CN214190169U - 一种用于磁场环境的空间验证飞行器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于磁场环境的空间验证飞行器，包括：外壳，限定飞行器外形及内部空间；多个承力导体，沿不同方向设置在所述外壳，用于在磁场环境下通电后为飞行器提供安培力；调压换向器，用于为所述多个承力导体通电及改变导体中的电流流向；控制器，用于根据所述多个承力导体当前供电状态，计算待选择承力导体、承力导体的电流强度和方向，控制所述调压换向器向被选择的承力导体提供预期电流强度和电流方向；配电器，电连接所述调压换向器和控制器，且用于在控制器的控制下，向所述调压换向器供电。本申请提供的空间验证飞行器，可以在强磁场环境下实现飞行器的灵活运动，进而验证电磁飞行的相关技术。

Description

一种用于磁场环境的空间验证飞行器

技术领域

本实用新型涉及空间飞行验证技术领域，特别是一种用于磁场环境的空间验证飞行器。

背景技术

目前，人类进入太空的主要途径是运载火箭和航天飞机，自美国的航天飞机退出历史舞台后，唯一的太空运载工具是运载火箭。这些传统的运载工具，体积巨大，空间飞行的灵活度低，且飞行速度有限，需要自身携带大量的推进剂能源，限制了空间飞行器的应用。

鉴于此，亟需验证可以在空间快速、灵活飞行的安培力驱动的空间验证飞行器，以验证电磁飞行技术。

实用新型内容

针对相关技术中的上述技术问题，本实用新型提供了一种用于磁场环境的空间验证飞行器，验证了在磁场强度足够大的情况下，其可以灵活飞行，多自由度转向等优势。

本实用新型提供了一种用于磁场环境的空间验证飞行器，包括：外壳，限定飞行器外形及内部空间；多个承力导体，沿不同方向设置在所述外壳，用于在磁场环境下通电后为飞行器提供安培力；调压换向器，设于所述内部空间，用于为所述多个承力导体通电及改变导体中的电流强度及流向；控制器，用于根据飞行器的加速度，计算飞行器所需额外受到安培力，并根据所述多个承力导体当前供电状态，计算待选择承力导体、承力导体的电流强度和方向，控制所述调压换向器向被选择的承力导体提供预期电流强度和电流方向；配电器，电连接所述调压换向器和控制器，且用于在控制器的控制下，向所述调压换向器供电。

在一个实施例中，所述多个承力导体中的每一个分别连接一调压换向器，从而每个调压换向器独立控制对应的承力导体。

在一个实施例中，所述多个承力导体至少包括两组施力导体，两组施力导体相对于飞行器对称的设置，且每一组施力导体至少包括三个彼此正交设置的承力导体。

在一个实施例中，所述多个承力导体位于两端之间的部分与所述外壳一体成型，且所述多个承力导体的两端穿过所述外壳后与对应的调压换向器连接。

在一个实施例中，所述多个承力导体的两端穿过所述外壳后通过导线与对应的调压换向器连接。

在一个实施例中，空间验证飞行器还包括磁场检测器，用于向控制器发送磁场强度信号。

在一个实施例中，所述磁场检测器包括配合各承力导体所在位置设置的多个磁场检测器。

在一个实施例中，所述控制器实时获取各承力导体的供电状态、承力导体所在位置的瞬时磁场强度，并根据飞行器所需额外受到的瞬时安培力，实时调整承力导体的供电状态。

在一个实施例中，所述飞行器为圆盘形飞行器，所述圆盘形飞行器的外侧包括沿周向方向设置多个承力导体和沿与周向垂直方向设置的多个承力导体，各承力导体均与所述圆盘形飞行器一体成型。

本实用新型实施例的空间验证飞行器，可以由控制器根据飞行器所需加速度，改变各承力导体的供电状态，进而改变一体设置在飞行器外壳的导体承力件受到的安培力，实现飞行器在强磁场空间的预期飞行。

在阅读具体实施方式并且在查看附图之后，本领域的技术人员将认识到另外的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1是根据本实用新型实施例的空间验证飞行器的控制模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。诸如“下面”、“下方”、“在…下”、“低”、“上方”、“在…上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。

鉴于地球及行星中磁场强度较弱，如果电流强度不是足够大、且受力导体长度不大的情况下，依靠天然空间磁场所产生的安培力无法支撑飞行器飞行，本申请可以在人造空间磁场中进行飞行试验验证。例如，美国就在试验环境下生成了高达100特斯拉强度的磁场，这相当于地球磁场强度的200万倍。一方面，这种实验室的安培力驱动飞行器可以用于飞行器的空间飞行所需技术的验证；另一方面，可以作为试验室内的科普体验。

此外，本申请中可以在飞行器设置增强其外部磁场的磁场聚集装置(本申请的各个导体可以置于这些磁场聚集装置增强的磁场中)，磁场聚集装置设有用于增强外部磁场的外部磁场通路，外部磁场通路包括增强通路，具体实施方式参见申请号为201910118550.6的专利申请。需要指出，地球磁场的强度较弱，为了能够产生更大的推力，需要对导体所处位置的磁场进行增强，以能够达到推进飞行器飞行的目的。

需要说明的是，如果超导技术能够实现工程化应用，即在常温或接近常温的状态下，超导材料可以实现超导，则本申请的飞行器可以脱离人造磁场环境，而在一定程度上实现依靠行星磁场进行空间飞行，这些以本申请所保护的技术形成的预期产品，均在本申请的保护范围之内。

本实用新型的另一个方面提供了一种空间验证飞行器，参见图1，飞行器包括飞行器机身、设置在飞行器机身内的导体承力件、控制器 10、调压换向器及配电系统50。

导体承力件至少包括彼此正交设置的第一导体、第二导体和第三导体，调压换向器包括第一调压换向器20、第二调压换向器30和第三调压换向器40，且第一导体的两端电连接至第一调压换向器20，第二导体的两端电连接至第二调压换向器30，第三导体的两端电连接第三调压换向器40。

控制器分别连接第一调压换向器20、第二调压换向器30和第三调压换向器40，用以控制各调压换向器执行电压调节、正负换向及开关操作；控制器10电连接配电系统50，以控制配电系统50向各调压换向器供电的启停。

控制器10用于获取安培力驱动飞行器的预设加速度，并根据所述预设加速度计算飞行器的安培力。控制器10还用于获取导体所处磁场的方向和强度，将安培力分解为分别与三个导体受力方向一致的三个安培分力。控制器10根据飞行器所处空间的磁场强度和方向以及三个安培分力计算三个所述导体内的电流强度和方向，并控制各调压换向器按每个导体中所需的电流强度和方向为三个所述导体供电。

本实用新型的空间验证飞行器，可以通过调节承力导体内的电流强度和方向，实现其在试验磁场空间的飞行，提高了飞行器的空间机动灵活性。

在一个实施例中，第一调压器20内部设有电流换向电路和变压器，其中电流换向电路用于改变所述第一导体内的电流流向，变压器用于调节施加在所述第一导体两端的电压。第二调压器20内部设有电流换向电路和变压器，其中电流换向电路用于所述第二导体内的电流流向，变压器用于调节施加在第二导体两端的电压。第三调压器 30内部设有电流换向电路和变压器，其中电流换向电路用于改变第三导体内的电流流向，变压器用于调节施加在所述第三导体两端的电压。本实用新型的飞行器，通过针对三个导体单独进行电流大小及方向的控制，可以容易地实现其所受安培力大小及方向的调整。

在该实施例中，受到安培力的元件是导体，为避免配电系统或导体由于电流过大而被烧毁，因此，可以在调压器与导体之间串联可变电阻元件，其中电阻元件的组织可以从0到10欧姆连续调整，且调整精度至少为0.001欧姆。通过精确调解电阻，特别是将电阻调整至极小，可以在导体中产生极大电流，从而获得较大的安培力。

在一个实施例中，所述第一导体与所述飞行器机身一体绝缘设计，以在其受到安培力时同时将安培力传递给飞行器；所述第二导体与所述飞行器机身一体绝缘设计，以在其受到安培力时同时将安培力传递给飞行器；所述第三导体与所述飞行器机身一体绝缘设计，以在其受到安培力时同时将安培力传递给飞行器。本实用新型实施例的安培驱动飞行器，通过使导体与飞行器机身一体设计，可以改善导体承载及传递安培力的效果，提高飞行器的可靠性。

在一个实施例中，第一导体、第二导体和第三导体外侧分别设有保护材料，保护材料为非导体。该保护材料可以避免导体在受到安培力的时，与飞行器机身相互挤压而损坏，提高飞行器的耐用性。

在一个实施例中，配电系统50包括太阳能供电组件。太阳能供电组件可以为光伏材料薄膜或太阳能板，其可以设置在飞行器机身内部。

需要指出，配电系统50还可以包括储能器，以用来存储电能，从而在需要对导体供电时，使储能器与导体电连接。同样，储能器与导体的开断也可以由控制器控制。

在一个实施例中，空间验证飞行器还包括检测器，检测器用于检测导体所处位置的磁感线强度和方向信息，并将检测信号发送给控制器。由于在一些实施例中，飞行器还配备了磁场增强组件，因此，检测器所检测的实际是受力导体所处位置的复合磁场强度。通常情况下，几个导体承力件可以设置在靠近的区域，可以假设这些区域的磁场强度近似相等。当然，如果几个导体所处磁场强度相差较大，可以分别设置多个与这些导体对应的磁场强度检测器，在此情况下，每个导体的受力分别按与其对应的磁场进行计算，从而提高磁场检测及电流计算的准确性。

对于单个导体承力件，磁场明显不同的情况，例如，对于长条形的导体承力件，可以沿其长度方向上间隔设置多个磁场检测器，从而可以通过该导体承力件受到的安培分力反向计算该导体内部的电流，提高其内部电流计算的准确性。

在一个实施例中，所述控制器10还用于实时获取导体所处位置的磁场方向和强度，并实时根据飞行器预期的安培力，实时计算所述第一导体、第二导体和第三导体中的电流强度和方向，并实时控制调压换向器分别向三个导体供应预期瞬时电压。

本领域技术人员可知，本申请的三个导体与机身一体设置可以延伸出多种变形扩展，包括在飞行器内部或外部对称地设置两套或多套该类装置，从而可以对飞行器进行通向、对称地施加作用力，进一步提高飞行器启动、转向、调姿的灵活性与稳定性。

本实用新型的再一个方面提供了另一种空间验证飞行器。空间验证飞行器可以包括：

外壳，限定飞行器外形及内部空间。

多个承力导体，沿不同方向设置在所述外壳，用于在磁场环境下通电后为飞行器提供安培力。例如，多个承力导体至少包括两组施力导体，两组施力导体相对于飞行器对称的设置，这样可以确保安培力被对称地施加于飞行器，提高飞行器受力的平稳性。例如，每一组施力导体至少包括三个彼此正交设置的承力导体，以便飞行器的所需额外的安培合力可以容易地分解到三个导体的受力方向。

调压换向器，设于所述内部空间，用于为所述多个承力导体通电及改变导体中的电流强度及流向。例如，多个承力导体中的每一个分别连接一调压换向器，从而每个调压换向器独立控制对应的承力导体，避免由单个调压换向器统一控制时调压换向器损坏后，影响飞行器的正常工作。

控制器，用于根据飞行器的加速度，计算飞行器所需额外受到安培力，并根据所述多个承力导体当前供电状态，计算待选择承力导体、承力导体的电流强度和方向，控制所述调压换向器向被选择的承力导体提供预期电流强度和电流方向。

配电器，电连接所述调压换向器和控制器，且用于在控制器的控制下，向所述调压换向器供电。

本申请的空间验证飞行器，可以通过控制器，实时计算各承力导体所需的供电状态，从而控制配电器和调压器调整相应导体的电流强度及方向，使飞行器获得所需加速度。

在一个实施例中，例如，多个承力导体的两端穿过所述外壳后通过导线与对应的调压换向器连接。

在一个实施例中，空间验证飞行器还包括磁场检测器，用于向控制器发送磁场强度信号。进一步地，如果各承力导体所处位置地磁场各不相同，磁场检测器可以包括配合各承力导体所在位置设置的多个磁场检测器，以提高根据磁场强度计算安培力的精确性。

在一个实施例中，控制器可以实时获取各承力导体的供电状态、承力导体所在位置的瞬时磁场强度，并根据飞行器所需额外受到的瞬时安培力，实时调整承力导体的供电状态。

需要说明的是，承力导体与飞行器外壳之间需要彼此绝缘，即电流仅在承力导体中流动。

调压换向器的换向仅通过简单的电路即有多种实现方式，可参见各种改变元件正负极的现有技术，在此不做详述。同样，改变电流大小的方式也有多种，比如串联一个滑动变阻器等。

如上所述，作为一种替代的实施例，本申请的空间验证飞行器可以为圆盘形结构，且在圆盘形结构的周向方向设有多个导体。这些导体可以沿着圆盘的周向以不同的角度设置，例如，其在圆盘周向方向的圆弧度数可以从20度到180度不等。也可以在圆盘外表面各个方向设置长度相同或不同的导体，以在飞行器在处于同一磁场的时候，各长度不同、设置位置不同的导体产生不同方向的作用力。

这些导体的端部例如深入至圆盘型飞行器的内部，在飞行器地内部，导体两端通过导线与调压换向器电连接，且由调压换向器控制，以实现电流强度和方向的改变。每个导体可以单独控制，以提高冗余性，避免单个调压换向器或导体损坏导致飞行器损坏。

如前所述，控制器可以根据飞行器的加速度计算其额外的安培力。同时，检测器实时向控制器发送有关各个导体所处位置的磁场方向和强度的信号，从而控制器可以从这些导体受到的安培分力与总的安培力关系中，找到能最容易获得上述额外安培力的几个导体，随后控制调压换向器向这几个导体供应预期电压。例如，根据飞行器的安培力，控制器可以首先结合磁场方向，判断各个导体的受力方向，并与飞行器的安培力对比，找出能够最可能合成上述安培力的导体，从而控制调压换向器为这些导体通电。

在本申请中，显然，飞行器设置的导体的数量越多，覆盖飞行器的圆盘的面积越广，其可以在通电后获得飞行器的安培合力的途径就越多，也可以方便控制器选择其中最适合的几个导体，作为通电对象。

可以理解，在该实施例中，如果导体在飞行器上的配制位置适当，飞行器可以根据动作需要，通过给对应地导体通电，实现飞行器的空间静止、反转、转向等各种动作。

在本申请实施例的飞行器中，为了增加导体的受力长度，以提高其受到的安培力，每个导体可以为缠绕的线圈结构，线圈外侧由不导电的材料包裹。

以上实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。

本申请的空间验证飞行器可以(不限于)为小型空间飞行器、无人机等。

本实用新型的上述实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

本专利申请要求于2020年03月16日提交的，申请号为 202010179638.1，申请人为蓝箭航天空间科技股份有限公司，发明名称为“一种安培力驱动的空间验证飞行器”的中国专利申请的优先权，该申请的全文以引用的方式并入本申请中。

Claims (10)

1.一种用于磁场环境的空间验证飞行器，其特征在于，包括：

外壳，限定飞行器外形及内部空间；

多个承力导体，沿不同方向设置在所述外壳，用于在磁场环境下通电后为飞行器提供安培力；

调压换向器，设于所述内部空间，用于为所述多个承力导体通电及改变导体中的电流强度和流向；

磁场检测器，用于向控制器发送磁场强度信号；

控制器，用于根据飞行器的加速度及磁场强度信号，计算飞行器所需额外受到安培力，并根据所述多个承力导体当前供电状态，计算待选择承力导体、承力导体的电流强度和方向，控制所述调压换向器向被选择的承力导体提供预期电流强度和电流方向；

配电器，电连接所述调压换向器和控制器，且用于在控制器的控制下，向所述调压换向器供电。

2.根据权利要求1所述的空间验证飞行器，其特征在于，所述多个承力导体中的每一个分别连接一调压换向器，从而每个调压换向器独立控制对应的承力导体。

3.根据权利要求1所述的空间验证飞行器，其特征在于，所述多个承力导体至少包括两组施力导体，两组施力导体相对于飞行器对称的设置，且每一组施力导体至少包括三个彼此正交设置的承力导体。

4.根据权利要求1所述的空间验证飞行器，其特征在于，所述多个承力导体位于两端之间的部分与所述外壳一体成型，且所述多个承力导体的两端穿过所述外壳后与对应的调压换向器连接。

5.根据权利要求4所述的空间验证飞行器，其特征在于，所述多个承力导体的两端穿过所述外壳后通过导线与对应的调压换向器连接。

6.根据权利要求1所述的空间验证飞行器，其特征在于，所述磁场检测器包括配合各承力导体所在位置设置的多个磁场检测器。

7.根据权利要求1所述的空间验证飞行器，其特征在于，所述控制器实时获取各承力导体的供电状态、承力导体所在位置的瞬时磁场强度，并根据飞行器所需额外受到的瞬时安培力，实时调整承力导体的供电状态。

8.根据权利要求1所述的空间验证飞行器，其特征在于，所述飞行器为圆盘形飞行器。

9.根据权利要求8所述的空间验证飞行器，其特征在于，圆盘形飞行器的外侧包括沿周向方向设置多个承力导体和沿与周向垂直方向设置的多个承力导体。

10.根据权利要求8所述的空间验证飞行器，其特征在于，各承力导体均与所述圆盘形飞行器一体成型且与圆盘形飞行器的主体彼此绝缘。

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