CN111452999A - 一种适于空间站气体资源循环补给的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种适于空间站气体资源循环补给的装置及方法，所述补给装置包括：货运飞船的推进舱，推进舱的一端密封连接吸气口，推进舱的另一端密封连接喷气口，推进舱内部中央沿轴向设置有收集与推进通道，并且收集与推进通道的两端分别与吸气口和喷气口密封连接，收集与推进通道的外侧设置有约束磁场，收集与推进通道侧壁开口，开口通过管路密封连接抽气机的进口端，抽气机的出口端密封连接贮箱，用于存贮收集的气体。本申请利用了货运飞船自身结构，避免了货运飞船返回时烧毁的资源浪费，减少了单独制造和发射补给飞行器的成本，完成空间站气体资源补给。
Description
技术领域
本发明一般涉及航天器电推进技术领域，具体涉及一种适于空间站气体资源循环补给的装置及方法。
背景技术
载人空间站的正常运行，需要从地面发射货运飞船定期补给氧气、燃料、食品和仪器等资源，但补给成本高昂。利用补给飞行器向空间站补给氧气和燃料，将有利于降低空间站资源补充需求。吸气式电推进作为在轨资源补给飞行器的核心技术，将带来巨大的经济效益。
针对吸气式推进技术的研究，国外相关研究机构，以美国、欧洲和日本为代表，开展了基于离子推进的吸气式推进器研究，取得初步的结果。然而，目前还没有公开的利用吸气推进作为资源收集和空间站补给的方法。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种适于空间站气体资源循环补给的装置及方法，空间站气体资源的补给需求，节省资源补给成本。
第一方面，本发明的一种适于空间站气体资源循环补给的装置，包括：货运飞船的推进舱，推进舱的一端密封连接吸气口，推进舱的另一端密封连接喷气口，推进舱内部中央沿轴向设置有收集与推进通道，并且收集与推进通道的两端分别与吸气口和喷气口密封连接，收集与推进通道的外部设置有约束磁场，收集与推进通道侧壁开口，开口通过管路密封连接抽气机的进口端，抽气机的出口端密封连接贮箱，用于存贮收集的气体。
优选地，收集与推进通道外部还设置有射频天线。
优选地，吸气口和喷气口一端均沿径向收缩，收缩端均与收集与推进通道密封连接，吸气口的另一端位于推进舱运动方向的前端，喷气口的另一端位于推进舱运动方向的后端。
优选地，约束磁场由电磁线圈组成，电磁线圈缠绕在收集与推进通道的外侧壁，且分布在收集与推进通道两端。
优选地，射频天线位于靠近收集与推进通道前端的电磁线圈之后。
优选地，开口靠近吸气口的收缩端。
第二方面，一种适于空间站气体资源循环补给的方法，采用第一方面的装置，具体包括：
S10、控制推进舱进入资源收集轨道；
S20、推进舱自主进行气体收集；
S30、当气体量达到阈值后，控制推进舱从资源收集轨道升轨至空间站运行轨道，与空间站对接进行气体资源补给；
S40，当完成气体资源补给后，重复执行S10至S30的过程，实现空间站气体资源循环补给。
进一步地，推进舱自主进行气体收集包括：
气体被压缩从吸气口进入伸缩收集与推进通道，约束磁场将气体气体电离后一部分经过抽气机收集进贮箱，剩余部分气体经过下游射频天线加速后从喷气口喷出。
本申请的一种适于空间站气体资源循环补给的装置及方法，利用货运飞船自身机构，通过在货运飞船的推进舱上增加了吸气口、约束磁场、压缩通道以及喷气口，使得货运飞船能够完成吸气推进的功能，从而实现空间站气体资源补给。利用了货运飞船自身结构，避免了货运飞船返回时烧毁的资源浪费，减少了单独制造和发射补给飞行器的成本，完成空间站气体资源补给。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的一种适于空间站气体资源循环补给的装置的一个实施例的结构示意图；
图2为本发明的一种适于空间站气体资源循环补给的方法一个实施例的流程图；
图3为本发明的补给方法的一个实施例中空间站与货运飞船对接的示意图；
图4为本发明的补给方法的一个实施例中货运飞船的货运舱与补给飞行器分离的示意图；
图5为本发明的补给方法的一个实施例中货运飞船的降轨至资源收集轨道的示意图；
图6为本发明的补给方法的一个实施例中补给飞行器进行气体收集的示意图；
图7为本发明的补给方法的一个实施例中补给飞行器升轨至空间站运行轨道进行气体补给的示意图。
图中，1.吸气口，2.推进舱，3.喷气口，4.收集与推进通道，5.抽气机，6.贮箱，7.约束磁场，8.射频天线，9.空间站，10.货运飞船，10-1.货物舱，10-2.补给飞行器，11.运行轨道，12.资源收集轨道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
载人空间站的正常运行，需要从地面发射货运飞船定期补给氧气、燃料、食品和仪器等资源，补给成本高昂。随着吸气推进技术的发展，本申请旨在利用轨道环境中的大气作为工质，经过收集、电离、加速，能够使得飞行器维持在特定轨道并持续收集大气，但是，单独研制资源补给飞行器成本较高，因此本申请提供一种基于货运飞船的吸气式电推进空间站气体资源装置。
本申请提供的一种适于空间站气体资源循环补给的装置的一个实施例，如图1所示，包括：
货运飞船的推进舱2，推进舱2的一端密封连接吸气口1，推进舱2的另一端密封连接喷气口3，推进舱内部中央沿轴向设置有收集与推进通道4，并且所述收集与推进4的两端分别与吸气口1和喷气口3密封连接，收集与推进通道4的外侧设置有约束磁场，收集与推进通道4侧壁开口，开口通过管路密封连接抽气机5的进气端，运行方向的前端密封连接吸气口1，推进舱2的运行方向的后端密封连接喷气口3，抽气机5的出口端密封连接贮箱6，用于存贮收集的气体。
收集与推进通道4外部还设置有射频天线8，射频天线8位于约束磁场7的磁场方向下游。
需要说明的是，
本实施例中，可以理解为，吸气口1和喷气口3分别位于推进舱2的运行方向的前端和后端。轨道气体被压缩通过吸气口1进入收集与推进通道4，在约束磁场7的作用下，电离后的气体一部分被压缩，在抽气机5的作用下收集进贮箱6，另外一部分气体随着磁场反向漂移运动，在磁场方向下游的射频天线8处被进一步电离加速，经由喷气口3喷出，形成具有推进力的电推进羽流，维持气体资源补给飞行器的低轨飞行。
在本实施例中，通过对货运飞船的推进舱进行改进设计，货运飞船包括货物舱和补给飞行器，补给飞行器的主体结构是货运飞船将货物舱分离后剩余的推进舱。通过在推进舱上设计吸气口、喷气口、收集与推进通道、约束磁场、抽气机、贮箱以及射频天线，推进舱能够完成吸气推进的功能，在气体收集过程该货运飞船的推进舱进行升轨操作，到达空间站轨道，并与之对接，完成气体供给过程。
当气体资源补给完成后，推进舱降轨至资源收集轨道，开展气体资源的收集工作，待气体收集完成后，重复升轨补给的过程，以此循环。
本实施例的充分利用货运飞船自身结构，避免货运飞船返回时烧毁的资源浪费，结合螺旋波电推进的工质广谱性，将吸气式螺旋波电推进器集成于推进舱，在超低轨道附近进行资源收集任务，减少单独制造和发射补给飞行器的成本，完成空间站气体资源补给的需求。
在一些实施方式中，吸气口1一端沿径向收缩，收缩端和收集与推进通道2的一端密封连接。扩张部位于推进舱运动方向的前端，吸气口1的扩张部位于外部，扩张的形式有利于收集气体，提高气体收集效率。
同样地，喷气口3一端沿着径向收缩，收缩端和收集与推进通道2的一端密封连接。扩张部位于推进舱运动方向的后端，喷气口3的扩张部位于外部，扩张的形式有利于气体扩散，形成具有推力的电推进羽流。
作为优选的实施方式，约束磁场7由电磁线圈组成，电磁线圈缠绕在收集与推进通道的外侧壁，且分布在收集与推进通道两端。位于两端的电磁线圈产生梯度磁场，在磁场的作用下，气体电离压缩。
在其他的实施方式中，射频天线8位于收集与推进通道4前端的电磁线圈之后。此处的收集与通道前端指的是推进舱运动方向的前端。
为了能够充分的收集气体资源，开口靠近吸气口1的收缩端，即就是，抽气机5和收集与推进通道4的连接位置位于吸气口1的收缩端之后。
综上所述，本申请的一种适于空间站气体资源循环补给的装置，将货运飞船的推进舱进行改进设计，使得推进舱在磁场的作用下能够收集气体，一部分气体收集贮存用于补给空间站，另一部分气体在射频天线的加速下通过喷气口喷出，产生推进力，完成推进功能。本申请的补给装置结构简单，最大限度的利用货运飞船，避免了货运飞船直接坠入大气层烧毁和单独发射资源补给飞行器的巨大成本。同时，本申请相较于传统吸气式电推进具有寿命长的优势。
第二方面，本申请提供的一种适于空间站气体资源循环补给的方法，采用第一方面的一种空间站资源补给装置，如图2所示，具体包括：
S10，控制推进舱进入资源收集轨道；
S20，推进舱自主进行气体收集；
S30，当气体量达到阈值后，控制推进舱从资源收集轨道升轨至空间站运行轨道，与空间站对接并进行气体资源补给；
S40，当完成气体资源补给后，重复执行所述S10至S30的过程，实现空间站气体资源循环补给。
具体来说：
在货运飞船发射进入太空，如图3所示，在货运飞船10的推进舱进行适应性集成后跟随货运飞船被发射入轨至空间站运行轨道11并与空间站9交汇对接，对接后，货运飞船10从地面携带的资源交付予空间站9；如图4所示，地面控制中心控制货运飞船10与空间站9分离，同时货运飞船上用来货物运输的货物舱10-1与后段的补给飞行器10-2(货运飞船的推进舱)分离，如图5-图7所示，基于货运飞船的空间站气体资源补给方法具体如下：
地面控制中心通过姿态控制推进舱进入资源收集轨道开展气体收集工作；
推进舱在资源收集轨道自主收集气体和提供推力，收集气体量达到一定阈值后，此处的阈值不做限定，根据推进舱的能力进行设定，本实施例中是200kg，推进舱转入升轨补给阶段；
推进舱利用自身收集的气体进行升轨操作，从资源收集轨道提升至空间站运行轨道，与空间站对接并完成气体资源补给；
完成对空间站的资源补给后，转入资源收集阶段，进入资源收集轨道进行气体收集工作，重复上述的工作流程，即可对空间站气体资源进行循环补给。
综上所述，本申请的一种适于空间站气体资源循环补给的装置及方法，充分利用货运飞船推进舱，避免货运飞船返回时烧毁的资源浪费，结合螺旋波电推进的工质广谱性，将吸气式螺旋波电推进器集成于推进舱，在超低轨道附近进行资源收集任务，减少单独制造和发射补给飞行器的成本，完成空间站气体资源补给的需求。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (8)
1.一种适于空间站气体资源循环补给的装置，其特征在于，包括：货运飞船的推进舱，所述推进舱的一端密封连接吸气口，所述推进舱的另一端密封连接喷气口，所述推进舱内部中央沿轴向设置有收集与推进通道，并且所述收集与推进通道的两端分别与所述吸气口和所述喷气口密封连接，所述收集与推进通道的外侧设置有约束磁场，所述收集与推进通道侧壁开口，所述开口通过管路密封连接抽气机的进口端，所述抽气机的出口端密封连接贮箱，用于存贮收集的气体。
2.根据权利要求1所述的一种适于空间站气体资源循环补给的装置，其特征在于，所述收集与推进通道外部还设置有射频天线。
3.根据权利要求1所述的一种适于空间站气体资源循环补给的装置，其特征在于，所述吸气口和所述喷气口的一端均沿径向收缩，所述收缩端均与所述收集与推进通道密封连接，所述吸气口的另一端位于所述推进舱运动方向的前端，所述喷气口的另一端位于所述推进舱运动方向的后端。
4.根据权利要求1所述的一种适于空间站气体资源循环补给的装置，其特征在于，所述约束磁场由电磁线圈组成，所述电磁线圈缠绕在所述收集与推进通道的外侧壁，且分布在靠近所述收集与推进通道两端的位置。
5.根据权利要求2所述的一种适于空间站气体资源循环补给的装置，其特征在于，所述射频天线位于靠近所述收集与推进通道前端的所述电磁线圈之后。
6.根据权利要求3所述的一种适于空间站气体资源循环补给的装置，其特征在于，所述开口靠近所述吸气口的收缩端。
7.一种适于空间站气体资源循环补给的方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的装置，具体包括：
S10，控制推进舱进入资源收集轨道；
S20，推进舱自主进行气体收集；
S30，当气体量达到阈值后，控制推进舱从资源收集轨道升轨至空间站运行轨道，与空间站对接并进行气体资源补给；
S40，当完成气体资源补给后，重复执行所述S10至S30的过程，实现空间站气体资源循环补给。
8.根据权利要求7所述的一种适于空间站气体资源循环补给的方法，其特征在于，所述推进舱自主进行气体收集包括：
气体被压缩从所述吸气口进入伸缩收集与推进通道，所述约束磁场将气体气体电离后一部分经过所述抽气机收集进所述贮箱，剩余气体经过下游所述射频天线加速后从所述喷气口喷出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200728 |