CN111417575A - 用于在地球轨道中安全释放人造卫星的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在地球轨道中安全释放人造卫星的方法，该方法包括：提供能够在轨道高度移动的轨道运输航天器(1)，并且该轨道运输航天器(1)包括用于释放由轨道运输航天器(1)运输的卫星(12)的多个POD(11)；将所述轨道运输航天器(1)容纳在配置成达到轨道高度的空间发射器(100)中；产生释放信号并将其发送至轨道运输航天器(1)，以从空间发射器(100)释放轨道运输航天器(1)；在未能释放轨道运输航天器(1)的情况下，或者在轨道运输航天器(1)从空间发射器(100)释放后发生故障的情况下，激活轨道运输航天器(1)的安全子系统(21)以生成POD(11)激活序列以释放卫星(12)。

Description

用于在地球轨道中安全释放人造卫星的方法

技术领域

本发明涉及一种用于将人造卫星(优选小型卫星或纳米卫星)安全释放到地球轨道的方法。

背景技术

在过去的十年中，技术进步导致消费设备的快速技术淘汰，并且导致了约为数年的技术周转时间。在这方面，移动电话领域可被视为一个例子。

相反，在人造空间卫星领域，技术发展趋向于以慢得多的速度发展，这取决于人造卫星能够持续很长时间(有时甚至超过15年)的能力。因此，进入空间领域的成本只能由政府机构和少数几家大公司来维持，只有这些政府机构和少数几家大公司能够承担开发人造卫星并使它们按顺序放置的巨大成本。

但是，研究中心和大学的科学研究需求导致了借助于极小型卫星来利用空间的新尝试，这些极小型卫星可以使用自由市场上可用的小型电子技术以相对较低的成本建造。

在这方面，从1999年开始，加州州立理工大学和斯坦福大学开始开发并提出将一种新卫星作为标准，该新卫星因其大小为10×10×10厘米的、特殊的立方形状而被称为“立方体卫星(Cubesat)”。(符合小型卫星，更确切地说是符合纳米卫星的传统定义的)这种类型的卫星是一种模块化卫星，并且允许容纳大型卫星的所有典型子系统，但是却放弃了更大型、更昂贵卫星的性能。

小型卫星和纳米卫星，特别是立方体卫星格式的标准化版本的小型卫星和纳米卫星，已经非常流行，最初主要由大学使用，以允许学生和研究人员将组件和研究项目发送到太空。

然而，这种类型的卫星因商业目的而很快是有价值的，并且越来越多的私营公司意识到能够发射立方体卫星星群以在地球上提供服务的价值，利用这些卫星的高在轨数量(多达数百个样本)以及利用这些卫星以编队或星群方式的飞行来降低这些卫星的固有的较低性能水平。

在过去的60年中，已经发射了大约6,000颗人造卫星，而今天，在私人资本的支持下，数百家新的私营公司正在建造，并有望在未来5-10年内发射超过23,000颗人造卫星。

立方体卫星像其他任何高级卫星一样随着空间发射器被运输到太空中。然而，它们的小体积使它们的专用发射不经济。因此，它们一直被作为其他较大卫星的次级有效载荷被放置在轨道上。发射器通常以6000万至1亿美元的价格出售，因此通常花费不到一百万欧元的小型卫星很难获得专用的发射资格。

立方体卫星通常在主卫星刚刚被释放之后就被几乎完全一致地释放，构成了一种在太空中缓慢分散的云。

尤其是，立方体卫星容纳在POD(皮卫星轨道部署器)中，一旦发射器到达设定的轨道，该POD将直接与发射器连接以释放立方体卫星。借助于由发射器激活的简单计时器，POD打开释放门以释放容纳在其中的立方体卫星。

如前所述，由于发射器被安排来发射主卫星并且用于立方体卫星的POD构成了次级载荷，因此发射器的任务规格经常不能提供立方体卫星的安全和有保证的释放，而更简单地说，它们提供了仅用于发射器向各个POD发送释放信号的系统。因此，POD的任务是确保立方体卫星的有效释放。

一旦POD发生故障，则不会释放立方体卫星，这对客户来说是明显的问题。

发明内容

在这个背景下，本发明提出了一种可实现的、用于将人造卫星安全释放到地球轨道的方法，该方法摆脱了上述关键问题。

特别地，本发明涉及一种用于在地球轨道中安全释放人造卫星的方法，该方法包括：

提供一种能够在轨道高度移动的轨道运输航天器，并且该轨道运输航天器包括用于释放由轨道运输航天器运输的卫星的多个POD；

将所述轨道运输航天器容纳在配置成达到轨道高度的空间发射器中；

产生释放信号并将其发送至轨道运输航天器以从空间发射器释放轨道运输航天器；

在未能释放轨道运输航天器的情况下，或者在轨道运输航天器从空间发射器释放后发生故障的情况下，激活轨道运输航天器的安全子系统以生成POD激活序列以释放卫星。

优选地，激活安全子系统包括：确定表示自发生在轨道运输航天器与远程传输站之间的上次通信以来经过的时间的第一时间；将所述第一时间与指示最大等待时间的参考时间进行比较；当第一时间大于参考时间时，激活致动器构件以释放卫星。

优选地，激活致动器构件包括：打开POD的释放门，将所述释放门锁定在打开位置，在待释放的卫星上施加分离推力。

优选地，在激活致动器构件之后等待一段等待时间，并且激活另外的POD的致动器构件以释放另外的卫星。

优选地，所述轨道运输航天器的所述安全子系统包括：在所述轨道运输航天器上或在每个由所述轨道运输航天器上的电源供电的POD上的命令和控制单元。

优选地，所述激活序列由所述命令和控制单元实施。

优选地，所述命令和控制单元是完全自主的并且独立于轨道运输航天器的其他子系统。

优选地，所述卫星按照预定的释放模式被释放。

优选地，施加在每个卫星上的分离推力是根据卫星要到达的轨道来计算的。

优选地，所述电源是专用于命令和控制单元的电池，或者是与轨道运输航天器的卫星平台的子系统共享的电池，或者是光伏面板。

附图说明

参考附图并通过说明性和非限制性示例提供的本发明的一些优选实施例的详细描述将使本发明的进一步特征和优点变得更加清楚。在这些图纸中：

-图1示意性地示出了空间发射器；

-图2示意性地示出了轨道运输航天器；

-图3示意性地示出了图2的轨道运输航天器的第一组件；

-图4示出了图3的组件的细节；

-图5示意性地示出了图2的轨道运输航天器的第二组件；

-图6示意性地示出了图3的组件内部的卫星的布置；以及

-图7是根据本发明的方法的框图。

具体实施方式

在图1中，数字100表示能够围绕地球到达轨道高度的空间发射器。空间发射器100可以是具有垂直起飞类型的空间发射器，其能够从地球表面到达围绕地球的轨道，或者空间发射器100是从航空器释放的运载工具，其能够到达围绕地球的轨道。

优选地，到达的该轨道高度是低地球轨道(LEO)，即在距地球表面200公里至2000公里之间的地球大气层与范艾伦辐射带(VanAllen belt)之间的高度处围绕地球的圆形轨道。

空间发射器100包括推进系统101(例如化学推进剂)，控制和引导系统(未示出)以及用于有效载荷的容纳室102。

所述有效载荷可以例如包括主卫星103和多个次级卫星104。

至少一个轨道运输航天器1在容纳室102内找到储存空间并被容纳在容纳室102内。

轨道运输航天器1通过常规的轨道分离系统105连接到空间发射器100，轨道分离系统105配置成一旦空间发射器100达到预定轨道高度就以预定推力释放轨道运输航天器1。

优选地，所述轨道高度是适于释放主卫星103(即空间发射器100的主有效载荷)的高度。

轨道运输航天器1包括卫星平台2，该卫星平台2包含控制和管理卫星所必需的子系统。所述子系统(由于它们是常规的而未示出或未进一步描述)是冗余的，即它们被复制以增加其可靠性。

如图5示意性所示，卫星平台2还包括安全子系统21，该安全子系统21包括由电源4(例如，电池或光伏板)供电的命令和控制单元3，所述电源4优选地专用于命令和控制单元3。

命令和控制单元3包括能够在地球表面上发送信号的信号发射机5和能够从地球表面上接收信号的信号接收机6。

命令和控制单元3还包括计时器7和多个驱动电路板8，该驱动电路板8配置成生成驱动信号SP并将其发送至致动器构件15。

安全子系统21的所有设备都是冗余的，从而提高了子系统的可靠性。

卫星平台2还包括至少一个常规的推进系统9，该推进系统9配置成使轨道运输航天器1沿轨道运动或将轨道运输航天器1移至不同的轨道。推进系统9还配置成校正和/或改变轨道运输航天器1的姿态。

运输航天器1还包括机械接口10，轨道运输航天器1凭借机械接口10连接到空间发射器100。

轨道运输航天器1包括多个释放系统20。每个释放系统20包括POD(皮卫星轨道部署器)11，其内部容纳有一个或更多个卫星12。POD用作释放管道，具有存储、运输和释放卫星12的功能，该卫星12必须被放置在轨道上并且优选容纳在轨道运输航天器1的货物区12a中。

该POD11是模块化的并且彼此独立。举例来说，轨道运输航天器1能够运输各自为1个单位(由10×10×10cm的体积定义的1个立方体卫星单位)的48个立方体卫星，或者各自为3个单位的16个立方体卫星，或者各自为6个单位的8个立方体卫星，或者各自为12个单位的4个立方体卫星以及它们的混合配置。

图6示出了由轨道运输航天器1运输的立方体卫星的混合配置的示例，其中A1和C2代表各自为6个单位的立方体卫星，A3、A4，B1、B2，C1、D1，D3、D4分别代表1个单位的三个立方体卫星的排，B3代表12个单位的立方体卫星。

图3示出了多个POD 11，其中每个POD都能够容纳3个单位的立方体卫星。POD 11可以由安装在POD自身结构上的光伏面板11a供电。

如图4所示(该图4显示了用于运输和释放3个单位的立方体卫星的POD)，每个POD都配备有一个容纳壳体13、一个开口的门14和多个推进器构件16，推进器构件16施加预定的推力至多个立方体卫星以排出所运输的多个立方体卫星。

所述推进器构件16例如可以是根据释放时被施加至立方体卫星的推力而预加载的弹簧。

致动器构件15作用在每个POD 11上，并且特别是作用在开口的门14上和作用在推进器构件15上，如图4示意性所示。

POD 11互相并排布置以形成POD矩阵，其中所有开口的门14优选地以相同方向并且共面的放置，如图3所示。

轨道运输航天器1配备有插入在POD 11中、并且容纳在空间发射器100中的卫星12。

空间发射器100被放置在围绕地球的轨道上。空间发射器100所到达的轨道高度和位置例如是为释放主卫星103而特别规定的轨道高度和位置，该主卫星103代表空间发射器的最重要的有效载荷，并且太空任务主要是为该主卫星103构想的。

在没有遭遇问题的发射任务期间，轨道运输航天器1由空间发射器100释放。当施加能够从空间发射器100上移除轨道运输航天器1的分离推力至轨道运输航天器1时，该释放步骤发生。所述推力给了运输航天器1一个动力，所述动力根据当前规程和/或任务参数能够在几天(通常为2或3天)的时间内将轨道运输航天器1移入所到达的轨道。

然后，轨道运输航天器1按照预定的顺序释放被放置在选定轨道中的卫星12。

如果出于任何原因(例如由于运输航天器1的释放致动器发生故障，或者因为轨道运输航天器1的卫星平台2的子系统发生故障)，轨道运输航天器1没有被航天发射器100释放，则轨道运输航天器1的安全子系统21被激活以激活POD 11的激活序列。

如果运输航天器1被航天发射器100正确释放，但是随后出于任何原因而遭受了损害完成释放卫星12的任务的能力的故障，运输航天器1的安全子系统21也会激活POD 11的激活序列。

安全子系统21是独立的，并且与卫星平台2的其他子系统分离，因此卫星平台2的任何子系统中的故障都不会损害安全子系统21的操作。

如果轨道运输航天器1仍在空间发射器100中，则安全子系统21会生成POD 11的激活序列以释放卫星12。

特别地，如图7中示意性所示，计时器7产生信号ST1，该信号ST1表示自轨道运输航天器1与(例如，地球上的)远程传输站之间的上次通信以来经过的第一时间。如果轨道运输航天器1没有被空间发射器100释放(或者在被空间发射器100释放后发生故障)，并且因此(例如，由于卫星平台2的子系统出错)它没有向远程传输站发送任何信号，则丢失的信号表明轨道运输航天器1无法完成释放卫星12的任务。

由电源4供电的命令和控制单元3将信号ST1与指示参考最大等待时间的信号STR进行比较。

如果控制的结果是ST1>STR，则命令和控制单元3生成激活信号SA，并将其发送到POD11的驱动板8。

如果控制的结果是ST1<STR，则在预定时间段后再次执行该控制。

当驱动电路板8接收到激活信号SA时，它们生成驱动信号SP并将其发送至致动器构件15，致动器构件15从对应的POD 11释放预定的卫星12。

特别地，在接收到驱动信号SP时，致动器构件15作用在释放门14上以将其打开并将其保持在打开状态，并且作用在推进器构件15上，该推进器构件15向卫星12施加释放推力，从而移动卫星12远离轨道运输航天器1。由命令和控制单元3计算释放推力以及释放方向，以将卫星12引导至选定的轨道位置。

在经过了移动卫星12离开轨道运输航天器1和/或离开空间发射器100所必需的一定时间后，驱动电路板8产生附加的驱动信号SP，并且重复新卫星12的释放循环，如图7所示。

迭代地重复该循环，直到所有卫星12被释放。

以这种方式，即使轨道运输航天器1的释放失败或轨道运输航天器1从空间发射器100释放后发生故障，所有卫星12也将被正确地放置在轨道中。

显然，本领域技术人员为了满足特定的和可能发生的需要，可以在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的保护范围的情况下，对上述本发明进行多种修改和变型。

Claims (10)

1.用于在地球轨道中安全释放人造卫星的方法，包括：

提供一种能够在轨道高度移动的轨道运输航天器(1)，并且所述轨道运输航天器(1)包括用于释放由所述轨道运输航天器(1)运输的卫星(12)的多个POD(11)；

将所述轨道运输航天器(1)容纳在配置成达到轨道高度的空间发射器(100)中；

产生释放信号并将所述释放信号发送至所述轨道运输航天器(1)，以从所述空间发射器(100)释放所述轨道运输航天器(1)；

在未能释放所述轨道运输航天器(1)的情况下，或者在所述轨道运输航天器(1)从所述空间发射器(100)释放后发生故障的情况下，激活所述轨道运输航天器(1)的安全子系统(21)以生成POD(11)激活序列以释放所述卫星(12)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，激活安全子系统(21)包括：确定第一时间(ST1)，所述第一时间(ST1)表示自发生在所述轨道运输航天器(1)与远程传输站之间的上次通信以来所经过的时间；将所述第一时间(ST1)与指示最大等待时间的参考时间(STR)进行比较；当所述第一时间(ST1)大于所述参考时间(STR)时，激活致动器构件(15)以释放卫星(12)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，激活致动器构件(15)包括：打开POD(11)的释放门(14)，将所述释放门(14)锁定在打开位置，在待释放的所述卫星(12)上施加分离推力。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，在激活致动器构件(15)之后等待一段等待时间，并且激活另外的POD(11)的致动器构件(15)以释放另外的卫星(12)。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述轨道运输航天器(1)的所述安全子系统(21)包括：在所述轨道运输航天器(1)上或在每个由所述运输航天器(1)上的电源(4)供电的POD(11)上的命令和控制单元(3)。

6.根据权利要求2和5所述的方法，其中，所述激活序列由所述命令和控制单元(3)实施。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述命令和控制单元(3)是完全自主的并且独立于所述轨道运输航天器(1)的其他子系统。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述卫星(12)根据预定的释放模式被释放。

9.根据权利要求3或4所述的方法，其中，施加在每个卫星(12)上的释放推力是根据所述卫星(12)要到达的轨道来计算的。

10.根据权利要求5所述的方法，其中，所述电源(4)是专用于所述命令和控制单元(3)的电池，或者是与所述轨道运输航天器(1)的卫星平台(2)的子系统共享的电池，或者是光伏面板。

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