TWI720112B - 用於離子火箭的結構推進劑 - Google Patents

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Abstract

揭示用於離子火箭之結構推進劑(structural propellant for ion rockets；SPIR)的系統、方法及設備。在一或多個實施方式中，一種用於一太空船之太空推進的方法包括經由一移除裝置移除該太空船之一結構之一部分。該方法進一步包括經由該移除裝置將該部分饋送至一霍爾推力器系統中。另外，該方法包括經由該霍爾推力器系統將該部分用作推進劑以產生推力。在一或多個實施方式中，該結構為該太空船之一上部級。在至少一個實施方式中，該上部級包含至少一個結構支撐件及/或至少一個上部級外殼。在一些實施方式中，該結構係自鎂、鉍、鋅及/或銦製成。

Description

用於離子火箭的結構推進劑
本發明係關於一種結構推進劑。詳言之，本發明係關於一種用於離子火箭之結構推進劑(structural propellant for ion rockets；SPIR)。
太空船(諸如，衛星)需要太空推進系統以供軌道位置保持以及其他在軌(on-orbit)動作。霍爾推力器通常被用在太空船上以在太空中提供高比沖推進。霍爾推力器需要惰性推進劑質量以供排出。當前，在習知霍爾推力器設計中，霍爾推力器推進劑儲存於推進劑瓶中。此等習知設計之缺點在於，推進劑及推進劑瓶表示太空船上的極大質量，且太空船發射成本直接與太空船質量有關。由此，霍爾推力器之此等需要極大質量的習知設計極大地增加了太空船發射成本。因此，需要用於太空船之較低質量霍爾推力器設計的方案。
本發明係關於一種用於離子火箭之結構推進劑(structural propellant for ion rockets；SPIR)的方法、系統及設備。在一或多個實施方式中，一種用於一太空船之太空推進的方法包括由一移除裝置移除該太空船之一結構之一部分。該方法進一步包括由該移除裝置將該部分饋送至一霍爾推力器系統中。另外，該方法包括由該霍爾推力器系統將該部分用作推 進劑以產生推力。
在一或多個實施方式中，該移除裝置包含至少一個機械切割器及/或至少一個雷射切割器。在一些實施方式中，至少一個機械切割器包含至少一個切割輪及/或至少一個剪刀機構。
在至少一個實施方式中，該結構為該太空船之一上部級。在一些實施方式中，該上部級包含至少一個結構支撐件及/或至少一個上部級外殼。在一或多個實施方式中，該結構係自鎂、鉍、鋅及/或銦製成。
在一或多個實施方式中，由該移除裝置移除該結構之呈一帶之形式的該部分。在至少一個實施方式中，該移除裝置經由至少一個繩索繫栓至該太空船。在一些實施方式中，該移除裝置為繞該太空船移動之一機器人裝置。在一或多個實施方式中，該移除裝置包含至少一個輪及/或至少一個推力器。
在至少一個實施方式中，一種用於一太空船之太空推進的系統包括一移除裝置，該移除裝置用以移除該太空船之一結構之一部分且將該部分饋送至一霍爾推力器系統中。該系統進一步包括該霍爾推力器系統，該霍爾推力器系統用以將該部分用作推進劑以產生推力。
特徵、功能及優點可在本發明之各種實施方式中獨立地達成或可在又其他實施方式中加以組合。
本發明之此等及其他特徵、態樣及優點將關於以下描述、所附申請專利範圍及附圖而變得較好理解，在附圖中：
圖1為描繪根據本發明之至少一個實施方式之可由用於太空船之太空 推進之所揭示系統使用的太空船之例示性上部級的圖。
圖2為展示根據本發明之至少一個實施方式之可由用於太空船之太空推進之所揭示系統使用的霍爾推力器系統之圖。
圖3為說明根據本發明之至少一個實施方式之用於太空船之太空推進的所揭示系統之圖，該圖展示使用切割輪從而移除太空船之結構之一部分的移除裝置之俯視圖。
圖4為展示根據本發明之至少一個實施方式之圖3之移除裝置之側視圖的圖。
圖5為描繪根據本發明之至少一個實施方式之用於太空船之太空推進的所揭示系統之圖，該圖展示使用雷射從而移除太空船之結構之一部分的移除裝置之俯視圖。
圖6為展示根據本發明之至少一個實施方式之圖5之移除裝置之側視圖的圖。
圖7為說明根據本發明之至少一個實施方式之用於太空船之太空推進的所揭示系統之圖，該圖展示使用剪刀機構從而移除太空船之結構之一部分的移除裝置之俯視圖。
圖8為展示根據本發明之至少一個實施方式之圖7之移除裝置之側視圖的圖。
圖9為描繪根據本發明之至少一個實施方式之用於太空船之太空推進之所揭示方法的流程圖。
本文中所揭示之方法及設備提供用於離子火箭之結構推進 劑(structural propellant for ion rockets；SPIR)的可操作系統。本發明之系統提供一種將多餘太空船結構用於燃料之SPIR方法。詳言之，該系統提供包含特定結構之太空船，該特定結構可改變用途以用作機載推力器之推進劑質量。待改變用途以用作燃料之特定結構將自鎂製成，其將變成離子推力器(例如，霍爾推力器)之推進劑質量。舉例來說，太空船之將自鎂製成的上部級結構將作為推進劑而由機載霍爾推力器系統消耗。
通常，對於大多數太空船，太空船發射負載極大地超過太空負載。此導致太空船上的多餘結構。此多餘結構不僅不具有在軌功能，且亦歸因於太空船之質量的增加而進一步減少太空船之有限燃料的△-v能力。將不需要的結構用於太空推進劑質量增加太空船有效負載之可用質量。
本發明之系統藉由消耗太空船結構之不需要的部分來提供推進劑質量。所揭示之系統藉由可最終用於燃料之結構來代替僅需要滿足發射負載之現有太空船結構。此組態設計增加可用的燃料供應且最佳化總太空船質量使用率。
應注意，已建構將鎂用作推進劑之霍爾推力器。然而，對於此等系統，鎂推進劑並不從不需要的結構「提取」，如由本發明之系統所執行。
在以下描述中，闡述眾多細節以便提供對系統之更透徹描述。然而，熟習此項技術者將顯而易見，可在無此等特定細節之情況下實踐所揭示之系統。在其他情況下，尚未詳細描述熟知特徵以免不必要地混淆系統。
可在本文中就功能及/或邏輯組件及各種處理步驟而言描述 本發明的實施方式。應瞭解，可由經組態以執行指定功能之任何數目個硬體、軟體及/或韌體組件實現此類組件。舉例來說，本發明之實施方式可使用各種積體電路組件(例如，記憶體元件、數位信號處理元件、邏輯元件、查找表或其類似者)，該等積體電路組件可在一或多個處理器、微處理器或其他控制裝置之控制下進行多種功能。另外，熟習此項技術者將瞭解，可結合其他組件實踐本發明的實施方式，且本文中所描述之系統僅為本發明之一個實例實施方式。
出於簡潔起見，本文中可不詳細描述與霍爾推力器系統有關的習知技術及組件及系統(及系統之個別操作組件)之其他功能態樣。另外，本文中所含有之各種圖中所展示的連接線意欲表示各種元件之間的實例功能關係及/或實體耦接。應注意，本發明之實施方式中可存在許多替代或額外功能關係或實體連接。
圖1為描繪根據本發明之至少一個實施方式之可由用於太空船之太空推進之所揭示系統使用的太空船之例示性上部級110的圖100。在此圖中，所展示之上部級110為△IV第二級。應注意，在一或多個實施方式中，由不同製造商製造之不同於圖1中所展示之上部級110的上部級可由用於太空船之太空推進的所揭示系統使用。
亦在此圖中，上部級110展示為包含為圓柱形形狀之上部級外殼120。另外，上部級110展示為包括在網格組態中之複數個結構支撐件130。
圖2為展示根據本發明之至少一個實施方式之可由用於太空船之太空推進之所揭示系統使用的霍爾推力器系統210之圖200。在此圖 中，霍爾推力器系統210展示為包含帶式輸送機220、氣體密封件230、氣化器240、隔離器250及霍爾推力器260。
在霍爾推力器系統210之操作期間，推進劑之固體帶270被饋送至帶式輸送機220中。在此實例中，鎂帶為由霍爾推力器系統210利用之固體帶270的類型。然而，應注意，在其他實施方式中，可使用除了鎂帶以外的其他類型之固體帶270，包括(但不限於)鉍、鋅及銦帶。
帶式輸送機220將固體帶270饋送至氣體密封件230中。隨後，氣化器240加熱固體帶270，使得固體帶250轉換成氣體。氣體密封件230防止氣體洩漏。
隨後，使用隔離器250來控制氣體至霍爾推力器260之流動。霍爾推力器260隨後將氣體用作推進劑以產生推力。
圖3為說明根據本發明之至少一個實施方式之用於太空船之太空推進的所揭示系統之圖300，該圖展示使用切割輪320從而移除太空船之結構330之一部分的移除裝置310之俯視圖。在此圖中，移除裝置310使用類似於開罐器設計之機械切割器，該機械切割器包含切割輪320及鋸齒輪340。移除裝置310亦展示為包括複數個推力器350及繩索360。
在操作期間，在太空船(未展示)已被推動至最終軌道中之後，將使用移除裝置310(為機器人裝置)從待用作位於太空船上之霍爾推力器系統之固體推進劑的結構330「提取」材料。在此實例中，結構330為上部級。由此，移除裝置310可「提取」上部級之各種部分，包括(但不限於)上部級外殼及上部級之結構支撐件。然而，應注意，在其他實施方式中，結構330可為除上部級以外的來自太空船之不同結構。
並且，對於此實例，結構330係自鎂製成。鎂結構高效，且按體積計比鋁輕大致百分之三十四(34%)。鎂具有良好抗疲勞強度及振動阻尼能力。然而，應注意，在其他實施方式中，結構330可自除鎂以外的材料製成，該等材料包括(但不限於)鉍、鋅及銦。
在太空船已被推動至最終軌道中之後，經由繩索360繫栓至結構330(或太空船上之另一位置)之移除裝置310繞結構330爬行(或移動)同時移除(藉由使用切割輪320)結構330之呈帶370之形式的至少一部分。切割輪320與鋸齒輪340之組合在移除結構330之一部分期間輔助導引移除裝置310跨越結構330之邊緣。移除裝置310上之推力器350輔助移除裝置310繞結構330移動。應注意，在其他實施方式中，移除裝置310可包含用以輔助其自身繞結構330移動之至少一個輪(及/或其他類似類型之輸送裝置，諸如至少一個滾珠(roller ball))。
在移除裝置310已移除結構330之呈帶370之形式的部分之後，移除裝置310將帶370饋送至位於太空船上之霍爾推力器系統(未展示)中(參考圖2，圖2展示被饋送至霍爾推力器系統210中之固體帶270)。霍爾推力器系統將帶370用作推進劑以為太空船產生推力，從而達成各種在軌動作。
圖4為展示根據本發明之至少一個實施方式之圖3之移除裝置310之側視圖的圖400。在此圖中，移除裝置310展示為包含切割輪320及鋸齒輪340。
圖5為描繪根據本發明之至少一個實施方式之用於太空船之太空推進的所揭示系統之圖500，該圖展示使用雷射520從而移除太空船 之結構330之一部分的移除裝置510之俯視圖。在此圖中，移除裝置510使用雷射切割器，雷射切割器包含雷射520。移除裝置310亦展示為包括一對導引輪530、複數個推力器550及繩索360。
在操作期間，在太空船(未展示)已被推動至最終軌道中之後，將使用移除裝置510(為機器人裝置)從待用作位於太空船上之霍爾推力器系統之固體推進劑的結構330「提取」材料。在太空船已被推動至最終軌道中之後，經由繩索360繫栓至結構330(或太空船上之另一位置)之移除裝置510繞結構330爬行(或移動)同時移除(藉由使用雷射520)結構330之呈帶370之形式的至少一部分。導引輪530在移除結構330之一部分期間輔助導引移除裝置510跨越結構330之邊緣。移除裝置510上之推力器550輔助移除裝置510繞結構330移動。應注意，在其他實施方式中，移除裝置510可包含用以輔助其自身繞結構330移動之至少一個輪(及/或其他類似類型之輸送裝置，諸如至少一個滾珠)。
在移除裝置510已移除結構330之呈帶370之形式的部分之後，移除裝置310將帶370饋送至位於太空船上之霍爾推力器系統(未展示)中(參考圖2，圖2展示被饋送至霍爾推力器系統210中之固體帶270)。霍爾推力器系統將帶370用作推進劑以為太空船產生推力，從而達成各種在軌動作。
圖6為展示根據本發明之至少一個實施方式之圖5之移除裝置510之側視圖的圖600。在此圖中，移除裝置510展示為包含雷射520及一對導引輪530。移除裝置510展示為移除(藉由使用雷射520)結構330之呈帶370之形式的至少一部分。
圖7為說明根據本發明之至少一個實施方式之用於太空船之太空推進的所揭示系統之圖700，該圖展示使用剪刀機構720從而移除太空船之結構330之一部分的移除裝置710之俯視圖。在此圖中，移除裝置710使用機械切割器，機械切割器包含剪刀機構720。移除裝置710亦展示為包括一對導引輪730、複數個推力器750及繩索360。
在操作期間，在太空船(未展示)已被推動至最終軌道中之後，將使用移除裝置710(為機器人裝置)從待用作位於太空船上之霍爾推力器系統之固體推進劑的結構330「提取」材料。在太空船已被推動至最終軌道中之後，經由繩索360繫栓至結構330(或太空船上之另一位置)之移除裝置710繞結構330爬行(或移動)同時移除(藉由使用剪刀機構720)結構330之呈帶370之形式的至少一部分。導引輪730在移除結構330之一部分期間輔助導引移除裝置710跨越結構330之邊緣。移除裝置710上之推力器750輔助移除裝置710繞結構330移動。應注意，在其他實施方式中，移除裝置710可包含用以輔助其自身繞結構330移動之至少一個輪(及/或其他類似類型之輸送裝置，諸如至少一個滾珠)。
在移除裝置710已移除結構330之呈帶370之形式的部分之後，移除裝置710將帶370饋送至位於太空船上之霍爾推力器系統(未展示)中(參考圖2，圖2展示被饋送至霍爾推力器系統210中之固體帶270)。霍爾推力器系統將帶370用作推進劑以為太空船產生推力，從而達成各種在軌動作。
圖8為根據本發明之至少一個實施方式之展示圖7之移除裝置710之側視圖的圖800。在此圖中，移除裝置710展示為包含剪刀機構720 及一對導引輪730。移除裝置710展示為移除(藉由使用剪刀機構720)結構330之呈帶370之形式的至少一部分。
圖9為根據本發明之至少一個實施方式之描繪用於太空船之太空推進之所揭示方法900的流程圖。在方法900的開始910時，移除裝置移除太空船920之結構之一部分。隨後，移除裝置將該部分饋送至霍爾推力器系統930中。霍爾推力器系統隨後利用部分以產生推力940。隨後，方法900結束950。
儘管已展示並描述特定實施方式，但應理解，以上論述不意欲限制此等實施方式之範圍。雖然本文中已揭示並描述本發明之許多態樣之實施方式及變化，但僅出於解釋及說明之目的而提供此揭示。因此，可在不脫離申請專利範圍之範圍的情況下進行各種變化及修改。
在上文所描述之方法指示某些事件以特定次序發生的情況下，受益於本發明之一般熟習此項技術者將認識到，可修改排序，且此類修改係根據本發明之變化。另外，在可能時，方法之部分可在並行製程中同時執行以及依序執行。另外，可執行方法之更多部分或更少部分。
因此，實施方式意欲舉例說明可屬於申請專利範圍之範圍內的替代方案、修改及等效物。
儘管本文中已揭示某些說明性實施方式及方法，但熟習此項技術者可自前述揭示顯而易見，可在不脫離所揭示之技術之真實精神及範圍的情況下進行此等實施方式及方法之變化及修改。存在所揭示之技術之許多其他實例，該等實例僅在細節上各自不同於其他實例。因此，希望所揭示之技術應僅限於所附申請專利範圍及可適用法律之法則及原理所需的 程度。

Claims (14)

  1. 一種用於一太空船之太空推進的方法，該方法包含：經由一移除裝置移除該太空船之一結構之一部分，其中經由該移除裝置移除該太空船之該結構之該部分為呈一帶之形式；經由該移除裝置將該部分饋送至一霍爾推力器系統中；及經由該霍爾推力器系統將該部分用作推進劑以產生推力。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該移除裝置包含至少一個機械切割器及至少一個雷射切割器中之至少一者。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該至少一個機械切割器包含至少一個切割輪及至少一個剪刀機構中之至少一者。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該移除裝置經由至少一個繩索繫栓至該太空船。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該移除裝置為繞該太空船移動之一機器人裝置。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該移除裝置包含至少一個輪及至少一個推力器中之至少一者。
  7. 一種用於一太空船之太空推進的系統，該系統包含：一移除裝置，其用以移除該太空船之一結構之一部分且將該部分饋送至一霍爾推力器系統中，其中經由該移除裝置移除該太空船之該結構之該部分為呈一帶之形式；及該霍爾推力器系統，其用以將該部分用作推進劑以產生推力。
  8. 如申請專利範圍第7項之系統，其中該移除裝置包含至少一個機械切 割器及至少一個雷射切割器中之至少一者。
  9. 如申請專利範圍第8項之系統，其中該至少一個機械切割器包含至少一個切割輪及至少一個剪刀機構中之至少一者。
  10. 如申請專利範圍第7項之系統，其中該結構為該太空船之一上部級，該上部級包含至少一個結構支撐件及至少一個上部級外殼中之至少一者。
  11. 如申請專利範圍第7項之系統，其中該結構係自鎂、鉍、鋅及銦中之至少一者製成。
  12. 如申請專利範圍第7項之系統，其中該移除裝置經由至少一個繩索繫栓至該太空船。
  13. 如申請專利範圍第7項之系統，其中該移除裝置為繞該太空船移動之一機器人裝置。
  14. 如申請專利範圍第7項之系統，其中該移除裝置包含至少一個輪及至少一個推力器中之至少一者。
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