CN113401850A - 一种采用激光供电的爬绳式太空提升系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用激光供电的爬绳式太空提升系统，空间站激光器设置在空间站外部，空间站内部设有空间站夹紧装置，地球赤道上设置地面激光器和地面夹紧装置，太空缆绳一端与地面夹紧装置连接，另一端穿过提升舱后与空间站夹紧装置连接；本发明只需要一根太空缆绳，在提升舱内安装滚轮驱动装置，能够利用滚轮与太空缆绳之间的摩擦力进行驱动，无需借助外力；气压装置具有保护作用，若系统出现故障，弹簧作用力则会使滚轮驱动装置压紧太空缆绳，防止坠落；提升系统采用激光供电，可以减少实体电缆的铺设，整体结构会更加可靠；空间站激光器的能量来自于空间站的太阳能电池板，可以更加充分的利用太空中的能量。

Description

一种采用激光供电的爬绳式太空提升系统

技术领域

本发明涉及一种太空提升系统，具体涉及一种采用激光供电的爬绳式太空提升系统。

背景技术

随着社会进步和科学技术的发展，人类社会不断增长的能源需求和地球有限资源之间的矛盾不断加大，迫使人类开始探索新的能源。由于太空中具有大量的矿产资源，因此人类开始将目光投向太空，寻求开发太空中的矿产资源来使用。当航天器运载着从其他星球开采来的矿产资源返回地球时，如果直接通过地球大气层返回地面，这样对航天器的损害很大，而且运输成本很高。如果能有一种在地面和空间站之间经济高效的运输方式，运载资源的航天器便不用穿越大气层返回地球，可以直接将运载的资源通过空间站运回地球表面。这样既减少了航天器的损耗，也大大提升了资源运输的效率。现有在地球和太空之间的主要运输方式为运载火箭和航天飞机，运载火箭一般属于一次性使用运载系统，执行完任务后，运载火箭被抛弃，成本很高。航天飞机是美国最先研制的一种可重复使用运载工具，但是航天飞机的发展历程最终证明了这种运输方式虽然用途广泛，且可重复使用，但其成本实在太高，而且风险很大。因此，寻找一种真正具备低成本、高可靠性和完全可重复使用等特点，能够进入太空的运输方式成为迫切需求。设想如果可以在宇宙空间内建造超长的太空电梯，便可以将从太空中开采的资源运回地球或将货物运送到空间站，且能够大大节省人类太空探索的成本，甚至还可以利用太空电梯运送游客，发展太空旅游业，带来一系列经济效应。

由于地球至空间站距离过远，不同高度的地球引力和离心力之间的变化对连接地球和空间站的太空缆绳提出了极高的挑战，现有的钢丝绳等常规材料均无法满足太空缆绳的强度要求。20世纪90年代以来，碳纳米管（CNT）材料的出现使得制造一种能够连接地球和空间站的高强度太空缆绳成为可能。碳纳米管材料与钢丝绳材料相比，具有超高的强度和极佳的韧性，其抗拉强度是钢的100倍以上，而密度却只有钢的1/6左右，已经被科学家证明其是目前唯一一种能够从月球垂到地球而不会被自重拉断的超高强度材料，成为制造太空缆绳材料的不二选择。

在太空提升系统的能源供给方面，首选太阳能供电，但是其能量密度有限，不能满足大功率提升系统的供电需求。未来，高强度激光供电将可能成为太空能源供给的可行途径之一。由于激光具有方向性强、能量集中、传输距离远等特点，能够有效应用于长距离能量传输。未来随着大功率激光发射器、高效率光电转换电池技术的发展，预期将能够有效解决太空电梯的能源供给问题。

在太空提升系统的驱动方式方面，现有提升机的驱动系统主要有缠绕式提升和摩擦式提升两种方式。若使用缠绕式提升方式来作为太空提升方案，会因提升距离太远致使提升机滚筒直径太大，提升机无法在空间站布置，不具备可行性。若选用摩擦式提升方式，则会需要多根缆绳，提升系统成本太高，且结构复杂。为此，本发明提出采用提升舱摩擦爬绳自驱动，只需要一根缆绳，结构简单且成本经济。

目前，已有人提出一些太空电梯方案，但大都只是太空提升系统的一部分，对于完整的太空提升系统的设计方案还比较少见。例如，检索发现，申请号为202010871695.6中国专利公开的是一种太空电梯安全缓降装置，申请号为202011355279.7中国专利公开的是一种用于高速大负载运输的太空天梯攀爬机器人，均只涉及太空提升系统的某一部分而非整体；申请号为200510127346.9中国专利公开的一种气顶式太空电梯运输方式，该方式在理想状态下虽是一个可以实施的太空提升方式，但该技术对管道的密封性要求较高，难以具备可行性。因此，设计一个能够连接太空和地球的合理运输方式，对发展太空资源开发和利用具有重要意义。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种采用激光供电的爬绳式太空提升系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种采用激光供电的爬绳式太空提升系统，包括空间站，空间站外侧面设有太阳能电池板，还包括配重空间站、太空缆绳、提升舱、空间站激光器和地面激光器；空间站位于地球同步轨道上，空间站激光器设置在空间站外部，空间站内部设有空间站控制器、空间站控制发射机、空间站电源管理装置和空间站夹紧装置，空间站控制器与空间站激光器连接，空间站控制发射机穿过空间站与空间站激光器连接，空间站电源管理装置与空间站激光器、空间站控制发射机连接；配重空间站与空间站连接；在地球赤道上设置供电室、地面激光器、地面控制发射机、地面控制室和地面夹紧装置，地面激光器设置在地面控制发射机上并与供电室连接，地面控制室与控制地面控制发射机连接；太空缆绳一端与地面夹紧装置连接，另一端穿过提升舱后与空间站夹紧装置连接，提升舱内部设有抱紧装置，提升舱通过抱紧装置与太空缆绳连接，提升舱的侧面设有激光电池板。

进一步的，所述的提升舱顶面设有无线信号收发器；提升舱由中间向两边依次分为驱动舱和装载舱，驱动舱内设有抱紧装置、提升舱控制器、提升舱电源管理装置、空气压缩机和气罐；激光电池板与提升舱电源管理装置连接，无线信号收发器与提升舱控制器连接，提升舱控制器与空间站控制器连接；空气压缩机和气罐连接。

进一步的，所述抱紧装置包括气压装置、滚轮驱动装置和转矩转速传感器，气压装置由气缸、活塞杆和弹簧组成，弹簧套在活塞杆上，滚轮驱动装置设置在活塞杆外侧的端部，转矩转速传感器设置在滚轮驱动装置上；驱动舱两边纵向间隔对称设有多组抱紧装置，太空缆绳位于左右多组抱紧装置之间；气压装置、转矩转速传感器均与提升舱控制器连接，滚轮驱动装置与提升舱电源管理装置连接，空气压缩机与气压装置连接。

进一步的，所述的太空缆绳由碳纳米管缠绕而成。

进一步的，所述配重空间站位于同步轨道远地侧的轴线上，通过碳纳米管绳和空间站连接。

与现有技术相比，本发明只需要一根太空缆绳，在提升舱内安装滚轮驱动装置，能够利用滚轮与太空缆绳之间的摩擦力进行驱动，无需借助外力，经济实用，可靠性高；气压装置具有保护作用，若系统出现故障，弹簧作用力则会使滚轮驱动装置压紧太空缆绳，防止坠落；提升系统采用激光供电，通过提升舱两侧的激光电池板来接收地面激光器和空间站激光器的能量，可以减少实体电缆的铺设，整体结构会更加可靠，而且空间站激光器的能量来自于空间站的太阳能电池板，可以更加充分的利用太空中的能量。

附图说明

图1为本发明的整体结构布置图

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明的提升舱剖视图；

图4为本发明抱紧装置结构示意图；

图中：1、提升舱；101、驱动舱；102、装载舱；103、激光电池板；104、滚轮驱动装置；105、提升舱控制器；106、提升舱电源管理装置；107、气压装置；1071、弹簧；1072、气缸；1073、活塞杆；108、提升舱舱门；109、转矩转速传感器；110、无线信号收发器；111空气压缩机；112气罐；2、太空缆绳；3、空间站；301、太阳能电池板；302、空间站控制器；303、空间站激光器；304、空间站控制发射机；305、空间站电源管理装置；306、空间站夹紧装置；4、配重空间站；5、供电室；6、地面激光器；7、地面控制发射机；8、地面控制室；9、地面夹紧装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：如图1和图2所示，包括空间站3，空间站3外侧面设有太阳能电池板301，还包括配重空间站4、太空缆绳2、提升舱1、空间站激光器303和地面激光器6。

空间站3位于地球同步轨道上，空间站激光器303通过设置在空间站3外部，空间站3内部设有空间站控制器302、空间站控制发射机304、空间站电源管理装置305和空间站夹紧装置306，空间站控制器302与空间站激光器303连接，空间站控制发射机304穿过空间站3与空间站激光器303连接，空间站控制发射机304可以调节空间站激光器303的发射方向，使得激光能够照准确的射在激光电池板103上，空间站电源管理装置305与空间站激光器303、空间站控制发射机304连接；配重空间站4位于同步轨道远地侧的轴线上，通过碳纳米管绳和空间站3连接；配重空间站4可以平衡整个太空电梯系统的重心，使其重心位于地球同步轨道上。

在地球赤道上设置供电室5、地面激光器6、地面控制发射机7、地面控制室8和地面夹紧装置9，地面激光器6设置在地面控制发射机7上并与供电室5连接，供电室5为二者供电，地面控制发射机7可以调节地面激光器6的发射方向，使地面激光器6射出的激光能够准确地射向提升舱两侧的激光电池板103上，提高传输效率，地面控制室8与控制地面控制发射机7连接以调整地面激光器6方向。

太空缆绳2一端与地面夹紧装置9连接，另一端穿过提升舱1后与空间站夹紧装置306连接，提升舱1通过抱紧装置与太空缆绳2连接，如图3所示，提升舱1的侧面设有激光电池板103，用来接收地面激光器6和空间站激光器303传递的能量；提升舱1顶面设有无线信号收发器110，用来接收控制指令传输信号；提升舱1由内外两部分组成，由中间向两边依次分为驱动舱101和装载舱102，装载舱102为两层结构，上层能够运输人员，下层能够装载物料；驱动舱101内设有抱紧装置、提升舱控制器105、提升舱电源管理装置106、空气压缩机111和气罐112；激光电池板103与提升舱电源管理装置106连接，无线信号收发器110与提升舱控制器105连接，提升舱控制器105与空间站控制器302连接，空气压缩机111和气罐112连接；如图4所示，抱紧装置包括气压装置107、滚轮驱动装置104和转矩转速传感器109，气压装置107由气缸1072、活塞杆1073和弹簧1071组成，弹簧1071套在活塞杆1073上，滚轮驱动装置104设置在活塞杆1073外侧的端部，转矩转速传感器109设置在滚轮驱动装置104上，用于实时监测滚轮驱动装置104的运行速度与负载大小并将信号传递给提升舱控制器105，通过提升舱控制器105的内部模块进行积分运算可以实时监测提升舱1的运行距离；驱动舱101两边纵向间隔对称设有多组抱紧装置，太空缆绳2位于左右多组抱紧装置之间；气压装置107、转矩转速传感器109均与提升舱控制器105连接，滚轮驱动装置104与提升舱电源管理装置106连接，空气压缩机111与气压装置107连接，为气压装置107提供所需压缩空气；太空缆绳2从驱动舱101穿过，通过气压装置107的伸缩控制滚轮驱动装置104和太空缆绳2之间的距离，从而调节两者之间的压力；气压装置107初始状态是通过弹簧1071的力使滚轮驱动装置104压紧太空缆绳2，从而固定提升舱1。当提升舱1需要运行时，气缸1072带动活塞杆1073的移动，调节和太空缆绳2间的压紧力，通过摩擦力使提升舱1运行。

升降过程：地面上的控制室8发出指令给供电室5和提升舱控制器105，供电室5给地面激光器6和地面控制发射机7供电，地面激光器6开始运行。激光电池板103接收到地面激光器6传输的能量，并由提升舱电源管理装置106收集管理。提升舱1顶部的无线信号收发器110接收到地面控制室8的指令后，并将指令传输给提升舱控制器105。提升舱控制器105控制气压装置107调节滚轮驱动装置104和太空缆绳2间的距离，提升舱电源管理装置106为滚轮驱动装置104供电，提升舱1开始爬升。滚轮驱动装置104上设有转矩转速传感器109实时监测滚轮驱动装置104的运行速度与负载大小并将信号传递给提升舱控制器105，通过提升舱控制器105的内部模块进行积分运算可以实时监测提升舱1的爬升距离，并将距离信号传输给空间站控制器302。当提升舱1运行至远地侧时，空间站控制器302控制空间站激光器303启动。激光电池板103同时接收地面激光器6和空间站激光器303传输的能量，使提升舱1爬升到空间站3。下降过程与上升过程类似，空间站激光器303和地面激光器6照射激光电池板103给提升舱1提供能量，经过提升舱电源管理装置106的电压变换和稳压给滚轮驱动装置104供电，提升舱1开始向地面出发。通过提升舱控制器105的内部模块进行积分运算可以实时监测提升舱1的爬升距离，并将距离信号传输给地面控制室8。当提升舱1运行至近地侧时，空间站激光器303停止工作，只通过地面激光器6传输的能量使提升舱1运行至地面。

激光供电过程：供电室5接收到地面控制室8的指令后通过电缆供电给地面激光器6和地面控制发射机7，地面控制发射机7调节地面激光器6的发射方向，地面激光器6把电能转换为激光传输。激光电池板103接收到地面激光器6传输的能量，并将光能转换为电能，由提升舱电源管理装置106进行电压变换和稳压后给舱内设备供电。同时，空间站3两侧的太阳能电池板301接收到的能量开始收集太阳能，并将光能转换为电能，由空间站电源管理装置305进行电压变换和稳压，并给空间站3内设备供电。当提升舱1运行至远地侧时，空间站电源管理装置305给空间站激光器303和空间站控制发射机304供电，空间站激光器303给提升舱1传输能量。激光电池板103同时接收地面激光器6和空间站激光器303传输的能量。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种采用激光供电的爬绳式太空提升系统，包括空间站（3），空间站（3）外侧面设有太阳能电池板（301），其特征在于，还包括配重空间站（4）、太空缆绳（2）、提升舱（1）、空间站激光器（303）和地面激光器（6）；

空间站（3）位于地球同步轨道上，空间站激光器（303）设置在空间站（3）外部，空间站（3）内部设有空间站控制器（302）、空间站控制发射机（304）、空间站电源管理装置（305）和空间站夹紧装置（306），空间站控制器（302）与空间站激光器（303）连接，空间站控制发射机（304）穿过空间站（3）与空间站激光器（303）连接，空间站电源管理装置（305）与空间站激光器（303）、空间站控制发射机（304）连接；配重空间站（4）与空间站（3）连接；

在地球赤道上设置供电室（5）、地面激光器（6）、地面控制发射机（7）、地面控制室（8）和地面夹紧装置（9），地面激光器（6）设置在地面控制发射机（7）上并与供电室（5）连接，地面控制室（8）与控制地面控制发射机（7）连接；

太空缆绳（2）一端与地面夹紧装置（9）连接，另一端穿过提升舱（1）后与空间站夹紧装置（306）连接，提升舱（1）内部设有抱紧装置，提升舱（1）通过抱紧装置与太空缆绳（2）连接，提升舱（1）的侧面设有激光电池板（103）。

2.根据权利要求1所述的一种采用激光供电的爬绳式太空提升系统，其特征在于，所述的提升舱（1）顶面设有无线信号收发器（110）；

提升舱（1）由中间向两边依次分为驱动舱（101）和装载舱（102），驱动舱（101）内设有抱紧装置、提升舱控制器（105）、提升舱电源管理装置（106）、空气压缩机（111）和气罐（112）；激光电池板（103）与提升舱电源管理装置（106）连接，无线信号收发器（110）与提升舱控制器（105）连接，提升舱控制器（105）与空间站控制器（302）连接；空气压缩机（111）和气罐（112）连接。

3.根据权利要求2所述的一种采用激光供电的爬绳式太空提升系统，其特征在于，所述抱紧装置包括气压装置（107）、滚轮驱动装置（104）和转矩转速传感器（109），气压装置（107）由气缸（1072）、活塞杆（1073）和弹簧（1071）组成，弹簧（1071）套在活塞杆（1073）上，滚轮驱动装置（104）设置在活塞杆（1073）外侧的端部，转矩转速传感器（109）设置在滚轮驱动装置（104）上；驱动舱（101）两边纵向间隔对称设有多组抱紧装置，太空缆绳（2）位于左右多组抱紧装置之间；气压装置（107）、转矩转速传感器（109）均与提升舱控制器（105）连接，滚轮驱动装置（104）与提升舱电源管理装置（106）连接，空气压缩机（111）与气压装置（107）连接。

4.根据权利要求1所述的一种采用激光供电的爬绳式太空提升系统，其特征在于，所述的太空缆绳（2）由碳纳米管（CNT）缠绕而成。

5.根据权利要求1所述的一种采用激光供电的爬绳式太空提升系统，其特征在于，所述配重空间站（4）位于同步轨道远地侧的轴线上，通过碳纳米管缆绳和空间站（3）连接。

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