CN110475721A - 在具有磁场的星体周围的轨道上推动太空船的电动组件 - Google Patents
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Abstract
一种用于在轨道上绕具有磁场的星体推动太空船(1)的电动组件(3)，包括至少一根同轴电缆(7)，所述同轴电缆(7)包括由第一电绝缘护套(9)围绕的导电芯(8)。所述至少一根同轴电缆(7)还包括安装在该第一电绝缘护套(9)外侧的导电电流回流电路(11、110、1100)，所述电流回流电路(11、110、1100)包括电连接到所述同轴电缆(7)的所述芯(8)的第一端(82)的第一端(112)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在具有磁场的行星轨道上推动卫星的紧凑型电动电缆。
背景技术
继法国《空间运行法》之后，对于在环绕地球的轨道上的卫星，必须确保在“受保护的”轨道部分中的卫星在不超过25年内脱离轨道，尤其是在2000公里以下的低轨道区域中。
已知多种解决方案用于实施使卫星脱离轨道，包括所谓的“太空系链”解决方案。太空系链使用被称为系链的非常牢固的电动电缆，通过将电缆的电能转化为动能，所述电动电缆在非常长的长度上展开从而在这里用作驱动器。系链的运动起因于在地球磁场中施加在该电缆上的洛伦兹力的表达，通过为系链供给直流电流产生系链的运动。洛伦兹力是在地球电磁场中带电的电缆所经受的电磁力，该力驱动电缆的运动。
在1A的电流行进的1000米长度的电缆上的最大洛伦兹力的数量级在地球轨道上为理论上30mN，其与离子或等离子体电力推进中的情况相当。
这些电缆在地球电磁场中的其张力的自然作用下也可用作电流发生器，所述张力可以很高并且与这些电缆的长度成比例。
将这些电动系链集成到卫星需要一种卫星上的复杂实施的基础设施，尤其是由于展开机构、待缠绕/解开的电缆的很长长度、构成带有电子束发射器(阴极)的小型卫星的电缆端部，复杂且有时危险的两颗卫星和在轨道上连接它们的导线的机械动力学，以及也取决于太阳的空间天气的周围等离子体的随机导电性。
系链在轨道上的展开往往很精密，因为尽管电缆非常长，但系链必须很轻。由于需要通过阴极使电流回流到另一端，所述阴极为与第二连接卫星相关的一件设备的一部分并且其使用周围等离子体作为电流回流，因此机械动力学至关重要。由于周围等离子体的传导和卫星的电荷，因此通过周围等离子体的返回可进一步产生其他限制，其中可以产生导线不接受的强电流。
此外，当卫星接近具有磁场的行星时，使用系链的空间系链解决方案可以提供帮助或一种没有化学推进的解决方案。对于木星，JUICE探测器在当前完全的化学结构中必须提供900m/s的速度差Δv。
由于太阳能电池板的生产效率不足，以及放射性同位素热离子发生器(RTG)的低功率，等离子体推进独自地通常需要现场经常无法找到的能量供给。电动系链可以供给能量到等离子体发动机以及为轨道放置提供减速。
在文章IEPC-2015-065“深空的电力推进：带有EP的“木星冰月”研究案例”中已经特别地示出了，具有霍尔效应的电力推进可以将初始卫星的质量从5000千克减少到2500千克，并且在到达木星附近时Δv的需求可降低到520米/秒。
发明内容
本发明旨在通过提供一种同轴电缆和一种电动组件来弥补上述缺点，所述电动组件被构造成放置在太空船上并允许保护电流返流免受环境电干扰。
本发明的一个目的提出了一种用于在轨道上绕具有磁场的天体推动太空船的电动组件的同轴电缆，所述电缆包括一种被第一电绝缘护套围绕的导电芯。
根据本发明的一种通用特征，所述同轴电缆进一步包括一种由安装在所述第一电绝缘护套外侧的导电和导磁材料制成的电流回流电路，所述电流回流电路包括连接到电缆的所述芯的第一端。
根据本发明的同轴电缆可以具有不受周围等离子体的电磁变化影响的电流回流，由于在同轴电缆的环境中通过电流回流电路的实心导电体并且不经由周围等离子体进行该电流回流。
根据同轴电缆的第一方面，所述同轴电缆可进一步包括一种由围绕所述第一电绝缘护套的导磁材料制成的涂层。
由导磁材料制成的所述涂层可以产生一种外磁屏蔽，所述外磁屏蔽减少了由所述同轴电缆的芯所感知的电磁干扰。
所述回流电路的导电和导磁材料可以是微米金属或软铁。
根据所述同轴电缆的第二方面，所述电流回流电路包括电导线。
在所述同轴电缆的第二方面的第一变型中，所述电流回流电路可以由所述涂层形成，所述涂层由围绕所述第一电绝缘护套的导磁材料制成。
涂层而非导线的使用可以减少电缆的总质量。
根据所述同轴电缆的第二方面的第二变型，所述电流回流电路可包括一种被布置在由导磁材料制成的涂层上的铜或金层。
纯铁的导电性不如铜，使用例如由铁或钼金属制成的涂层以及覆盖铁的铜层制造回流电路使得可以在减小回流电路的厚度同时提高回流电路的导电性，并且因此可以具有一种在允许存在具有足够制动的磁场的同时具有足够小的厚度以限制重量的回流电路。附加涂层可化学或电解地沉积。
根据同轴电缆的第三方面，所述电缆可进一步包括围绕所述电流回流电路的第二电绝缘护套。
所述第二电绝缘护套可以保护电流回流电路免受任何电干扰。
本发明的另一目的提出了一种用于在环绕具有磁场的天体轨道上推进太空船的电动组件。
根据本发明的电动组件的一种通用特征，后者包括如上所限定的至少一根同轴电缆。
所述同轴电缆的电流回流电路对周围等离子体磁场的不敏感性可以提高组件的效率以及因此减少组件的长度。减少操作所需的长度可以避免使用系链，以及因此消除了与电动系链使用相关的问题，尤其是与其展开或其运动学有关的问题。
根据电动组件的第一方面，所述组件可包括所述同轴电缆的串行耦合。
护套的同轴电缆的串行耦合因此允许电缆的芯和回流电路的串联放置，使得如果电流循环，回流电路都看到相同的电流方向，并且这些芯都看到相同的电流方向，其为与回流电路中的循环方向相反的方向。
根据电动组件的第二方面，所述同轴电缆可组合在一起以形成至少一个束，从而在相同的电动组件长度上增加与磁场的相互作用面。
所述束结构使得对于相同的组件长度可以增加由磁场产生的电流，以及因此对于所需的电流功率成比例地减少有用的组件长度。
在第一实施例中，每根同轴电缆可具有与电动组件的长度对应的长度。在第二实施例中，电动组件包括多个连续地对齐以形成电动组件长度的束。
根据电动组件的第三方面，所述组件可包括由同轴电缆的芯的第二自由端形成的输入端子以及由另一同轴电缆的回流电路的第二自由端形成的输出端子。
输入端子和输出端子旨在耦合到电动交流发电机的诸多端子，所述电动交流发电机被构造，从而在第一实施例中当与组件相关联的太空船必须脱离轨道时在该组件中输送电流，并且在第二实施例中传输由电动组件输送的电流以应对在诸如电池的能量储存设备中天体的磁场与电动组件的导磁表面的相互作用。
本发明的另一目的仍提出一种能够绕行具有磁场的天体的太空船，所述太空船包括如上所限定的电动组件。
附图说明
参考附图，在用于通告但不限制地阅读以下内容后，将更好地理解本发明，其中：
-图1示出了具有根据本发明的电动组件的太空船的示意性图示；
-图2A、2B、2C和2D都示出了根据本发明第一和第二实施例的电动组件的透视图；
-图3示出了根据本发明第一和第二实施例的电动组件的同轴电缆的耦合的电气图；以及
-图4示出了根据本发明第三实施例的电动组件的同轴电缆的耦合的电气图。
具体实施方式
图1示出了具有根据本发明的电动组件的太空船1的示意图。
太空船1包括人造卫星2，所述人造卫星2包括发电机并且能够包括化学或其他定向推进设备，所述人造卫星2还包括长度为1000m的电动组件3并且在电动组件3的第一自由端5与被紧固到人造卫星2的第二端6之间延伸。
如图2A、2B、2C和2D所示，它们分别显示根据本发明第一、第二、第三和第四实施例的电动组件3的透视图，电动组件3包括成束组装的几根同轴电缆7，每根同轴电缆7具有一根与电动组件3的长度对应的系链。
在图2A至2D所示的四个实施例中，每根同轴电缆7均包括被第一电绝缘护套9围绕的导电中央芯8。芯8由铜或由诸如金或银的另一导电金属制成。
第一护套9在其外表面上覆盖有由例如微米金属或软铁这样的导磁材料制成的涂层10。由导磁材料制成的涂层10使得可制成同轴电缆7的内部部分，其中定位有对周围磁场不特别敏感的内部导体，即芯8。
在图2A至2D所示的四个实施例中，每根同轴电缆7还包括一种导电电流回流电路11。该电流回流电路11具有分别表示为111和112的第一和第二端，芯8具有分别表示为81和82的第一和第二端。芯8和电流回流电路11的第一端81和111在束的相同第一端，芯8和电流回流电路11的第二端82和112为该束的相同的第二端。对于该束的每根同轴电缆7，其芯8的第二端82电连接到其电流回流电路11的第二端112。
通过使用一种设计，其中仅外部元件即电流回流电路10，受到地球磁场的影响，电动组件3的同轴电缆7因此使得可不通过周围等离子体，而通过同轴电缆7本身来实施回流，因为仅插入第一护套9中的轴8在形成磁屏蔽的导磁涂层10的内侧。
在图2A所示的第一实施例中，电流回流电路11由诸如铜层的导电材料层12形成，其通过化学沉积被布置在涂层10上以覆盖涂层10。此外，每根同轴电缆7还包括覆盖电流回流电路11的第二电绝缘护套13。该第二电绝缘护套13使束的每根同轴电缆7可与该束的其它同轴电缆7电绝缘，更具体地说，可以使一根同轴电缆7的电流回流电路11与另一根同轴电缆7的电流回流电路11绝缘。一个束的同轴电缆7是电绝缘的，除了在一个同轴电缆7的电流回流电路11与另一同轴电缆的芯8之间的电气连接之外，如图2A至2D、3和4所示。
图2B中所示的第二实施例与图2A中所示的第一实施例的不同之处在于，不使用每根同轴电缆7的第二护套13，而是使用其中每根同轴电缆7嵌入地面中的单一护套130，进行每根同轴电缆7的电流回流电路11的电绝缘。
图2C中所示的第三实施例与图2A中所示的第一实施例的不同之处在于，电流回流电路110由涂层10形成，涂层10的材料是导磁和导电的。例如，涂层10可以由软铁制成。软铁不如铜作为导电体好，使得电流回流电路110具有与第一实施例的电流回流电路11相当的导电性，第三实施例中涂层10的厚度比第一实施例中涂层的厚度更好。
图2D中所示的第四实施例与图2A中所示的第一实施例的不同之处在于，电流回流电路1100包括由电绝缘层15而非铜层12涂覆的电导线14，第二电绝缘护套13直接地安装在导磁涂层10上。电线14保持在磁屏蔽的外侧，优选保持在束的外侧，从而停留在对周围磁场敏感的空间中。
图3显示根据本发明第一、第二和第三实施例的电动组件3的同轴电缆7的电耦合图。如图所示，电动组件3的同轴电缆7串联地电耦合，以形成一与连接到第一同轴电缆71的芯8的第一端81的输入端子16和连接到第二同轴电缆72的电流回流电路11的第一端111的输出端子17串联的电路。
在第一同轴电缆71与第二同轴电缆72之间的每根同轴电缆73均包括电耦合到其电流回流电路11的第二端112的其芯8的第二端82，同轴电缆73的电流回流电路11的第一端111电耦合到以下同轴电缆的芯8的第一端81并且一同轴电缆73的芯8的第一端81电耦合到先前同轴电缆的电流回流电路11的第一端111。
所述同轴电缆7的芯8和电流回流电路11因此串联地电耦合，使得如果电流循环，电流回流电路11都看到相同的电流方向，并且芯8都看到与电流回流电路11相反的相同方向。
在图2A和2B中所示的第一和第二实施例中，同轴电缆7的电流回流电路11包括导电涂层12，所述导电涂层12用覆盖该同轴电缆7的第一绝缘护套9的导磁材料覆盖该涂层10。
在第三实施例中，同轴电缆7的回流电路110由涂层10直接形成，所述涂层10至少部分地由一种导电和导磁材料形成。
图4显示根据图2D所示的本发明第四实施例的电动组件3的同轴电缆7的电耦合图。在该第四实施例中，由周围磁场的连接的、非保护的导线14制成同轴电缆7的电流回流电路1100。
在所有四个实施例中，同轴电缆的芯8的直径根据在芯8中通过的电流而在0.08mm和11.7mm之间变化，并且对于1000V的电压，第一和第二电绝缘护套9和13的厚度大约为0.1mm。
在第一和第二实施例中，对于陆地应用，即对于将安装在卫星2上用于地球磁场的电动组件3，形成磁屏障的涂层10具有0.1mm量级的厚度，并且铜层12的厚度在小于0.01mm和2.3mm之间变化。
人造卫星2可在地球磁场中移动，其速度v结合磁场B的存在，将在回流电路10上产生与它们的长度成比例的电压。
实际上，在具有电荷q的电荷载体上，尤其是电子，拉普拉斯方程适用：F＝q(E+v×B)，其中F是由磁场B施加在电荷q行进的导体上的洛伦兹力，所述电荷q产生电流，所述电流产生电场E，其中v是人造卫星2的速度。
如果导体未连接到两侧，则在平衡状态下：F＝0并且E＝-v×B。
同样也可以E＝-grad
因此，跨越导体的端子存在一个电压，该电压取决于对应于磁场的范数与人造卫星2的速度v及电动组件3的长度之乘积，或B*v*L的长度和最大范数。电压取决于人造卫星2的运动方向的相对位置、磁场B以及同轴电缆7的方向。例如，如果B与v共线，则为零；如果v与B正交，则为最大值。
一旦电路闭合，该电压将产生电流：芯8确保朝下一同轴电缆7的电流回流，所述电流回流仅非常局部地受到磁场B影响并且因此不会产生较大的反电动势。
通过芯8的回流电流由芯8的电阻的电压所限制。
同轴电缆7很多，这产生直流电，所述直流电也产生与人造卫星2的速度v相反的拉普拉斯力。这是一种连续地形成1到100mN量级的力的很好方法，所述力可用于轨道运行。
当电路断开时，产生一电压。对其测量使得可确定在与电缆-卫星速度平面垂直的方向上的局部磁场。
通过将三组正交电缆组合在一起，可以产生可根据测量值(通过小心地作用在被定位的开关上)并考虑相对速度调制的制动推进力。
因此本发明提供了一种被构造成放置在太空船上并允许保护电流回流免受环境电干扰的电动组件。
Claims (9)
1.一种用于在围绕具有磁场的天体的轨道上推动太空船(1)的电动组件(3)，所述组件(3)包括用于电动组件(3)的多根同轴电缆(7)，用于在围绕具有磁场的天体的轨道上推动太空船(1)，每根同轴电缆(7)均包括由第一电绝缘护套(9)围绕的导电芯(8)，
其特征在于，每根同轴电缆(7)还包括安装在所述第一电绝缘护套(9)外侧的导电电流回流电路(11、110、1100)，所述电流回流电路(11、110、1100)包括电连接到所述同轴电缆(7)的所述芯(8)的第一端(82)的第一端(112)，并且
所述组件(3)包括所述同轴电缆(7)的串行耦合。
2.根据权利要求1所述的电动组件(3)，其中，每根同轴电缆(7)还包括由围绕所述第一电绝缘护套(9)的导磁材料制成的涂层(10)。
3.根据权利要求2所述的电动组件(3)，其中，所述电流回流电路(11)包括被布置在由导磁材料制成的涂层(10)上的铜或银的层(12)。
4.根据权利要求1或2所述的电动组件(3)，其中，每根同轴电缆(7)的电流回流电路(1100)包括一根电导线(15)。
5.根据权利要求1或2所述的电动组件(3)，其中，每根同轴电缆(7)的电流回流电路(110)均由所述涂层(10)形成，所述涂层(10)由围绕所述第一电绝缘护套(9)的导磁材料制成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电动组件(3)，其中，每根同轴电缆(7)还包括围绕所述电流回流电路(11、110、1100)的第二电绝缘护套(13、130)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电动组件(3)，其中，所述同轴电缆(7)成束地放置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电动组件(3)，包括由同轴电缆(7)的芯(8)的第二自由端(81)形成的输入端子(16)以及由另一同轴电缆的电流回流电路(11、110、1100)的第二自由端(111)形成的输出端子(17)。
9.一种能够围绕具有磁场的天体飞行的太空船(1)，其特征在于，该太空船包括根据权利要求1至8中任一项所述的电动组件(3)。
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