CN109398758B - 一种用于服务空间站的太空浮岛 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于服务空间站的太空浮岛，包括主体(1)和与空间站(A)相连接的柔性索道(2)；所述主体(1)包括相互连接的三轴稳定对地部分(1a)和自旋部分(1b)；所述三轴稳定对地部分(1a)上设置有用于调整所述主体(1)姿态的第一助推器，用于保持所述主体(1)轨道高度和与所述空间站(A)相位差的第二助推器(12)。通过采用货运飞船建造本发明的太空浮岛，从而极大的提高了货运飞船的利用率，货运飞船与空间站完成对接后，其不需要坠毁，不仅有效降低了空间飞行任务的发射成本，还减少了产生太空垃圾的可能。

Description

一种用于服务空间站的太空浮岛

技术领域

本发明涉及一种太空浮岛，尤其涉及一种用于服务空间站的太空浮岛。

背景技术

空间站开展太空载荷试验的理想平台。但空间站各个舱段发射、组装、运营的成本巨大，因此空间站上空间、能源等资源非常“紧俏”，制约了空间站的应用。另一方面，电推进系统的比冲是化学推进系统的5～10倍，节省推进剂的优势非常显著，但推力小，目前只能用于轨道维持，不能用于飞行器快速变轨。为此，提出基于任务后货运飞船服务空间站的太空浮岛方案。按照目前工程规划，货运飞船上行货物至空间站，装载废弃物后，与空间站分离后再入大气层陨毁，进而导致货运飞船的利用率低，太空发射任务成本巨大，浪费了资源。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于服务空间站的太空浮岛，提高货运飞船的利用率。

为实现上述发明目的，根据本发明提供一种用于服务空间站的太空浮岛，包括主体和与空间站相连接的柔性索道；

所述主体包括相互连接的三轴稳定对地部分和自旋部分；

所述三轴稳定对地部分上设置有用于调整所述主体姿态的第一助推器，用于保持所述主体轨道高度和与所述空间站相位差的第二助推器。

根据本发明的一个方面，所述自旋部分与所述三轴稳定对地部分相互同轴的悬浮在所述三轴稳定对地部分的周围。

根据本发明的一个方面，所述自旋部分与所述三轴稳定对地部分采用磁轴承相互连接。

根据本发明的一个方面，所述主体上设置有用于控制所述自旋部分转动速度的控制电机；

当所述主体处于阳照区，通过所述控制电机控制所述自旋部分加速，用于电能储存；

当所述主体处于阴影区，通过所述控制电机控制所述自旋部分减速，用于向所述主体上的载荷以及所述空间站回馈电能。

根据本发明的一个方面，所述第二助推器与所述主体活动连接，并且其位于所述主体的质心位置。

根据本发明的一个方面，所述主体上包覆有用于提供电能的太阳能电池薄膜，以及铺设有用于发射航天器的电磁发射轨道。

根据本发明的一个方面，所述主体上还设置有搬运机器人和机械臂；

所述搬运机器人与所述主体和所述柔性索道滑动连接；

所述机械臂与所述主体滑动连接。

根据本发明的一个方面，所述第一助推器为辅助磁力矩器，所述第二助推器为电推力器。

根据本发明的一个方面，所述三轴稳定对地部分和所述自旋部分分别由多个货运飞船相互连接构成。

根据本发明的一个方面，所述主体整体呈哑铃构型。

根据本发明的一种方案，本发明的太空浮岛利用其巨大的表面积，铺设大面积的薄膜太阳电池片，向空间站提供电能；同时可以放置大量有暴露需求的载荷，特别是暴露面积大的载荷，避免了载荷放置在空间站表面对平台设备视场的遮挡。另外，本发明的太空浮岛还可作为太空组装与发射基地，在岛上利用机械臂组装大型卫星或登月飞行器，利用巨大的岛面积铺设大型环形电磁发射轨道，可用于发射卫星或登月飞行器，降低了发射成本，提高了发射效率。

根据本发明的一种方案，本发明的太空浮岛伴飞空间站，作为空间站的扩展部分，拓展了空间站应用，极大幅度提高了空间站空间与能源上对载荷的支持能力，使超大型暴露载荷实验成为可能。另外，本发明的太空浮岛作为太空组装与发射基地，可为大型太空设施或月球空间站、月球基地等组装、发射大型飞行器。同时，本发明的太空浮岛也可成为构建有人照料的空间太阳能电站、在轨服务站的太空基础设施，极大的有利于提高空间飞行任务的便利性。

根据本发明的一种方案，通过采用货运飞船建造本发明的太空浮岛，从而极大的提高了货运飞船的利用率，货运飞船与空间站完成对接后，其不需要坠毁，不仅有效降低了空间飞行任务的发射成本，还减少了产生太空垃圾的可能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的太空浮岛的结构示意图。

具体实施方式

此说明性实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的用于服务空间站的太空浮岛包括主体1和与主体1相连接的柔性索道2。在本实施方式中，主体1包括相互连接的三轴稳定对地部分1a和自旋部分1b。三轴稳定对地部分1a上设置有用于调整主体1姿态的第一助推器，用于保持主体1轨道高度和与空间站A相位差的第二助推器12。在本实施方式中，本发明的太空浮岛伴飞在空间站A后方。空间站A和太空浮岛之间通过柔性索道2相互连接。在本实施方式中，第一助推器为辅助磁力矩器，第二助推器12为电推力器。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，主体1整体呈哑铃构型。在本实施方式中，自旋部分1b与三轴稳定对地部分1a相互同轴的悬浮在三轴稳定对地部分1a的周围。在本实施方式中，自旋部分1b与三轴稳定对地部分1a采用磁轴承相互连接。在本实施方式中，主体1利用重力梯度空间环境力矩实现姿态被动稳定。其中，三轴稳定对地部分1a(可简称为“定子”)主要依靠重力梯度被动稳定，三轴稳定对地部分1a上设置的第一助推器主动调整其姿态，同时，依靠第二助推器12保持其轨道高度以及与空间站A的相位差。自旋部分1b(可简称为“转子”)。自旋部分1b通过与三轴稳定对地部分1a间的磁轴承悬浮。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，主体1上设置有用于控制自旋部分1b转动速度的控制电机3。在本实施方式中，自旋部分1b通过控制电机3加速或减速旋转。当本发明的太空浮岛运行在阳照区，主体1上的太阳能电池发出的电能一部分供给搭载在主体1上的载荷，剩下的电能通过控制电机3使自旋部分1b加速，将电能储存起来；当本发明的太空浮岛运行在在阴影区，自旋部分1b减速，被储存起来的电能进而能够通过控制电机3回馈给主体1上的载荷，并可通过柔性索道2供给空间站。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，主体1上设置有搬运机器人6和机械臂7。在本实施方式中，搬运机器人6(可简称为“岛工”)具有多个(两个、三个或者更多)，机械臂7(可简称为“岛枢”)设置有一个。在本发明的太空浮岛上通过搬运机器人6和机械臂7提供载荷应用服务，并且搬运机器人6和机械臂7相互独立运行的，搬运机器人6和机械臂7都能够移动到本发明的太空浮岛的主体1的表面的任意位置。在本实施方式中，第二助推器12与主体1为活动连接的。搬运机器人6可以动态调整第二助推器12在主体1上的位置，保证第二助推器12始终处于主体1的质心位置。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，主体1是由多个货运飞船相互连接构成。在本实施方式中，主体1与空间站A之间有柔性索道2相连。货运飞船完成对空间站A的补给，货运飞船与空间站A分离前，将舱体上的锁钩挂到柔性索道2上。货运飞船与空间站A分离后，货运飞船沿柔性索道2滑行至主体1的位置，主体1上的机械臂7抓取货运飞船，并移动自至预定位置，由搬运机器人6将货运飞船焊接到主体1上，形成主体1的新部分。

根据本发明的一种实施方式，主体1上包覆有用于提供电能的太阳能电池薄膜4，以及铺设有用于发射航天器的电磁发射轨道5。在本实施方式中，通过搬运机器人6在主体1上铺设太阳电池片薄膜、电缆，安放载荷。搬运机器人6还可沿柔性索道2往返于主体1与空间站A之间，完成运输物资、照料载荷等作业。主体1上利用其具有巨大的表面积，铺设大面积的太阳能电池薄膜4，向空间站A提供电能；同时可以放置大量有暴露需求的载荷，特别是暴露面积大的载荷，避免了载荷放置在空间站A表面对平台设备视场的遮挡。同时，主体1还可作为太空组装与发射基地，在主体1上利用机械臂7组装大型卫星或登月飞行器，利用巨大的岛面积铺设大型环形电磁发射轨道，实现了卫星或登月飞行器的发射任务需要。在本实施方式中，充分利用浮岛巨大的表面积，通过搬运机器人6组装大型飞行器。铺设大型环形电磁发射轨道进行电磁发射。飞行器通过电磁发射，可以在很短的时间内获得很高的正速度增量，进入预定轨道。根据动量守恒原理，主体1获得负速度增量。由于主体1质量远远大于飞行器质量，因此负速度增量很小。因此主体1可以利用第二推进器在充足的时间内缓慢的抵消负速度增量，相当于利用高比冲的第二推进器发射了大型飞行器，大大节省了推进剂。被发射的飞行器的轨控推进剂可以大大减少，从而简化发射系统。

为充分说明本发明，现举例说明：

以每年发射两艘货运飞船的数量，在经过五年时间后即可在轨形成包含有十艘货运飞船构成的太空浮岛，质量在可达100吨以上。在本实施方式中，货运飞船可通过焊接在一起形成主体1的骨架，其表面积在2000㎡以上。其中以主体1一半的表面积(1000㎡)铺设太阳能电池薄膜4，则本发明的太空浮岛在阳照区的发电功率不低于50kW。另外，在主体1上还至少有其1/4表面积即500m²可提供给需要搭载的载荷进行暴露试验。

另外，在本实施方式中，在主体1上铺设环形电磁发射轨道，其半径可达10m。通过采用电磁力可将飞行器加速至100转/分钟，当飞行器切向速度与本发明的太空浮岛的轨道速度方向一致时，飞行器与电磁发射轨道分离，此时飞行器即可获得100m/s以上的速度增量。若飞行器质量为10吨，则飞行器发射后，本发明的太空浮岛的速度增量为-10m/s。在本实施方式中，在主体1上可配置16台80mN推力的第二助推器12，在本发明的太空浮岛在正常运行状态下使用8台第二助推器12进行轨道维持，保持太空浮岛与空间站A同轨道高度。当完成飞行器的发射后，16台第二助推器12全部工作(最大功耗可达22kW)，进过约20天的时间后便可弥补本发明的太空浮岛发射飞行器所产生的速度增量损失。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于服务空间站的太空浮岛，其特征在于，包括主体(1)和与空间站(A)相连接的柔性索道(2)；

所述主体(1)包括相互连接的三轴稳定对地部分(1a)和自旋部分(1b)；

所述三轴稳定对地部分(1a)上设置有用于调整所述主体(1)姿态的第一助推器，用于保持所述主体(1)轨道高度和与所述空间站(A)相位差的第二助推器(12)。

2.如权利要求1所述的太空浮岛，其特征在于，所述自旋部分(1b)与所述三轴稳定对地部分(1a)相互同轴的悬浮在所述三轴稳定对地部分(1a)的周围。

3.如权利要求2所述的太空浮岛，其特征在于，所述自旋部分(1b)与所述三轴稳定对地部分(1a)采用磁轴承相互连接。

4.如权利要求3所述的太空浮岛，其特征在于，所述主体(1)上设置有用于控制所述自旋部分(1b)转动速度的控制电机(3)；

当所述主体(1)处于阳照区，通过所述控制电机(3)控制所述自旋部分(1b)加速，用于电能储存；

当所述主体(1)处于阴影区，通过所述控制电机(3)控制所述自旋部分(1b)减速，用于向所述主体(1)上的载荷以及所述空间站(A)回馈电能。

5.如权利要求1至4任一所述的太空浮岛，其特征在于，所述第二助推器(12)与所述主体(1)活动连接，并且其位于所述主体(1)的质心位置。

6.如权利要求1至4任一所述的太空浮岛，其特征在于，所述主体(1)上包覆有用于提供电能的太阳能电池薄膜(4)，以及铺设有用于发射航天器的电磁发射轨道(5)。

7.如权利要求1至4任一所述的太空浮岛，其特征在于，所述主体(1)上还设置有搬运机器人(6)和机械臂(7)；

所述搬运机器人(6)与所述主体(1)和所述柔性索道(2)滑动连接；

所述机械臂(7)与所述主体(1)滑动连接。

8.如权利要求1至4任一所述的太空浮岛，其特征在于，所述第一助推器为辅助磁力矩器，所述第二助推器(12)为电推力器。

9.如权利要求1至4任一所述的太空浮岛，其特征在于，所述三轴稳定对地部分(1a)和所述自旋部分(1b)分别由多个货运飞船相互连接构成。

10.如权利要求1至4任一所述的太空浮岛，其特征在于，所述主体(1)整体呈哑铃构型。

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