面板104、106和108。在一些实施例中，面板使用各种连接器等以已知的方式接合在一起。撑架109为连接面板提供结构加固。
面板104、106和108除了任何其它功能之外还用作散热器，以辐射来自卫星102的热量。在一些实施例中，面板包括便于散热的适应性。在一些实施例中，面板包括多种材料，诸如由表皮夹置的核心。适合用于面板的材料包括航空航天工业中通常所使用的那些材料。例如，在一些实施例中，所述核心包括轻质铝蜂窝，并且所述表皮包括6061-T6铝。
推进模块114设置在面板112上，在一些实施例中，它以类似于面板104、106和108的方式构造(例如，铝蜂窝核心和铝表皮等等)。图1中被遮挡的面板112毗邻一体的有效载荷模块102的面板104和106。
推进模块114包括燃料箱116和推进控制系统118。所述推进控制系统使用一个或多个阀(未示出)控制推进气体通过推进喷嘴(未示出)的释放，所述推进喷嘴设置在面板114面向外部的表面上。推进控制系统是适当仪器化的(即，软件和硬件)，以响应于来自控制处理器的基于地面的命令或机上生成的命令。
有效载荷天线模块122包括多个天线124。在说明性实施例中，16个天线124以4×4阵列布置。在一些其它实施例中，天线124可以以不同的布置组织和/或可以使用不同数量的天线。天线124由支撑网120支撑。在一些实施例中，支撑网是弯曲面板，由碳化纤维构成，具有适当数量的开口(即，在说明性实施例中为16个)以用于接收和支撑天线124。
在一些实施例中，天线124在Ku频带中传输，Ku频带是电磁谱12至18GHz部分。在说明性实施例中，天线124配置为经常用于通信卫星的指数喇叭。本领域中所公知的是，喇叭天线从波导发射无线电波(或将它们收集到波导中)，通常实施为短矩形或圆柱形金属管，一端闭合，而另一端张开成开放式喇叭(在说明性实施例中是锥形的)。每个天线124的波导部分在图1中被遮挡。每个天线124的闭合端耦合到放大器(图1和2中未描绘；它们位于面板104或108的内表面上)。
总线组件模块132设置在面板130上，所述面板附接到一体的有效载荷模块102的底部(从图1和2的角度来看)。面板130可以以类似于面板104、106和108的方式构造(例如，铝蜂窝核心和铝表皮等等)。在一些实施例中，面板130不包括任何特定适应性来进行散热。
模块132包括主太阳能阵列马达134、四个反作用轮136以及主控制处理器164。经由角动量守恒，反作用轮使得卫星100能够在太空中旋转而不使用推进燃料。包括离心质量(未示出)的每个反作用轮136由相关联的驱动马达(以及控制电子器件)138驱动。如本领域技术人员应当理解的，在x、y和z方向上只需要三个反作用轮136来旋转卫星100。第四个反作用轮作为备用。这样的反作用轮在卫星中通常用作这个目的。
主控制处理器164处理从地面接收的命令并自主地执行卫星100的许多功能，包括但不限于姿态指向控制、推进控制以及电力系统控制。
太阳能阵列系统140包括太阳能面板142A和142B以及相应的y杆148A和148B。每个太阳能面板包括以已知方式将太阳光转换为电能的多个太阳能电池(未示出；它们设置在太阳能面板142A和142B的遮挡侧上)。每个太阳能面板包括马达144和被动旋转轴承146；一个y杆在马达144和轴承146处附接到每个太阳能面板。马达144使得每个太阳能面板能够至少部分围绕轴A-A旋转。这有利于将太阳能面板142A从其存放位置平行并抵靠面板104部署以及将太阳能面板142B从其存放位置平行并抵靠面板106部署。马达144也用于适当地调整面板142A和142B的角度，以经由前面提到的围绕轴A-A的旋转最佳地暴露于阳光。
每个y杆148A和148B的部件150延伸穿过相应面板104和106中的开口152。在一体的有效载荷模块102内，部件150连接到主太阳能阵列马达134，前面结合总线组件模块132进行参考。如图所示，主太阳能阵列马达能够至少部分围绕其轴旋转每个部件150。这是为了调整太阳能面板142A和142B的角度以最佳地暴露于阳光的目的。在一些实施例中，部件150可以独立于另一个部件旋转；在一些其它实施例中，部件150一起旋转。锁紧释放部件154用于耦合并释放太阳能面板142A到侧面板104以及耦合并释放太阳能面板142B到侧面板106。锁紧释放部件耦合到侧面板104和106中的开口156。
卫星100还包括面板126，所述面板安装在一体的有效载荷模块102的面板108的“下面”(从图1和2的角度来看)。在一些实施例中，面板108是一片航空航天级材料(例如，6061-T6铝等)。电池模块128设置在面板126的面向内部的表面上。电池模块为卫星100上的各种能源消耗设备供电。电池模块128由经由太阳能面板142A和142B产生的电力进行再充电；为此目的，面板和模块128是电耦合的(太阳能面板142A/B之间的电路径以及电池模块128在图1和2中未示出)。
卫星100还包括用于遥测和基于地面的命令以及控制的全向天线158。
设置在面板108上的是两个“网关”天线160。网关天线发送并接收用户数据到地球上的网关基站。网关基站与因特网通信。天线160通过可移动支架162耦合到面板108，这使得天线能够沿两个轴移动以随着基于地面的天线进行最佳定位。天线160通常在Ka频带中传输并接收，Ka频带覆盖26.5至40GHz范围中的频率。
设置在面板106面向内部的表面上的转换器模块110在Ka无线电频率和Ku无线电频率之间转换。例如，转换器模块110经由天线124将来自网关天线160的Ka频带上行链路信号转换成Ku频带信号用于下行链路。转换器模块110也进行反方向转换，即从Ku至Ka。
在卫星100的操作中，用于数据请求的数据流如下：
·(获取数据)：在网关基站从因特网获取请求数据；
·(上行链路)：经由大型的基于地面的天线将数据信号发射(Ka频带)到卫星的网关天线160；
·(有效载荷)：将数据信号放大，将其路由到转换器模块110以转换到下行(Ku)频带，并随后再次将其放大；
·将有效载荷信号路由到有效载荷天线124；
·(下行链路)：天线124将放大的变频信号传输到用户终端。
当用户传输(而不是请求)数据诸如电子邮件时，信号遵循相同的路径但方向相反。
简略地说，本文所描述的实施例是卫星部署系统，其中分配器由多个分配器环形式的分配器模块组成，所述分配器环在发射之前彼此附接。每个环支撑并承载许多单个并相同的卫星。所述系统设计成通过单独释放分配器环将运载工具从给定的插入轨道带到单个或多个最终轨道。每个分配器环在指定的插入轨道从运载工具分离并随后充当单个末级，充满动力和推进力，以将卫星子集带到适当高度和轨道参数并且随后部署单个卫星。每个分配器环可以将其卫星部署成远离其它分配器环，从而通过环的总数降低分离风险。多个环可以通过改变最终高度、RAAN和倾斜度前往相同或不同的轨道。本文所描述的实施例特别地适用于LEO和MEO卫星，其中在单个有效载荷中发射十个或甚至上百个卫星。
图3描绘了根据本发明的一个方面的卫星部署系统8的透视图。系统8包括由多个卫星分配器模块12、13和14构成的分配器10，所述分配器模块彼此附接并堆叠在彼此之上。每个分配器模块12-14是环的形式，并支撑将部署到轨道中的卫星100。在所示实施例中，14个相同的卫星100可释放地附接到相关联的分配器模块12-14。分配器10通过有效载荷适配器配件(PAF)22可释放地附接到运载工具的上级20。尽管出于说明目的只示出了三个分配器环12-14，但是本领域普通技术人员应该理解，根据所使用的特定运载工具，以及卫星质量和尺寸，可以将更多的分配器环堆叠在一起。
有效载荷控制器18和地面基站控制器24(计算机)彼此通信，并控制分配器模块12-14的释放。
图4A和4B分别描绘了根据本发明的一个方面的分配器模块12的内表面14和外表面16的一部分。每个模块12-14包括分离机构26，所述分离机构将两个相邻的分配器模块可释放地附接在一起。对于附接到PAF22的底部分配器模块14，可以使用相同的分离机构26。一个示例性分离机构26可以是可从Silver Spring,MD的Planetary Systems Corporation购得的光带分离系统。
在所示实施例中，每个分离机构26包括顶环26a和底环26b。底环26b具有多个凸出部28，所述凸出部锁定在上方分配器模块12-14的可释放的锁29内的相应凹部内。在一些实施例中，多个加载弹簧(未示出)定位在两个环26a、26b之间使得当分配器模块12-14释放时，将所释放的模块推离运载工具。
在内表面15上，每个分配器模块12-14具有其自身的分配器模块控制器30、推进单元32和姿态控制单元34，它们通过电线36彼此连接。
如图4B所示，在外表面16上，多个卫星100通过分离总成38附接到每个模块12-14。对于每个卫星100，使用四个分离总成38来可释放地锁紧卫星100的四个连接器螺栓40(参见图4C)。示例性分离总成可以是由Torrance,CA的Hi-Shear Technology Corp.制造的系列SN9400低冲击分离总成。
电线42将全部分离总成38连接在一起，并在模块12-14的内表面15上连接到电线36以与模块控制器30通信。每个分配器模块12-14的电线36彼此连接并连接到有效载荷控制器18(计算机)。分配器模块控制器30是控制推进单元32和姿态控制单元34以及在模块从运载工具释放时卫星100向太空中的释放的计算机。
现在将描述根据本发明的一个方面的装配有效载荷的方法。从底部分配器模块14开始，邻近模块13堆叠在底部模块顶部并用分离机构26附接到底部模块。然后，顶部分配器模块12堆叠在中间分配器模块13的顶部上并用分离机构26附接到中间模块。如果有更多的分配器模块，则重复堆叠和附接的过程，直到所有分配器模块彼此堆叠并可释放地附接为止。
卫星100随后附接到其相应的槽，使得连接器螺栓40可释放地附接到分离总成38。当准备好发射有效载荷时，将其上具有卫星100的分配器10吊起并可释放地附接到PAF22。在一个实施例中，用于将分配器模块12-14附接在一起的相同分离机构26也可以用于将底部分配器模块14附接到PAF22。
图5A-5C示出了根据本发明的一个实施例的分配器模块的有序分离以及卫星的释放。为清楚起见，已经省略了内表面和外表面15-16上的一些组件。如图5A所示，在地面基站控制器24和有效载荷控制器18的控制下，运载工具定位在预定位置以释放第一分配器模块12。此时，全部分配器模块12-14仍然附接到运载工具。对分配器模块释放的控制可以由有效载荷控制器18、分配器模块自身的模块控制器30或两者来完成。在任一情况下，所述释放可以由控制器18、30或依据接收自地面基站控制器24的命令自动执行。在所示实施例中，地面基站控制器24将全部分配器模块释放命令传输到控制器18，所述控制器随后通过电线36将所述命令中继到适当的分配器模块控制器30。
控制运载工具、分配器模块12-14的定位及有序释放以及附接到每个释放的模块的单个卫星100的释放的控制软件存储在控制器18、24、30的计算机可读存储内存(介质)中。
当运载工具到达适当位置(顶部分配器模块12的插入轨道)时，地面控制器24传输命令以释放顶部分配器模块。一旦接收，有效载荷控制器18便发送适当的命令到分配器模块14的分配器模块控制器30。控制器30随后通过电线36发送信号以释放锁29。当释放锁29时，分配器模块12远离运载工具移动，并且剩余分配器模块如图5B所示。一旦已经释放分配器模块12，对每个剩余模块13-14重复到达下一位置(插入轨道)以及释放相关联的分配器模块的进程。
一旦释放分配器模块12，模块12的分配器模块控制器30便控制推进单元32和姿态控制单元34以推进和移动模块到预定位置(第一卫星100的插入轨道以进行释放)。一旦到了预定位置，在地面控制器24的控制之下的模块控制器12通过发送释放命令到每个相应分离总成38来依序释放单个卫星100。选定卫星100的两个有序释放之间的时间段以便最小化彼此碰撞的可能性。在一些实施例中，在地面控制器24的控制之下的模块控制器12将其分配器模块移动/定位到适用于每个卫星100的插入轨道中并且随后释放卫星100。随后对其承载的每个卫星100重复定位和释放的过程。
如图5C所示，已经释放了5个卫星100。每个卫星100转而使用其自身的推进单元以将其自身定位到所分配的轨道中。重复释放卫星100的过程直到已经释放分配器模块12的全部卫星。一旦已经释放全部卫星100，分配器模块12便可以按计划向地球坠落直到最终燃烧。对于其它分配器模块13-14，重复定位和释放分配器模块12的卫星的相同步骤。
如上所述，每个分配器模块12-14充当具有其自身推进单元的单个末级，并将卫星子集部署到适当的高度和轨道。由于每个分配器模块可以将其卫星部署成远离其它分配器模块部署，所以卫星之间的碰撞风险极大地降低。
应当理解，本公开描述了一些实施例，以及本领域技术人员在阅读了本公开之后可以容易地设想本发明的许多变化。例如，尽管本文所公开的发明原理特别适用于LEO和MEO卫星，但是它们也可以应用于更大更高的轨道卫星。因此，本发明的范围将由所附权利要求确定。

Claims (22)

1.一种卫星部署系统，包括：
多个彼此附接的可释放的分配器模块，每个可释放的分配器模块适于支撑将部署在轨道中的至少一个卫星；以及
控制器，其适于：
从运载工具释放每个分配器模块；并且
对于所述每个释放的模块，将所述至少一个卫星从所述释放的分配器模块释放到太空中。
2.根据权利要求1所述的卫星部署系统，其中所述控制器包括用于每个分配器模块的模块控制器，所述模块控制器适于将所述至少一个卫星释放到太空中。
3.根据权利要求1所述的卫星部署系统，其中：
所述每个分配器模块是环形的并堆叠在彼此之上；并且
所述至少一个卫星可释放地附接到所述每个环形分配器模块的外表面。
4.根据权利要求3所述的卫星部署系统，其中多个卫星可释放地附接到相关联的分配器模块。
5.根据权利要求1所述的卫星部署系统，还包括附接到每个分配器模块的推进单元，其中所述控制器包括用于每个分配器模块的模块控制器，所述模块控制器适于推动所述释放的分配器模块以及将所述至少一个卫星释放到太空中。
6.根据权利要求1所述的卫星部署系统，其中：
每个分配器模块具有凸出部和凹部；
所述每个分配器模块的所述凹部接收第二分配器模块的所述凸出部；并且
第三分配器模块的所述凹部接收所述每个分配器模块的所述凸出部。
7.根据权利要求1所述的卫星部署系统，其中：
每个分配器模块具有多个分离机构，所述分离机构将邻近的分配器模块可释放地附接到所述每个分配器模块。
8.根据权利要求1所述的卫星部署系统，其中所述每个控制器适于依序释放所述分配器模块。
9.一种计算机可读存储介质，其内容促使所述计算机执行以下步骤：
从运载工具释放多个彼此可释放地附接的分配器模块，每个分配器模块支撑将部署在太空中的至少一个卫星；以及
对于所述每个释放的分配器模块，从所述释放的分配器模块释放所述至少一个卫星。
10.根据权利要求9所述的计算机可读存储介质，其中促使所述计算机执行所述步骤的所述内容至少部分存储在每个分配器模块的模块控制器中。
11.根据权利要求9所述的计算机可读存储介质，其中释放所述至少一个卫星的所述步骤包括依序释放可释放地附接到所述每个释放的分配器模块的多个卫星。
12.根据权利要求9所述的计算机可读存储介质，其中所述步骤还包括在执行从所述释放的分配器模块释放所述至少一个卫星的所述步骤之前，将所述每个释放的分配器模块推动到太空中的预定位置。
13.一种装配多个卫星以发射到太空中的方法，包括：
将多个可释放的分配器模块彼此附接，所述附接的分配器模块在太空中可单个释放；以及
将至少一个可释放卫星附接到每个可释放的分配器模块。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括将控制器附接到每个分配器模块，每个控制器适于在所述分配器模块从运载工具释放后，释放附接到所述每个分配器模块的所述至少一个卫星。
15.根据权利要求13所述的方法，其中：
所述每个分配器模块是环形的；并且
所述多个分配器模块垂直堆叠在彼此之上。
16.根据权利要求15所述的方法，其中附接至少一个可释放卫星的所述步骤包括将多个卫星附接在所述每个环形分配器模块的外表面上。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括将推进单元附接到每个分配器模块，所述推进单元适于推动所述每个释放的分配器模块以及将所述至少一个卫星释放到太空中。
18.根据权利要求13所述的方法，其中每个分配器模块具有凸出部和凹部，并且将多个可释放的分配器模块彼此附接的所述步骤包括：
将第二分配器模块的所述凸出部插入一个分配器模块的所述凹部中；以及
将所述一个分配器模块的所述凸出部插入到第三分配器模块的所述凹部，其中所述多个分配器模块的每个凹部是适于释放所述相关联的凸出部的分离机构的部分。
19.一种部署来自运载工具的多个卫星的方法，所述运载工具具有附接在其上的分配器，所述分配器具有多个彼此附接的可释放的分配器模块，每个可释放的分配器模块支撑至少一个卫星，所述方法包括：
将所述运载工具定位在预定位置；
从所述运载工具依序释放所述分配器模块；
对于每个释放的分配器模块，
将所述每个释放的模块移动到预定位置；
从所述每个释放的模块释放所述至少一个卫星。
20.权利要求19所述的方法，其中：
所述每个分配器模块是环形的；并且
所述多个分配器模块垂直堆叠在彼此之上。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少一个卫星附接到所述每个环形分配器模块的外表面。
22.根据权利要求19所述的方法，其中将所述每个释放的模块移动到预定位置的所述步骤包括控制附接到所述每个释放的模块的推进单元。
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