CN113247306A - 一种零害低耗在轨连续推射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种零害低耗在轨连续推射系统，该系统由卫星平台、推射装置和多个立方星组成。卫星平台携带推射装置和数十上百个立方星由地面发射入轨后在轨运行，推射装置通过二氧化碳相变膨胀做功连续将多个立方星推入飞向不同目标航天器的转移轨道，以完成在轨维修、在轨装配、空间碎片清除等多项在轨服务任务。本发明是一种新的绿色环保、安全高效的在轨发射方式，将大幅减少燃料消耗和有害物质排放，极大地促进航天活动中的节能减排。在轨连续推射这一在轨发射方式，将改变现有空间在轨服务的任务模式，对于国家空间设施维护、空间安全保障具有重大意义。
Description
技术领域
本发明涉及航天器总体设计技术领域，特别涉及一种零害低耗在轨连续推射系统。
背景技术
随着空间技术和航天事业的不断发展，在轨加注、在轨维修、碎片清除等空间在轨服务任务需求日益增长，给航天发射带来新的挑战。
单次发射完成单项空间任务的“一对一”模式燃耗大、成本高，且难以在较短时间内连续完成多项任务。
“一箭多星”模式和在轨发射模式(指在空间站、货运飞船、卫星等在轨平台上释放任务卫星入轨)，一定程度上节省了运载燃耗和成本。但是，任务卫星需要依靠推进系统(消耗推进剂等)进行轨道转移以完成预定的空间任务。
上述“一对一”、“一箭多星”和在轨发射模式不同程度上存在燃耗大、成本高和有害排放等问题。因此，亟须发展一种燃耗少、成本低、效率高、无害排放的新型在轨发射技术。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种零害低耗在轨连续推射系统。
为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：
一种零害低耗在轨连续推射系统，包括卫星平台、推射装置和多个立方星；
卫星平台用于携带推射装置和多个立方星由地面发射入轨后在轨运行；
推射装置用于存储多个立方星并为各立方星在轨发射提供动力，通过加热激发推射装置内的固态工质相变，受激发的固态工质瞬间膨胀，转化为高压气态工质，高压气态工质膨胀做功推射立方星，使其获得相应的速度增量；
各立方星通过推射装置施加的速度增量进入到飞向不同目标航天器的转移轨道，用于执行空间在轨服务任务。
优选地，本发明所述固态工质为固态二氧化碳，通过加热激发推射装置内的固态二氧化碳相变，受激发的固态二氧化碳瞬间膨胀，转化为高压气态二氧化碳，高压气态二氧化碳做功推射立方星，使其获得相应的速度增量后进入飞向目标航天器的转移轨道，以完成在轨维修、在轨装配等多项在轨服务任务。本发明能够有效解决已有发射方式燃耗大、成本高、有害排放等问题，提供了一种无害排放、安全可靠、成本低廉的在轨发射方式，为航天领域节能减排提供可行方案。
作为本发明的优选方案，所述推射装置包括工质储存器、伸缩管道、立方星轮转仓、推射滑轨和发射控制器；所述工质储存器包括工质储箱和加速室，工质储箱内设有多个独立的工质储存室，固态工质储存于各工质储存室中，各工质储存室内分别设有用于激发工质储存室内固态工质相变的电激发装置；各工质储存室的出口设置有储箱单向阀，通过储箱单向阀联通加速室，所述加速室的出口连接伸缩管道的入口端；所述立方星轮转仓包括立方星储存箱和轮转电机，立方星储存箱内设有多个独立的立方星储存室，每个立方星储存室内能够储存一个立方星，各立方星储存室内设有电磁铁，通过通电和断电来实现锁紧吸附和解锁立方星；所述轮转电机用于旋转立方星储存箱，使得其相应的立方星储存室的入口与伸缩管道的出口对接，立方星储存室的出口与推射滑轨的入口对接，推射滑轨用于增加推射立方星的作用距离；所述发射控制器包括轮转电机控制器和点火控制器，分别用于立方星轮转仓的旋转控制与工质储存室内电激发装置的激发控制。
作为本发明的优选方案，工质储箱外壁包裹有缓冲隔离层，用于保持工质储存温度以及减小推射时产生的反作用力。
作为本发明的优选方案，所述工质储存室内设置有温度传感器，用于实时监测工质温度；工质储箱内设有压力传感器，用于实时监测工质储箱内部压强。
进一步地，本发明所述立方星包括姿态控制系统、综合电子系统、通信系统、推进系统和有效载荷。立方星通过推射装置施加的速度增量进入到飞行不同目标的转移轨道，用于执行在轨加注、在轨维修、碎片清除等空间在轨服务任务。
进一步地，本发明所述卫星平台包括能源分系统、结构分系统、轨道控制分系统、姿态控制分系统和温度控制系统；所述卫星平台的能源分系统包括太阳能电池阵和蓄电池。
上述零害低耗在轨连续推射系统的推射方法，包括，
(1)卫星平台携带推射装置和多个立方星由地面发射进入预定的轨道；
(2)卫星平台的太阳能电池阵展开并开始工作，为卫星平台的各个仪器设备、实现固态工质相变激发的电激发装置和实现立方星轮转仓转动的轮转电机提供电能；
(3)卫星平台根据当前目标航天器的轨道位置调整自身姿态；
(4)控制一立方星储存室内的电磁铁断电，解锁立方星；
(5)轮转电机控制器控制轮转电机驱动立方星轮转仓转动，使完成立方星解锁的立方星储存室的入口与伸缩管道的出口对接，完成立方星解锁的立方星储存室的出口与推射滑轨的入口对接；
(6)控制一工质储存室内的电激发装置点火激发固态二氧化碳相变，固态二氧化碳瞬间膨胀，转化为高压气态二氧化碳；
(7)高压气态二氧化碳通过储箱单向阀后经加速室加速喷出，经伸缩管道推射立方星，立方星经由推射滑轨，以一定的速度进入到飞向不同目标航天器的转移轨道，用于执行空间在轨服务任务；
(8)返回步骤(3)，继续下一立方星的推射，直至当前目标航天器的数目为零或者当前待发射的立方星数目为零。
本发明是一种新的绿色环保、安全高效的在轨发射方式，将大幅减少燃料消耗和有害物质排放，极大地促进航天活动中的节能减排。在轨连续推射这一在轨发射方式，将改变现有空间在轨服务的任务模式，对于国家空间设施维护、空间安全保障具有重大意义。与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)二氧化碳相变推射是一种非燃烧(或分解)的物理推射技术，能量利用效率高；
(2)二氧化碳相变推射的排放物为二氧化碳，无毒无害，且没有产生新的二氧化碳；
(3)二氧化碳原料来源丰富，取材方便，成本低；
(4)二氧化碳安全性好，不燃烧、不爆炸，便于储存、运输和使用；
(5)任务立方星不需装配在轨二次发射变轨动力装置和所需工质，有利于小型化、轻量化和降低制造成本；
(6)采用二氧化碳相变推射方式，可连续精准推射多个立方星，大幅降低发射成本，提升空间在轨服务任务能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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它的附图。
图1是本发明一实施例中推射装置的结构示意图；
图中标号：
100、工质储存器；101、工质储箱；102、加速室；103、工质储存室；104、电激发装置；105、储箱单向阀；200、伸缩管道；201、限位环；300、立方星轮转仓；301、立方星储存箱；302、立方星储存室；303、转轴；400、推射滑轨；500、底座；600、支撑架。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步的说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参照图1，本实施例提供一种推射装置，该装置用于存储多个立方星并为各立方星在轨发射提供动力，通过加热激发推射装置内的固态工质相变，受激发的固态工质瞬间膨胀，转化为高压气态工质，高压气态工质膨胀做功推射立方星，使其获得相应的速度增量，其中固态工质为固态二氧化碳。
所述推射装置包括工质储存器100、伸缩管道200、立方星轮转仓300、推射滑轨400和发射控制器；所述伸缩管道200具有伸缩功能，其管道能够伸缩，用于连接工质储存器和立方星轮转仓。
所述工质储存器100包括工质储箱101和加速室102，工质储箱101内设有多个独立的工质储存室103，固态工质储存于各工质储存室103中，各工质储存室103内分别设有用于激发工质储存室103内固态工质相变的电激发装置104；各工质储存室103的出口设置有储箱单向阀105，通过储箱单向阀105联通加速室102，所述加速室102的出口连接伸缩管道200的入口端。其中所述储箱单向阀105由阀门出口、铜片以及压盖构成，用于控制固态二氧化碳相变后的气态二氧化碳的压强。其中伸缩管道200包括固定段和伸缩段，固定段采用固定管道，伸缩段采用可伸缩的伸缩管道。伸缩管道200靠近工质储存器100的一端的前段管道为固定管道，不具有伸缩功能，且伸缩管道200靠近工质储存器100的前段管道外侧设置有限位环201，通过限位环201隔离了工质储存器100和伸缩管道200的伸缩段，能够避免伸缩管道200伸缩时直接作用到工质储存器100上。
所述立方星轮转仓300包括立方星储存箱301和轮转电机(图中未示出)，立方星储存箱301内设有多个独立的立方星储存室302，每个立方星储存室302内能够储存一个立方星，各立方星储存室302内设有电磁铁，通过通电和断电来实现锁紧吸附和解锁立方星。本实施例中的立方星储存箱301中心设置有转轴303，多个立方星储存室302设置在转轴303外围，转轴303与轮转电机相连，由轮转电机驱动旋转。
所述立方星储存室302用于立方星的储存，立方星储存室302分为前后两段，其中前段能够与伸缩管道200对接，通过伸缩管道200实现与工质储存器100连接，后段管道用于储存立方星，立方星储存室302在立方星发射时可形成密闭气道。
所述轮转电机用于旋转立方星储存箱301，所述轮转电机与立方星储存箱301中心的转轴303相连，为其轮转提供转动力矩。通过轮转电机驱动立方星储存箱301旋转，使得其相应的立方星储存室302的入口与伸缩管道200的出口对接，立方星储存室302的出口与推射滑轨400的入口对接，推射滑轨400用于增加推射立方星的作用距离。
所述发射控制器包括轮转电机控制器和点火控制器，分别用于立方星轮转仓的旋转控制与工质储存室内电激发装置的激发控制。电激发装置104为电热丝，点火控制器通过给电热丝通电，激发工质储存室内固态二氧化碳相变，固态二氧化碳瞬间膨胀，转化为高压气态二氧化碳。
工质储箱101外壁包裹有缓冲隔离层，用于保持工质储存温度以及减小推射时产生的反作用力；所述工质储存室103内设置有温度传感器，用于实时监测工质温度；工质储箱101的加速室102内设有压力传感器，用于实时监测工质储箱内部压强。
本实施例中还包括支撑机构，包括用于安装并支撑质储存器100的底座500以及用于伸缩管道200、推射滑轨400支撑的支撑架600，图1中给出的仅仅是示意简图，在实际应用中可以根据具体结构情况设计不同的支撑机构，实现对工质储存器100、伸缩管道200、立方星轮转仓300、推射滑轨400和发射控制器的支撑和安装。
本发明一实施例提供一种零害低耗在轨连续推射系统，包括卫星平台、推射装置和多个立方星；
卫星平台用于携带推射装置和多个立方星由地面发射入轨后在轨运行；
所述推射装置为图1所示实施例中所提供的推射装置，该推射装置用于存储多个立方星并为各立方星在轨发射提供动力，通过加热激发推射装置内的固态二氧化碳相变，受激发的固态二氧化碳瞬间膨胀，转化为高压气态二氧化碳，高压气态二氧化碳做功推射立方星，使其获得相应的速度增量；
各立方星通过推射装置施加的速度增量进入到飞向不同目标航天器的转移轨道，用于执行空间在轨服务任务。
所述卫星平台主要包括能源分系统、结构分系统、轨道控制分系统、姿态控制分系统和温度控制系统等。所述卫星平台携带推射装置和多个立方星，由地面发射入轨后在轨运行。所述卫星平台的能源分系统包括太阳能电池阵和蓄电池。
所述推射装置的结构在前面已经详细描述，在此不再赘述。
所述立方星体积为10U、重量为10kg，主要由姿态控制系统、综合电子系统、通信系统、推进系统和有效载荷组成，立方星通过推射装置施加的速度增量进入到飞行不同目标的转移轨道，用于执行在轨加注、在轨维修、碎片清除等空间在轨服务任务。
以清除低轨空间碎片为例，上述零害低耗在轨连续推射系统的在轨连续推射方法，包括，
(1)卫星平台携带推射装置和多个立方星由地面发射进入预定的轨道，如进入600km高度的轨道；
(2)卫星平台的太阳能电池阵展开并开始工作，为卫星平台的各个仪器设备、实现固态工质相变激发的电激发装置和实现立方星轮转仓转动的轮转电机提供电能；
(3)卫星平台根据当前目标航天器的轨道位置调整自身姿态；
(4)控制一立方星储存室内的电磁铁断电，解锁立方星；
(5)轮转电机控制器控制轮转电机驱动立方星轮转仓转动，使完成立方星解锁的立方星储存室的入口与伸缩管道的出口对接，完成立方星解锁的立方星储存室的出口与推射滑轨的入口对接；
(6)点火控制器通过给一工质储存室内的电热丝通电，激发该工质储存室内的固态二氧化碳相变，固态二氧化碳瞬间膨胀，转化为高压气态二氧化碳；
(7)高压气态二氧化碳通过储箱单向阀后经加速室加速喷出，经伸缩管道推射立方星，立方星经由推射滑轨，以一定的速度进入到飞向不同目标空间碎片的转移轨道，用于执行清除低轨空间碎片的任务；
(8)返回步骤(3)，继续下一立方星的推射，直至当前目标航天器的数目为零或者当前待发射的立方星数目为零。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种零害低耗在轨连续推射系统，其特征在于，包括卫星平台、推射装置和多个立方星；
卫星平台用于携带推射装置和多个立方星由地面发射入轨后在轨运行；
推射装置用于存储多个立方星并为各立方星在轨发射提供动力，通过加热激发推射装置内的固态工质相变，受激发的固态工质瞬间膨胀，转化为高压气态工质，高压气态工质膨胀做功推射立方星，使其获得相应的速度增量；
各立方星通过推射装置施加的速度增量进入到飞向不同目标航天器的转移轨道，用于执行多个不同的空间在轨服务任务。
2.根据权利要求1所述的零害低耗在轨连续推射系统，其特征在于，所述固态工质为固态二氧化碳。
3.根据权利要求2所述的零害低耗在轨连续推射系统，其特征在于，所述推射装置包括工质储存器、伸缩管道、立方星轮转仓、推射滑轨和发射控制器；所述工质储存器包括工质储箱和加速室，工质储箱内设有多个独立的工质储存室，固态工质储存于各工质储存室中，各工质储存室内分别设有用于激发工质储存室内固态工质相变的电激发装置；各工质储存室的出口设置有储箱单向阀，通过储箱单向阀联通加速室，所述加速室的出口连接伸缩管道的入口端；所述立方星轮转仓包括立方星储存箱和轮转电机，立方星储存箱内设有多个独立的立方星储存室，每个立方星储存室内储存一个立方星，各立方星储存室内设有电磁铁，通过通电和断电来实现锁紧吸附和解锁立方星；所述轮转电机用于旋转立方星储存箱，将相应立方星储存室的入口与伸缩管道的出口对接，立方星储存室的出口与推射滑轨的入口对接，推射滑轨用于增加推射立方星的作用距离；所述发射控制器包括轮转电机控制器和点火控制器，分别用于立方星轮转仓的旋转控制与工质储存室内电激发装置的激发控制。
4.根据权利要求3所述的零害低耗在轨连续推射系统，其特征在于，工质储箱外壁包裹有缓冲隔离层，用于保持工质储存温度以及减小推射时产生的反作用力。
5.根据权利要求3所述的零害低耗在轨连续推射系统，其特征在于，所述工质储存室内设置有温度传感器，用于实时监测工质温度；工质储箱内设有压力传感器，用于实时监测工质储箱内部压强。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的零害低耗在轨连续推射系统，其特征在于，所述立方星包括姿态控制系统、综合电子系统、通信系统、推进系统和有效载荷。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的零害低耗在轨连续推射系统，其特征在于，所述卫星平台包括能源分系统、结构分系统、轨道控制分系统、姿态控制分系统和温度控制系统；所述卫星平台的能源分系统包括太阳能电池阵和蓄电池。
8.一种推射装置，其特征在于：该装置用于存储多个立方星并为各立方星在轨发射提供动力，通过加热激发推射装置内的固态工质相变，受激发的固态工质瞬间膨胀，转化为高压气态工质，高压气态工质膨胀做功推射立方星，使其获得相应的速度增量，其中固态工质为固态二氧化碳。
9.根据权利要求8所述的推射装置，其特征在于：所述推射装置包括工质储存器、伸缩管道、立方星轮转仓、推射滑轨和发射控制器；所述工质储存器包括工质储箱和加速室，工质储箱内设有多个独立的工质储存室，固态工质储存于各工质储存室中，各工质储存室内分别设有用于激发工质储存室内固态工质相变的电激发装置；各工质储存室的出口设置有储箱单向阀，通过储箱单向阀联通加速室，所述加速室的出口连接伸缩管道的入口端；所述立方星轮转仓包括立方星储存箱和轮转电机，立方星储存箱内设有多个独立的立方星储存室，每个立方星储存室内储存一个立方星，各立方星储存室内设有电磁铁，通过通电和断电来实现锁紧吸附和解锁立方星；所述轮转电机用于旋转立方星储存箱，将相应立方星储存室的入口与伸缩管道的出口对接，立方星储存室的出口与推射滑轨的入口对接，推射滑轨用于增加推射立方星的作用距离；所述发射控制器包括轮转电机控制器和点火控制器，分别用于立方星轮转仓的旋转控制与工质储存室内电激发装置的激发控制。
10.根据权利要求9所述的推射装置，其特征在于，工质储箱外壁包裹有缓冲隔离层，用于保持工质储存温度以及减小推射时产生的反作用力；所述工质储存室内设置有温度传感器，用于实时监测工质温度；工质储箱内设有压力传感器，用于实时监测工质储箱内部压强。
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