CN116513491B - 上面级及太空补给系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及航天运输技术领域，尤其涉及一种上面级及太空补给系统。上面级包括舱体、动力机组、电池组、贮箱、电源对接口、推进剂对接口以及卫星适配器，贮箱和电池组设置在舱体内，电源对接口、推进剂对接口、动力机组以及卫星适配器均设置在舱体的外部，外部电力存储设备能够通过电源对接口为电池组充电，外部推进剂存储设备能够通过推进剂对接口为贮箱补充推进剂，贮箱为动力机组提供推进剂，动力机组驱动舱体运动，卫星适配器包括固定部和充电对接口，固定部能够固定卫星，电池组能够通过充电对接口对卫星充电。根据本申请的上面级及太空补给系统，解决了现有的上面级续航能力差，在轨时间短，且不能对释放出去的卫星补电的问题。

Description

上面级及太空补给系统

技术领域

本申请涉及航天运输技术领域，尤其是涉及一种上面级及太空补给系统。

背景技术

上面级是航天运输系统的重要组成部分，目前上面级的主要使命是将多颗不同的卫星部署到不同的预定轨道。随着航天技术不断发展、航天活动的不断增加，对上面级的要求也会越来越高，上面级的机动性、在轨时间、功能多样性将会是未来的发展方向。

目前，国际上经典的上面级，如俄罗斯Fregat、美国MiTex以及国内的长征火箭的上面级主要都是多卫星部署或者作为火箭的末子级使用，并没有充分发挥上面级的优点，例如上面级续航能力差，在轨时间短，且不能对释放出去的卫星补电。

发明内容

本申请的目的是在于提供一种上面级及太空补给系统，从而解决了现有的上面级续航能力差，在轨时间短，且不能对释放出去的卫星补电的问题。

根据本申请第一方面提供了一种上面级，所述上面级包括舱体、动力机组、电池组、贮箱、电源对接口、推进剂对接口以及卫星适配器，其中，所述贮箱和所述电池组设置在所述舱体内，所述电源对接口、所述推进剂对接口、所述动力机组以及所述卫星适配器均设置在所述舱体的外部，外部电力存储设备能够通过所述电源对接口为所述电池组充电，外部推进剂存储设备能够通过所述推进剂对接口为所述贮箱补充推进剂，所述贮箱为所述动力机组提供推进剂，所述动力机组驱动所述舱体运动，所述卫星适配器包括固定部和充电对接口，其中，所述固定部能够固定卫星，所述电池组能够通过所述充电对接口对卫星充电。

在上述任意技术方案中，进一步地，所述舱体包括彼此连接的动力舱和服务舱，所述贮箱设置在所述动力舱内，所述电池组设置在所述服务舱内，所述动力机组设置在所述动力舱的侧部，所述电源对接口和所述推进剂对接口设置在所述服务舱的外端，所述上面级还包括补给管路，所述补给管路连通所述推进剂对接口和所述贮箱。

在上述任意技术方案中，进一步地，所述上面级还包括机械臂，所述机械臂设置在所述舱体的侧部，当释放出去的卫星需要补充电力时，所述上面级能够靠近该卫星，通过所述机械臂抓取将该卫星固定至所述固定部，并通过所述充电对接口对该卫星充电。

在上述任意技术方案中，进一步地，所述卫星适配器还包括底座，所述底座的一侧开设有多个安装孔，所述底座通过所述多个安装孔连接所述服务舱的侧部，所述底座的另一侧连接有所述固定部和所述充电对接口。

在上述任意技术方案中，进一步地，所述上面级还包括太阳能板，所述太阳能板连接所述舱体，所述太阳能板将转化的部分电力存储到所述电池组内。

在上述任意技术方案中，进一步地，所述上面级还包括控制系统，所述舱体的侧部设置有多个卫星适配器，所述多个卫星适配器能够对应安装多个卫星，当所述上面级随火箭升空，到达预定轨道后，所述控制系统控制所述多个卫星适配器释放所述多个卫星到指定的轨道空间，当释放出去的卫星需要补充电力时，所述控制系统控制所述上面级靠近该卫星，并通过所述充电对接口对该卫星充电。

在上述任意技术方案中，进一步地，所述动力机组包括多个横向喷射机、多个前向喷射机以及多个后向喷射机，所述多个横向喷射机、所述多个前向喷射机以及所述多个后向喷射机均沿所述动力舱的周向设置，其中，所述多个横向喷射机的喷射方向与所述动力舱的轴向垂直，所述舱体包括在所述动力舱的轴向上彼此相对的前侧和后侧，所述多个前向喷射机的喷射方向朝向所述前侧，所述多个后向喷射机的喷射方向朝向所述后侧。

在上述任意技术方案中，进一步地，所述动力机组还包括后端喷射机和摇摆机构，所述后端喷射机通过所述摇摆机构连接在所述动力舱的外端。

本申请第二方面提供了一种太空补给系统，包括如上所述的上面级。

在上述任意技术方案中，进一步地，所述太空补给系统还包括太空充电站和货运飞船，所述太空充电站能够通过所述电源对接口为所述电池组充电，所述货运飞船能够通过所述推进剂对接口为所述贮箱补充推进剂。

根据本申请的上面级，上面级包括舱体、动力机组、电池组、贮箱、电源对接口、推进剂对接口以及卫星适配器，其中，贮箱和电池组设置在舱体内，电源对接口、推进剂对接口、动力机组以及卫星适配器均设置在舱体的外部，外部电力存储设备能够通过电源对接口为电池组充电，外部推进剂存储设备能够通过推进剂对接口为贮箱补充推进剂，贮箱为动力机组提供推进剂，动力机组驱动舱体运动，卫星适配器包括固定部和充电对接口，其中，固定部能够固定卫星，电池组能够通过充电对接口对卫星充电。

具体使用时，首先将卫星按照各自的要求安装到对应的卫星适配器上，任务开始时，上面级随火箭升空，到达预定轨道后，多个卫星适配器释放多个卫星到指定的轨道空间，初始任务完毕。

之后，当释放出去的卫星需要补充电力时（例如出现电力紧张，或者需要大量电力工作时），上面级能够靠近该卫星，并通过充电对接口对该卫星充电。

过程中，当上面级的推进剂不足，导致续航能力不足时（在轨时间不足时），外部推进剂存储设备能够通过推进剂对接口为贮箱补充推进剂，来补充续航能力（在轨时间），以实现上面级功能多样性（例如对卫星补充电力）。

过程中，当上面级的电力不足或需要大电量时，外部电力存储设备能够通过电源对接口为电池组充电，来补充电力，以实现对电力不足的卫星补电。

本申请的上面级，相对于现有技术，提高了机动性，在轨时间，在此基础上，还可以对释放出去的卫星补充电力。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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他相关的附图。

图1示出根据本申请的实施例的上面级的侧视图；

图2示出图1的另一角度的示意图；

图3示出根据本申请的实施例的上面级的整体结构示意图；

图4示出根据本申请的实施例的上面级的俯视图；

图5示出根据本申请的实施例的卫星适配器的结构示意图。

图标：1-动力舱；11-后端摇摆机组；111-后端喷射机；112-摇摆机构；

12-贮箱；13-后端喷射机组；131-支架；132-后向喷射机；133-横向喷射机；14-前向喷射机；2-服务舱；21-电池组；22-电源调节设备；23-推进剂对接口；24-补给管路；25-卫星适配器；251-底座；252-转接座；253-固定柱；254-充电对接口；255-安装孔；26-电源对接口；27-承力筒；3-对接机构；4-太阳能板；5-机械臂。

具体实施方式

提供以下具体实施方式以帮助读者获得对这里所描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开内容之后，这里所描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改及等同物将是显而易见的。例如，这里所描述的操作的顺序仅仅是示例，其并不限于这里所阐述的顺序，而是除了必须以特定顺序发生的操作之外，可做出在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略本领域中已知的特征的描述。

这里所描述的特征可以以不同的形式实施，并且不应被解释为局限于这里所描述的示例。更确切地说，已经提供了这里所描述的示例仅用于示出在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的实现这里描述的方法、设备和/或系统的诸多可行方式中的一些方式。

在整个说明书中，当元件（诸如，层、区域或基板）被描述为“在”另一元件“上”、“连接到”另一元件、“结合到”另一元件、“在”另一元件“之上”或“覆盖”另一元件时，其可直接“在”另一元件“上”、“连接到”另一元件、“结合到”另一元件、“在”另一元件“之上”或“覆盖”另一元件，或者可存在介于它们之间的一个或更多个其他元件。相比之下，当元件被描述为“直接在”另一元件“上”、“直接连接到”另一元件、“直接结合到”另一元件、“直接在”另一元件“之上”或“直接覆盖”另一元件时，可不存在介于它们之间的其他元件。

如在此所使用的，术语“和/或”包括所列出的相关项中的任何一项和任何两项或更多项的任何组合。

尽管可在这里使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语来描述各个构件、组件、区域、层或部分，但是这些构件、组件、区域、层或部分不受这些术语所限制。更确切地说，这些术语仅用于将一个构件、组件、区域、层或部分与另一构件、组件、区域、层或部分相区分。因此，在不脱离示例的教导的情况下，这里所描述的示例中所称的第一构件、组件、区域、层或部分也可被称为第二构件、组件、区域、层或部分。

为了易于描述，在这里可使用诸如“在……之上”、“上部”、“在……之下”和“下部”的空间关系术语，以描述如附图所示的一个元件与另一元件的关系。这样的空间关系术语意图除了包含在附图中所描绘的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为相对于另一元件位于“之上”或“上部”的元件随后将相对于另一元件位于“之下”或“下部”。因此，术语“在……之上”根据装置的空间方位而包括“在……之上”和“在……之下”两种方位。所述装置还可以以其他方式定位（例如，旋转90度或处于其他方位），并将对在这里使用的空间关系术语做出相应的解释。

在此使用的术语仅用于描述各种示例，并非用于限制本公开。除非上下文另外清楚地指明，否则单数的形式也意图包括复数的形式。术语“包括”、“包含”和“具有”列举存在的所陈述的特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合。

由于制造技术和/或公差，可出现附图中所示的形状的变化。因此，这里所描述的示例不限于附图中所示的特定形状，而是包括在制造期间出现的形状上的改变。

这里所描述的示例的特征可按照在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的各种方式进行组合。此外，尽管这里所描述的示例具有各种各样的构造，但是如在理解本申请的公开内容之后将显而易见的，其他构造是可能的。

根据本申请的第一方面提供了一种上面级，如图1至图3所示，上面级包括舱体、动力机组、电池组21、贮箱12、电源对接口26、推进剂对接口23以及卫星适配器25，其中，贮箱12和电池组21设置在舱体内，电源对接、推进剂对接口23、动力机组以及卫星适配器25均设置在舱体的外部，外部电力存储设备能够通过电源对接口26为电池组21充电，外部推进剂存储设备能够通过推进剂对接口23为贮箱12补充推进剂，贮箱12为动力机组提供推进剂，动力机组驱动舱体运动，卫星适配器25包括固定部和充电对接口254，其中，固定部能够固定卫星，电池组21能够通过充电对接口254对卫星充电。

本申请的上面级，相对于现有技术，提高了机动性，在轨时间，在此基础上，还可以对释放出去的卫星补充电力。

具体来说，具体使用时，首先将卫星按照各自的要求安装到对应的卫星适配器25上，任务开始时，上面级随火箭升空，到达预定轨道后，多个卫星适配器25释放多个卫星到指定的轨道空间，初始任务完毕。

之后，当释放出去的卫星需要补充电力时（例如出现电力紧张，或者需要大量电力工作时），上面级能够靠近该卫星，并通过充电对接口254对该卫星充电。

过程中，当上面级的推进剂不足，导致续航能力不足时（在轨时间不足时），外部推进剂存储设备能够通过推进剂对接口23为贮箱12补充推进剂，来补充续航能力（在轨时间），以实现上面级功能多样性（例如对卫星补充电力）。过程中，当上面级的电力不足或需要大电量时，外部电力存储设备能够通过电源对接口26为电池组21充电，来补充电力，以实现对电力不足的卫星补电。在下文将详细描述舱体、动力机组、电池组21、贮箱12、电源对接口26、推进剂对接口23以及卫星适配器25的具体结构。

在本申请的实施例中，如图1至图4所示，舱体可以包括彼此连接的动力舱1和多功能服务舱2，具体参见图1（这里图1中，不规则的浪线框出了舱体的内部结构），其中，贮箱12设置在动力舱1内，电池组21设置在服务舱2内（这里，电池组21包括电池矩阵，服务舱2内还可以设置有电源调节设备22，电源调节设备22对电池组21的充电或放电起到分配的作用），电源对接口26和推进剂对接口23设置在服务舱2的外端，推进剂对接口23和贮箱12由补给管路24连通（补给管路24依次从服务舱2内部和动力舱1内部穿过），当上面级需要补充推进剂时，外部推进剂存储设备（外部推进剂存储设备，例如可以是货运飞船）可以通过推进剂对接口23为贮箱12补充推进剂（补充的推进剂由补给管路24流入到对应的贮箱12中，这里，贮箱12可以分为氧箱和燃箱，氧箱和燃箱延中线对称布置）。当上面级需要补充电力时，外部电力存储设备（外部电力存储设备，例如可以是太空充电站）可以通过电源对接口26为电池组21充电时。

此外，继续参见图1至图3，动力机组可以设置在动力舱1的侧部，卫星适配器25可以设置在服务舱2的侧部。

在本实例中，贮箱12为动力机组提供推进剂，动力机组驱动舱体运动，其中，如图1所示，动力机组包括后端摇摆机组11，后端摇摆机组11为整个上面级提供轨道控制，具体地，后端摇摆机组11包括后端喷射机111和摇摆机构112（后端喷射机111可以是推力器或喷气发动机），后端喷射机111通过摇摆机构112连接在动力舱1的外端（外端面），摇摆机构112能够带动后端喷射机111做适当的摆动，当上面级质心发生偏移时，可通过后端摇摆机组11偏转一定的角度来获得飞行方向的补偿。

进一步地，如图1所示，动力机组还包括后端喷射机组13和多个前向喷射机14，其中，后端喷射机组13包括多个支架131、多个横向喷射机133以及多个后向喷射机132（前向喷射机14、横向喷射机133、后向喷射机132均可以是推力器或喷气发动机）。多个横向喷射机133、多个前向喷射机14以及多个后向喷射机132为整个上面级提供姿态控制。

具体地，多个横向喷射机133、多个前向喷射机14以及多个后向喷射机132均沿动力舱1的周向设置（具体数量可以根据需求设置，例如可以是四个），其中，一个横向喷射机133和一个后向喷射机132安装在对应的支架131上，多个支架131安装在动力舱1的外端，多个前向喷射机14安装在动力舱1的连接端（即与服务舱2连接的端部）。

其中，多个横向喷射机133的喷射方向与动力舱1的轴向垂直，多个横向喷射机133中，可以根据需求开启一个或多个，为上面级提供侧向的推力，而多个前向喷射机14的喷射方向朝向前侧，多个后向喷射机132的喷射方向朝向后侧（舱体包括在动力舱1的轴向上彼此相对的前侧和后侧），多个前向喷射机14中，可以根据需求开启一个或多个，为上面级提供前向的推力，多个后向喷射机132中，可以根据需求开启一个或多个，为上面级提供后向的推力。

这里，喷射机可以是推力器或喷气发动机，前向喷射机14的喷射方向和后向喷射机132的喷射方向可以根据需求设置，即与上面级的飞行方向可以呈一定的角度。综上，多个喷射机的配合，为整个上面级提供姿态控制。

在本实例中，如图1至图3所示，舱体的侧部设置有多个卫星适配器25，多个卫星适配器25能够对应安装多个卫星，具体参见图5所示，每个卫星适配器25包括固定部、充电对接口254、底座251和转接座252，其中，底座251可以是一个弧形板，底座251的一侧开设有多个安装孔255（通孔），底座251通过多个安装孔255连接服务舱2的侧部（具体来说，底座251通过多个安装孔255连接服务舱2侧部的承力筒27上），底座251的另一侧连接有转接座252，转接座252上安装有固定部和充电对接口254（固定部可以是四个固定柱253，四个固定柱253供卫星安装，充电对接口254可以是一个插头，且位于四个固定柱253之间，供卫星连接实现对卫星补电）。

此外，在本申请的实施例中，如图1、图3和图4所示，上面级还可以包括太阳能板4，太阳能板4连接动力舱1，太阳能帆板阵接收太阳能，将太阳能转化成电能。电能一方面供应整个上面级的正常运行的电子设备，另一方面将多余的电能贮存在电池组21内。

在下文将详细描述上面级的具体工作方式。

具体使用时，首先将卫星按照各自的要求安装到对应的卫星适配器25上，任务开始时，上面级随火箭升空，到达预定轨道后，多个卫星适配器25释放多个卫星到指定的轨道空间，初始任务完毕。之后，当释放出去的卫星需要补充电力时（例如出现电力紧张，或者需要大量电力工作时），控制系统控制上面级靠近该卫星，在机械臂5的作用下（机械臂5可以设置在动力舱1的侧部），机械臂5抓取将该卫星并将该卫星固定至卫星适配器25的固定部上，并通过充电对接口254对该卫星充电。

过程中，当上面级的推进剂不足，导致续航能力不足时（在轨时间不足时），货运飞船可以对上面级补充推进剂，具体地，上面级的对接机构3与货运飞船对接（如图1所示，对接机构3可以设置在服务舱2的外端），货运飞船再通过推进剂对接口23为贮箱12补充推进剂，来补充续航能力（在轨时间），以实现上面级功能多样性（例如对卫星补充电力）。

过程中，当上面级的电力不足或需要大电量时，太空充电站可以对上面级补充电力，具体地，上面级的对接机构3与太空充电站对接，太空充电站再通过电源对接口26为电池组21充电，来补充电力，以实现对电力不足的卫星补电。

综上，本申请相对于现有技术，通过在轨接收电能补充，在轨接收推进剂补加，延长了上面级在轨时间，为在轨卫星提供电能补充或者其它方面的在轨服务，充分发挥了上面级的价值。

根据本申请第二方面提供了一种太空补给系统，包括如上所述的上面级。

进一步地，太空补给系统还包括太空充电站和货运飞船，太空充电站能够通过电源对接口为电池组充电，货运飞船能够通过推进剂对接口为贮箱补充推进剂。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种上面级，其特征在于，所述上面级包括舱体、动力机组、电池组、贮箱、电源对接口、推进剂对接口以及卫星适配器，

其中，所述贮箱和所述电池组设置在所述舱体内，所述电源对接口、所述推进剂对接口、所述动力机组以及所述卫星适配器均设置在所述舱体的外部，

外部电力存储设备能够通过所述电源对接口为所述电池组充电，

外部推进剂存储设备能够通过所述推进剂对接口为所述贮箱补充推进剂，

所述贮箱为所述动力机组提供推进剂，所述动力机组驱动所述舱体运动，

所述卫星适配器包括固定部和充电对接口，其中，所述固定部能够固定卫星，所述电池组能够通过所述充电对接口对卫星充电；

所述舱体包括彼此连接的动力舱和服务舱，

所述贮箱设置在所述动力舱内，所述电池组设置在所述服务舱内，

所述动力机组设置在所述动力舱的侧部，

所述电源对接口和所述推进剂对接口设置在所述服务舱的外端，

所述上面级还包括补给管路，

所述补给管路连通所述推进剂对接口和所述贮箱；

所述卫星适配器还包括底座，所述底座的一侧开设有多个安装孔，

所述底座通过所述多个安装孔连接在所述服务舱的侧部，

所述底座的另一侧连接有所述固定部和所述充电对接口。

2.根据权利要求1所述的上面级，其特征在于，所述上面级还包括机械臂，

所述机械臂设置在所述舱体的侧部，

当释放出去的卫星需要补充电力时，所述上面级能够靠近该卫星，通过所述机械臂抓取将该卫星固定至所述固定部，并通过所述充电对接口对该卫星充电。

3.根据权利要求1所述的上面级，其特征在于，所述上面级还包括太阳能板，

所述太阳能板连接所述舱体，所述太阳能板将转化的部分电力存储到所述电池组内。

4.根据权利要求1所述的上面级，其特征在于，所述上面级还包括控制系统，

所述舱体的侧部设置有多个卫星适配器，所述多个卫星适配器能够对应安装多个卫星，

当所述上面级随火箭升空，到达预定轨道后，所述控制系统控制所述多个卫星适配器释放所述多个卫星到指定的轨道空间，

当释放出去的卫星需要补充电力时，所述控制系统控制所述上面级靠近该卫星，并通过所述充电对接口对该卫星充电。

5.根据权利要求1所述的上面级，其特征在于，所述动力机组包括多个横向喷射机、多个前向喷射机以及多个后向喷射机，

所述多个横向喷射机、所述多个前向喷射机以及所述多个后向喷射机均沿所述动力舱的周向设置，

其中，所述多个横向喷射机的喷射方向与所述动力舱的轴向垂直，

所述舱体包括在所述动力舱的轴向上彼此相对的前侧和后侧，

所述多个前向喷射机的喷射方向朝向所述前侧，

所述多个后向喷射机的喷射方向朝向所述后侧。

6.根据权利要求1所述的上面级，其特征在于，所述动力机组还包括后端喷射机和摇摆机构，

所述后端喷射机通过所述摇摆机构连接在所述动力舱的外端。

7.一种太空补给系统，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的上面级。

8.根据权利要求7所述的太空补给系统，其特征在于，所述太空补给系统还包括太空充电站和货运飞船，

所述太空充电站能够通过所述电源对接口为所述电池组充电，

所述货运飞船能够通过所述推进剂对接口为所述贮箱补充推进剂。