CN111196383A - 带电缆的太空转缆系统及其增减旋的办法 - Google Patents

Abstract

太空转缆系统在上行、上下行等过程中会使得系统的角动量增大、角速度增加，过大的角动量会使得系统的角速度过大、离心力过大，连接配重的缆绳的拉力过大，甚至系统崩溃。控制系统的角动量是一个非常重要的方面。然而由于太空转缆系统的对接半径达到十千米以上，控制角动量是非常困难的。本发明提供一种太空转缆系统，系统在赤道附近轨道逆时针公转，并在同一个平面内自转，系统有一根电缆围绕中心站转动。利用电缆在地磁中进行电磁感应或者进行安倍效应，从而产生安培力，实现增旋、减旋，控制系统的角动量。利用这根电缆，一般可以在1‑10小时内完成减旋工作，具有快捷、几乎不消耗燃料的优点。

Description

带电缆的太空转缆系统及其增减旋的办法

技术领域

本发明涉及太空转缆系统、电磁学、地磁等领域，提供一种太空转缆系统的结构，以及利用这种结构来使得角动量减少或增加的技术，涉及太空领域。

背景技术

太空转缆系统由中心站、两个配重、两根配重绳组成，两个配重绕着中心站，每个配重通过一根缆绳（称为配重绳）连接中心站。太空转缆系统还有一根缆绳用于对接航天器，这根缆绳称为主绳。一个航天器由地面的运载火箭发射到太空，与太空转缆系统的主绳的外端对接，然后缆绳牵引航天器移动到中心站处。转缆系统的自转中心是中心站附近。太空转缆系统的缆绳用于牵引各种部件，实现部件的内移、外移。

减旋是指使得系统的角动量减少，增旋是使得系统的角动量增大。对接时会给系统带来非常大的角动量，比如对接时缆绳是长20000m，航天器重量是1000kg、线速度是1500m/s，则角动量是20000*1000*1500=3*10^10kg.m^2/s。如果多次对接航天器，则会引起系统的角动量过大，系统角速度过大，离心力过大，甚至崩溃。因此降低自转速度、减少角动量，也就是减旋，是非常重要的。在某些情况下，太空转缆系统需要增旋增旋是指系统的角动量增大，角速度增大。

电推进器主要有离子发动机、霍尔推进器两种，是一种电力驱动的太空推进装置，由分离装置、离子喷射装置、电子枪3（中和器）组成，分离装置将原子分解为离子与电子，两者分别由离子加速装置、电子枪发射入太空。一种典型的电推进器是NASA的X3离子推进器。分离装置和离子加速装置产生了离子并射入太空，余下电子，两者一起的作用是产生电子，两者合称电子源。电子源产生的电子是由电子枪射入太空，从而保证电推进器的电中性，避免电荷积累。

太空转缆系统可以采用火箭发动机来减旋，但是每次需要耗费数百千克乃至数吨的燃料，在太空中获得燃料是非常难得的。系统也可以采用离子发动机直接喷射离子来产生推力，但是离子发动机只能够产生0.01-1N的推力，每次工作的时间要长达数月才能够产生效果。而且由于离子喷射速度很高，耗费电能非常大，即使供电功率达到300kw，产生的推力也仅仅是10N左右。

超导电缆、收放装置是在专利2018111244421里披露。专利2018113471260提出了一种单向输电线，只需要一个回路，就可以输电。上点是指部件在自转过程中最高的点，也就是部件自转轨迹的质心正上方的点。下点是指部件在自转过程中最低的点，也就是部件自转轨迹的质心正下方的点。

分裂导线是每根导线由几根直径较小的分导线组成，各分导线间隔一定距离并按对称多角形排列，而且布置在正多边形的顶点上。

超级电容又称超级电池、黄金电容，是一种电池，特点是功率密度大。

发明内容

本发明提供一种利用超导电缆来减旋、增旋的技术。太空转缆系统有电缆围绕中心站转动，利用电缆在自转过程中的上点、下点附近时进行电磁感应或安培效应，产生安培力，实现减旋、增旋。电推进器主要作用是产生电流，从而产生安培力。

一种太空转缆系统，太空转缆系统是由中心站、两个配重、两根配重绳组成，中心站、配重之间用配重绳连接，每个配重及其配重绳围绕自转中心转动，同时太空转缆系统绕地球公转；太空转缆系统公转、自转的平面与地磁赤道面的夹角都小于20度；太空转缆系统有一根缆绳，缆绳外端牵引着一根电缆的内端，缆绳、电缆、配重、配重绳等一起围绕自转中心转动，电缆中点离自转中心有一定距离；电缆一端连接电推进器，另外一端连接电子枪；

作为对上述系统的改进，牵引电缆的缆绳是连接到配重上。

作为对上述系统的改进，所述电缆是超导电缆。

作为对上述系统的改进，所述电缆采用分裂导线，导线的数量大于等于3，电缆纵向上每隔一定距离有一个间隔棒。

作为对上述系统的改进，电缆安装了电池，电池连接电缆。

一种产生径向电流的办法，太空转缆系统的电缆绕中心转动，径向电流包括向内电流和向外电流。（一）产生向外电流办法是：电缆的外端连接电子源，内端连接电子枪；电缆在自转过程中，电子源产生电子，电子经过电缆，再经内端的电子枪射入太空，形成向外电流；（二）产生向内电流办法是：电缆的内端连接电子源，外端连接电子枪；电缆在自转过程中，电子源产生电子，电子经过电缆，再经外端的电子枪射入太空，形成向内电流。

一种减旋办法，太空转缆系统是绕地球逆时针公转，同时逆时针自转，其过程是：电缆展开，成为一条直线并绕自转中心转动；电缆在上点附近时，电缆产生向外电流，同时进行电磁感应，得到公转方向反方向的安培力；或者是，电缆在下点附近时，电缆产生向外电流，电源供电驱动电缆得到公转方向向前的安培力；所述上点附近或下点附近是指电缆与垂线的夹角小于60度的范围。

作为对上述减旋办法的改进，转缆系统接上航天器后应用减旋方法，其特征是：设太空转缆系统对接载荷时，载荷绕自转中心转动的转动半径是r，电缆产生安培力时，电缆中点的转动半径大于等于1.3r。

一种增旋办法，太空转缆系统是绕地球逆时针公转同时逆时针自转，电缆在上点附近时，电缆产生向内电流，电源供电驱动电缆得到公转方向向前的安培力；或者是，电缆在下点附近时，电缆产生向内电流，同时进行电磁感应，得到公转方向反方向的安培力；所述上点附近或下点附近是指电缆与垂线的夹角小于60度的范围。

作为对减旋方法或增旋方法的改进，所述上点附近或下点附近是电缆与垂线的夹角小于40度的范围。

作为对减旋方法或增旋方法的改进，电缆安装了超级电池，在电磁感应产生的半周里超级电池储存电能，在另外一个半周里放出电力，驱动电缆产生安培力。

附图说明

图1，太空转缆系统有两根电缆的示意图。

图2，电缆是分裂导线的示意图。

图3，减旋方法在上点的示意图。

图4，减旋方法在下点的示意图。

图5，增旋方法的示意图。

标记号

1，电缆。2，电子源。3，电子枪。6，配重绳。7，配重。8，中心站。11，公转轨道。12，自转圆。13，分裂导线。14，间隔棒。19，电流方向。20，安培力。21，缆绳。

有益效果

利用本发明，整个减旋过程中只需要电推进器消耗少量离子燃料，所需燃料是其他方法的数十分之一以下，而产生的安培力则高达100-300N，使得减旋任务很快完成，使得太空转缆系统降低自转速度，消除过多角动量。

相比起离子发动机推动，这种减旋方法使得太空转缆系统的减旋、增旋乃至停止转动、开始转动，快了数十、数百倍，而且节省电能。

尤其是利用超导电缆的太空转缆系统，使得系统的消除角动量的时间缩短至数小时，比普通的常导电缆的办法缩短数十倍工作时间。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

文中涉及转动方向的判定，都是以地理北半球为观察点，从北半球上观察系统是顺时针还是逆时针方向公转、自转。

太空转缆系统的公转速度是7-7.9km/s，主绳外端自转线速度一般不超过3km/s。因此无论自转方向是顺时针、逆时针，主绳外端或电缆无论是在上点还是下点时，其相对于地球的运动方向都是与公转方向相同。

实施例1

一种太空转缆系统，太空转缆系统是由中心站8、两个配重7、两根配重绳6组成，中心站、配重7之间用配重绳连接，配重、配重绳围绕自转中心（中心站8处）转动，同时太空转缆系统绕地球公转。如图1所示。太空转缆系统的公转轨道是椭圆轨道，自转中心的公转轨道是椭圆轨道、在赤道平面内，近地点高度是250km、远地点高度是300km，处于地磁范围之内，配重绳长10km。

配重放出一根缆绳21，缆绳长度是20km，缆绳的外端系着一根电缆1的内端，电缆跟配重绳6一样绕着自转中心转动。电缆是单回路的，通过单向电流，不需要也不能够是双向电流。电缆的外端接电子源，内端接电子枪3。电缆的内端安装了一个电池，电池是超级电池，重1000kg。

电缆1接在缆绳21的外端。电缆长6千米，电缆中点的转动半径是10+20+6/2=33千米。在本发明里电推进器作用，主要不是产生推力，而是产生电流。

实施例2

其他与实施例1相同，不同之处是：电缆1是发明2018111244421所述的超导电缆，配重处安装了2018111244421所述的收放装置。配重处安装了多级制冷机。

超导电缆1的外直径是3cm，重3吨，最大工作电流是10000A，每次最长工作时间是15小时。采用超导电缆，其电流强度可达常导电缆1的100倍，能够把工作时间缩短上百倍。

在非工作时，超导电缆卷绕在配重7处，制冷机把超导电缆的温度降低到转变温度以下20度。然后超导电缆通过收放装置放出，成为一条直线，然后才开始进行减旋工作。

地面上的普通超导电缆，需要持续地用液氮来制冷，需要直径很大的液氮管。超导电缆1有数千米长，太空转缆系统的离心力很大，液氮管会涨破，无法工作。2018111244421所述的超导电缆1的优点是工作时没有制冷液，很适合进行减旋工作。而本发明提供的转缆系统和超导电缆，在制冷后再进行减旋工作，不会遇到离心力产生液压的问题。

实施例3

其他与实施例1相同，不同之处是：如图2所示，电缆1采用分裂导线13，导线分为四股。每股是常导的铝线电缆。铝线的直径是5mm。采用常导电缆的优势是可以长期工作。每两股之间相隔0.1米，每隔200米有一个间隔棒14。每股的最大工作电流是50A，合计是200A。牵引电缆的缆绳是直接连接中心站，中心站直接牵引电缆内移或外移，这样电缆收放更快捷。

采用分裂导线13，能够保证较大的电流，同时保证散热能力。相比之下，采用超导电缆时，是不需要分裂导线的。

实施例4

太空转缆系统采用超导电缆1。径向电流是电缆里的电流，包括向内电流和向外电流，向外电流是指从电缆的靠自转中心一端流向远离自转中心一端的电流，向内电流是指从电缆的远离动中心一端流向靠近自转中心一端的电流。太空转缆系统产生向外电流的办法是：

超导电缆1的外端安装了电子源2，内端安装了一个电子枪3。超导电缆在自转过程中，在上点或下点附近，电子源产生电子，电子导入超导电缆，再经另外一端的电子枪3射入太空。在此过程中，电子是径向向内运动，由于电流方向19与电子运动方向相反，因此形成向外电流。电推进器2没有使用到自身的电子枪，只利用了电子源部分（分离装置、离子喷射装置）。

所述上点附近是指超导电缆1与垂线的夹角小于一定角度的范围内，比如30度，也就是垂线左边30度范围和右边30度的范围，共计是60度。所述下点附近也是垂线左边30度至右边30度的范围，共计60度。

由于电流切割地磁、公转自转面垂直于地磁，因此产生电流时就会产生安培力。

实施例5

太空转缆系统产生向内电流的办法是：

超导电缆1的内端安装了电子源2，外端安装了一个电子枪3。超导电缆在自转过程中，在上点或下点附近，电子源产生电子，电子导入超导电缆，再经另外一端的电子枪3射入太空。在此过程中，电子是径向向外运动，形成向内电流。

在实际应用中，电缆两端可以分别安装一个电推进器，本电推进器的电子源和另外一个电推进器的电子枪为一组，本电推进器的电子抢和另外一个电推进器的电子源为一组，两组轮流使用。

实施例6

一种减旋办法，太空转缆系统是绕地球逆时针公转，同时逆时针自转，电缆1采用超导电缆。

如图3所示，系统的减旋方法是：超导电缆1在上点附近时，也就是在上半圈的与垂线夹角小于30度范围时，产生向外电流，进行电磁感应，同时得到公转方向反方向的安培力20。

太空转缆系统的公转速度是7.7km/s，两根配重绳6分别长20km。超导电缆1每根长6km，外直径是3cm，重量是6吨，最大容许电流是8000A。超导电缆中点绕自转中心自转的线速度是1.5km/s。地磁强度是2*10^(-5)T，电缆产生的最大安培力20是：2*10^(-5)*6000*8000=960N。这个数值是其他方法的10-100倍左右，使得减旋工作得以快速进行，一般可以在1-10小时内完成减旋任务。

电磁感应是进行发电，产生电能。电推进器喷射离子的速度达到100km/s，需要高功率电能，电磁感应所产生的电能正好用于电推进器。这种情况下电推进器产生的推力可以忽略不计，而消耗电能相当大，能够消耗电磁感应的电能。并且电推进器进行电离时，也消耗部分电能。

实施例7

航天器上行后会给转缆系统带来很大的角动量，减旋方法的多数用途是，在上行后给转缆系统降低角速度、使之角动量恢复正常。

实施例1所述转缆系统的电缆，其内端安装了一个2吨重的超级电池，电池作为电缆的电源，起到吸收电能或供电的作用。超级电池选择中车株洲公司的2.8伏/30000法拉石墨烯超级电容，重200kg。

这种转缆系统的上行然后减旋的过程是，太空转缆系统放出主绳，主绳末端绕自转中心转动的半径是30km；运载火箭带着卫星进入太空，并加速到6km/s；运载火箭遇到主绳末端，卫星被主绳末端捕获，然后绕自转中心转动，转动半径是30km。这个过程会使得系统大大增加角动量。系统牵引卫星内移，收回中心站内。

然后太空转缆系统放出电缆，使得电缆成为一条直线，并且不断地放出牵引电缆的缆绳，使得电缆中点的转动半径不断增大。当电缆中点的转动半径是50km时，停止放出缆绳。电缆（1）转动到上点附近时，电缆产生向外电流，同时进行电磁感应，得到公转方向反方向的安培力（20），此时电缆产生电能并储存在电池内。电缆转动到下点附近时，电缆产生向外电流，电池供电驱动电缆得到公转方向向前的安培力（20），如图4所示，同样削弱了自转。因此在一个周期内，电池是不断充电、放电的。

这种方法能够使得电缆经过上点、下点时，都能够产生安培力，进一步加快减旋工作。

实施例8

实施例1所述转缆系统的电缆，其内端安装了一个2吨重的超级电池，电池作为电缆的电源。

太空转缆系统是逆时针公转、逆时针自转，系统增旋的方法是：

A.电缆在上点的左右20度范围内时，也就是系着电缆的缆绳与垂线的夹角小于20度范围时，电缆产生向内电流，电池供电驱动电缆的电流流动，从而产生公转方向向前的安培力20，如图5所示。因此在上点附近时，共有40度范围是电缆处于工作状态的。

B.电缆在下点的左右20度范围内时，产生向内电流，进行电磁感应产生电能，电能储存在电池内，同时得到公转方向反方向的安培力20。

Claims (11)

1.一种太空转缆系统，太空转缆系统是由中心站、两个配重、两根配重绳组成，中心站、配重之间用配重绳连接，每个配重及其配重绳围绕自转中心转动，同时太空转缆系统绕地球公转；太空转缆系统公转、自转的平面与地磁赤道面的夹角都小于20度；

其特征是：

太空转缆系统有一根缆绳，缆绳外端牵引着一根电缆的内端围绕自转中心转动，电缆中点离自转中心有一定距离；电缆（1）一端连接电推进器（2），另外一端连接电子枪（3）。

2.根据权利要求1所述的一种太空转缆系统，其特征是：牵引电缆的缆绳是连接到配重上。

3.根据权利要求1所述的一种太空转缆系统，其特征是：所述电缆（1）是超导电缆。

4.根据权利要求1所述的一种太空转缆系统，其特征是：所述电缆（1）采用分裂导线（13），导线（13）的数量大于等于3，电缆纵向上每隔一定距离有一个间隔棒（14）。

5.根据权利要求1所述的一种太空转缆系统，其特征是：电缆安装了电池，电池连接电缆。

6.一种产生径向电流的办法，太空转缆系统的电缆绕中心转动，径向电流包括向内电流和向外电流，其特征在于：

产生向外电流办法是：电缆（1）的外端连接电子源，内端连接电子枪（3）；电缆在自转过程中，电子源产生电子，电子经过电缆，再经内端的电子枪（3）射入太空，形成向外电流；

产生向内电流办法是：电缆（1）的内端连接电子源，外端连接电子枪（3）；电缆在自转过程中，电子源产生电子，电子经过电缆，再经外端的电子枪射入太空，形成向内电流。

7.一种减旋办法，太空转缆系统是绕地球逆时针公转同时逆时针自转，其特征在于：

电缆展开，成为一条直线并绕自转中心转动；

电缆（1）在上点附近时，电缆产生向外电流，同时进行电磁感应，得到公转方向反方向的安培力（20）；

或者是，电缆在下点附近时，电缆产生向外电流，电源供电驱动电缆得到公转方向向前的安培力（20）；

所述上点附近或下点附近是指电缆（1）与垂线的夹角小于60度的范围。

8.根据权利要求7所述减旋办法，转缆系统接上航天器后应用减旋方法，其特征是：设太空转缆系统对接载荷时，载荷绕自转中心转动的转动半径是r，电缆（1）产生安培力（20）时，电缆中点的转动半径大于等于1.3r。

9.一种增旋办法，太空转缆系统是绕地球逆时针公转同时逆时针自转，其特征在于：

电缆在上点附近时，电缆产生向内电流，电源供电驱动电缆得到公转方向向前的安培力（20）；

或者是，电缆（1）在下点附近时，电缆产生向内电流，同时进行电磁感应，得到公转方向反方向的安培力（20）；

所述上点附近或下点附近是指电缆（1）与垂线的夹角小于60度的范围。

10.根据权利要求7或8所述减旋办法，或权利要求9所述增减旋办法，其特征是：所述上点附近或下点附近是电缆（1）与垂线的夹角小于40度的范围。

11.根据权利要求7或8所述减旋办法，或权利要求9所述增减旋办法，其特征是：电缆安装了超级电池，在电磁感应产生的半周里超级电池储存电能，在另外一个半周里放出电力，驱动电缆产生安培力。

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