一種以空間固體物質(zhì)為工質(zhì)的太空推進(jìn)裝置的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供了一種以空間固體物質(zhì)為工質(zhì)的太空推進(jìn)裝置，推進(jìn)裝置包括捕獲系統(tǒng)、存儲(chǔ)加工系統(tǒng)、彈射系統(tǒng)和電力系統(tǒng)，所述的捕獲系統(tǒng)包括支撐臂和柔性機(jī)械臂，柔性機(jī)械臂的固定端與支撐臂連接，活動(dòng)端設(shè)有機(jī)械爪，機(jī)械爪將捕獲的物質(zhì)送向存儲(chǔ)加工系統(tǒng)；所述的彈射系統(tǒng)為電磁加速軌道系統(tǒng)，包括線圈和發(fā)射體，線圈為上下兩個(gè)同軸線圈，兩個(gè)線圈之間有小段間隙，發(fā)射體可在兩個(gè)線圈之間通過(guò)，發(fā)射體的發(fā)射材料為存儲(chǔ)加工系統(tǒng)中加工的成品。本實(shí)用新型在進(jìn)入近地軌道時(shí)不必?cái)y帶大量燃料，而是在太空中獲得工質(zhì)，具備任意機(jī)動(dòng)、遂行多種任務(wù)的能力。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種以空間固體物質(zhì)為工質(zhì)的太空推進(jìn)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及航空宇航推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種以空間固體物質(zhì)為工質(zhì)的太空推進(jìn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]2007年10月24日18時(shí)05分(UTC+8時(shí))左右，中國(guó)首顆深空探測(cè)衛(wèi)星嫦娥一號(hào)衛(wèi)星于在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空。在經(jīng)過(guò)494天的飛行之后，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星于2009年3月I日下午15時(shí)36分開(kāi)始減速，經(jīng)過(guò)37分鐘的減速，衛(wèi)星以撞擊月球的方式成功落在月球的豐富海區(qū)域，結(jié)束了它的工作使命。
[0003]2006年I月19日，美國(guó)國(guó)家航空航天局從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角肯尼迪航天中心發(fā)射升空冥王星探測(cè)器新一地平線號(hào)，其主要任務(wù)是探測(cè)冥王星及其最大的衛(wèi)星卡戎和探測(cè)位于柯伊柏帶的小行星群?？疾熠ね跣侨蝿?wù)結(jié)束后，“新地平線”會(huì)繼續(xù)向離地球更遠(yuǎn)的宇宙空飛，在2017至2020年抵達(dá)一個(gè)由彗星和其他宇宙碎片構(gòu)成的中間環(huán)帶——柯伊柏帶，探測(cè)至少兩個(gè)直徑為40至90千米的柯伊伯帶天體，這一階段最多可能會(huì)持續(xù)5至10年。
[0004]上述兩個(gè)探測(cè)器均以深空探測(cè)為目的，使用化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為推進(jìn)方式。這種推進(jìn)方式的效果是需要攜帶大量燃料進(jìn)入近地軌道，對(duì)實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題:
[0005]1.入軌重量巨大，對(duì)火箭運(yùn)載能力要求很高;現(xiàn)有火箭的運(yùn)載能力也限制了航天器任務(wù)載荷的重量。
[0006]2.需要在任務(wù)開(kāi)始之前精確計(jì)算出所需燃料，任務(wù)完成后燃料基本耗盡，失去進(jìn)一步機(jī)動(dòng)的能力，難以接受其他任務(wù)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，提供了一種以空間固體物質(zhì)為工質(zhì)的太空推進(jìn)裝置，在進(jìn)入近地軌道時(shí)不必?cái)y帶大量燃料，而是在太空中獲得工質(zhì)，具備任意機(jī)動(dòng)、遂行多種任務(wù)的能力。
[0008]本實(shí)用新型提供的推進(jìn)裝置包括捕獲系統(tǒng)、存儲(chǔ)加工系統(tǒng)、彈射系統(tǒng)和電力系統(tǒng)，所述的捕獲系統(tǒng)包括支撐臂和柔性機(jī)械臂，柔性機(jī)械臂的固定端與支撐臂連接，活動(dòng)端設(shè)有機(jī)械爪，機(jī)械爪將捕獲的物質(zhì)送向存儲(chǔ)加工系統(tǒng);所述的彈射系統(tǒng)為電磁加速軌道系統(tǒng)，包括貫通式長(zhǎng)軌道，軌道內(nèi)兩側(cè)沿軌道分別分布有一對(duì)長(zhǎng)條同軸線圈，每對(duì)線圈中間穿入有一塊金屬板，兩塊金屬板中間連接有碗裝發(fā)射體，發(fā)射體的發(fā)射材料為存儲(chǔ)加工系統(tǒng)中加工的工質(zhì)塊。
[0009]進(jìn)一步改進(jìn)，推進(jìn)裝置還包括熱控系統(tǒng)，所述熱控系統(tǒng)一面朝陽(yáng)，朝陽(yáng)面上敷設(shè)電力系統(tǒng)，背陽(yáng)面上設(shè)有輻射板，輻射板上排布有若干熱管，熱管延伸到線圈和受熱面之間。
[0010]進(jìn)一步改進(jìn)，所述的電力系統(tǒng)為薄膜太陽(yáng)能電池。
[0011]以空間固體物質(zhì)為工質(zhì)的太空推進(jìn)方法，包括以下步驟:
[0012]I)捕獲系統(tǒng)的柔性機(jī)械臂定位并捕獲一顆太空中的金屬碎塊或者巖石碎塊，輸送向存儲(chǔ)加工系統(tǒng)；
[0013]2)存儲(chǔ)加工系統(tǒng)將其加工成大小形狀合適的小塊工質(zhì)塊，輸送向彈射系統(tǒng)；
[0014]3)彈射系統(tǒng)將加工好的小塊工質(zhì)塊加速拋出，從而獲得推力。
[0015]本實(shí)用新型有益效果在于:
[0016]1、本實(shí)用新型可以不斷地獲得新的工質(zhì)，從而具備了機(jī)動(dòng)性和使用靈活性。
[0017]2、可以銷(xiāo)毀太空垃圾。在利用太空垃圾作為工質(zhì)的時(shí)候，垃圾本身被減速，從而墜落回地球燒毀。
[0018]3、新發(fā)射的火箭可以不必進(jìn)行鈍化處理，從而節(jié)省運(yùn)力。入軌的第二級(jí)或者第三級(jí)火箭可以被本實(shí)用新型捕獲，作為工質(zhì)使用。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)不意圖。
[0020]圖2為彈射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3為本實(shí)用新型提供的推進(jìn)裝置從低軌道爬升至同步軌道高度軌跡圖。
[0022]圖4為本實(shí)用新型提供的推進(jìn)裝置從低軌道爬升至同步軌道過(guò)程總質(zhì)量隨時(shí)間變化圖。
[0023]圖5為本實(shí)用新型提供的推進(jìn)裝置從低軌道爬升至同步軌道過(guò)程高度隨時(shí)間變化圖。
[0024]圖6為本實(shí)用新型提供的推進(jìn)裝置從低軌道爬升至同步軌道過(guò)程速度隨時(shí)間變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0026]本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括捕獲系統(tǒng)、存儲(chǔ)加工系統(tǒng)5、彈射系統(tǒng)4和電+力系統(tǒng)3。系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如下:
[0027]1、捕獲系統(tǒng):
[0028]本實(shí)用新型由普通化學(xué)火箭發(fā)射入軌，處于近地軌道，收集足夠太空垃圾之后，就可以進(jìn)入同步軌道獲取那里的太空垃圾。由于需要在太空獲取太空垃圾，首先要有捕獲系統(tǒng)，捕獲系統(tǒng)包括支撐臂2和柔性機(jī)械臂I，柔性機(jī)械臂I的固定端與支撐臂2連接，活動(dòng)端設(shè)有機(jī)械爪，機(jī)械爪將捕獲的物質(zhì)送向存儲(chǔ)加工系統(tǒng)5。利用三條多功能柔性機(jī)械臂，抓取太空垃圾或者小行星。它的指尖非常的鋒利，可以刺穿薄壁結(jié)構(gòu)，或者插入松軟的巖石，從而固定比自身大的物體。機(jī)械臂在發(fā)射階段可以收進(jìn)內(nèi)部空間，便于發(fā)射。
[0029]機(jī)械臂的多功能體現(xiàn)在它可以操作專(zhuān)用的切割或挖掘工具，對(duì)所捕獲的物體進(jìn)行粗加工操作，獲得較小的塊。然后交由存儲(chǔ)加工系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步加工操作。
[0030]2、存儲(chǔ)加工系統(tǒng):
[0031]加工車(chē)間擁有較好的零件加工能力，首先測(cè)量機(jī)械臂送來(lái)的工質(zhì)塊的質(zhì)量和體積，然后選擇合適的工藝將其加工成質(zhì)量和體積都滿(mǎn)足要求的小塊，交由智能倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行分類(lèi)儲(chǔ)存?zhèn)溆谩Ｒ部梢罁?jù)指令加工出備用零件，甚至向其它航天器提供此類(lèi)產(chǎn)品。
[0032]3、彈射系統(tǒng)
[0033]彈射系統(tǒng)采用磁力線重接式電磁加速裝置。磁力線重接式電磁加速裝置是利用兩個(gè)磁場(chǎng)重新接合時(shí)產(chǎn)生的相互作用力來(lái)推動(dòng)發(fā)射體高速前進(jìn)。它是一種可以多級(jí)加速的、無(wú)接觸的感應(yīng)發(fā)射器。由于采用無(wú)接觸式發(fā)射，避免了導(dǎo)軌燒蝕與過(guò)熱等問(wèn)題，而且重接式每單位長(zhǎng)度傳遞給彈丸的能量要比其它電磁發(fā)射方式多得多。
[0034]彈射系統(tǒng)如圖2所示，包括貫通式長(zhǎng)軌道9，軌道9內(nèi)兩側(cè)沿軌道9分別分布有一對(duì)長(zhǎng)條同軸線圈6，每對(duì)線圈6中間穿入有一塊金屬板7，兩塊金屬板7中間連接有碗裝發(fā)射體8，發(fā)射體8的發(fā)射材料為存儲(chǔ)加工系統(tǒng)中加工的工質(zhì)塊。
[0035]為了盡量增加軌道長(zhǎng)度，采用貫通式長(zhǎng)軌道，長(zhǎng)達(dá)20米。軌道主要的承力部分為軌道框架，軌道框架是用來(lái)容納、固定加速線圈的結(jié)構(gòu)。加速過(guò)程中必須保證軌道框架的變形在合理的范圍內(nèi)。對(duì)于航天飛行器而言，重量是個(gè)必須要斤斤計(jì)較的事情。因此，軌道框架所用材料必須有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)還得盡可能地輕。軌道框架使用類(lèi)似TC4高強(qiáng)度鈦合金。
[0036]考慮到工質(zhì)來(lái)源復(fù)雜，材料各不相同，所以電磁加速裝置配用的發(fā)射體為專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制造的，并能夠重復(fù)使用，工質(zhì)塊被做成合適的形狀放置在發(fā)射體內(nèi)，隨發(fā)射體一起加速到預(yù)定值時(shí)，發(fā)射體減速，工質(zhì)塊靠慣性繼續(xù)運(yùn)行。
[0037]4、熱控系統(tǒng)
[0038]由于加速過(guò)程電流較大，為了提高能量利用率，減少發(fā)熱，線圈和發(fā)射體采用了在液氮溫區(qū)的高溫超導(dǎo)材料制作。根據(jù)這個(gè)要求設(shè)計(jì)了熱控系統(tǒng)，首先從姿態(tài)上保證只有一面朝向太陽(yáng)，表面敷設(shè)薄膜太陽(yáng)能電池，薄膜電池與結(jié)構(gòu)之間使用隔熱材料;另一面使用輻射板散熱。熱管延伸到線圈組和受熱面之間，阻止熱量傳遞到線圈上。
[0039]5、電力系統(tǒng)
[0040]采用太陽(yáng)能作為能量來(lái)源，擁有兩片巨大的太陽(yáng)能電池，其主體是由纜繩牽拉張開(kāi)的薄膜太陽(yáng)能電池，薄膜電池在發(fā)射時(shí)處于折疊狀態(tài)，入軌之后展開(kāi)。由于電磁加速器推進(jìn)方式不是連續(xù)的，整個(gè)飛船會(huì)受到一個(gè)不連續(xù)的過(guò)載，需要在薄膜電池前方設(shè)置支撐臂(如圖)，減小薄膜電池受到的影響，同時(shí)支撐臂作為纜繩的支點(diǎn)，也在前進(jìn)方向提供一定的保護(hù)作用;折疊狀態(tài)下作為薄膜電池的收納之處，同時(shí)也對(duì)主體部分提供一定的保護(hù)。
[0041 ]本實(shí)例太陽(yáng)能電池總面積達(dá)到676.793m2，在地球附近工作時(shí)，太陽(yáng)常數(shù)取值為1367W/V，考慮到能量轉(zhuǎn)化效率取0.5的情況下，每分鐘可以將0.5kg的工質(zhì)加速到10537m/
S。保證離開(kāi)的工質(zhì)塊以一個(gè)較大的速度進(jìn)入大氣層燒毀。
[0042]為了進(jìn)一步驗(yàn)證本設(shè)計(jì)推進(jìn)方式的可行性，基于航天器軌道力學(xué)，對(duì)其從200km低軌道爬升至同步軌道高度的過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)模擬，結(jié)果如圖3至6所示。
[0043]該算例中本實(shí)例空重20噸，攜帶12噸工質(zhì)，采用0.5kg/min的工質(zhì)噴射質(zhì)量流量，10537m/s的速度，從200km低軌道加速到同步軌道高度，工質(zhì)消耗量為11.43噸。還剩0.57噸可以用來(lái)進(jìn)行軌道調(diào)整和在軌機(jī)動(dòng)。模擬結(jié)果表明，攜帶12噸太空垃圾作為工質(zhì)，足夠達(dá)到同步軌道，所花費(fèi)時(shí)間為16天。
[0044]本實(shí)用新型還包括以下常規(guī)飛船系統(tǒng):
[0045]1、導(dǎo)航控制系統(tǒng):
[0046]前述模擬結(jié)果給出了本實(shí)例從近地軌道到同步軌道所需的太空垃圾總質(zhì)量，實(shí)際上太空垃圾的收集，需要不斷地變軌和捕捉，每次變軌都會(huì)消耗一定量的工質(zhì)。因此每次獲取的太空垃圾不宜過(guò)小。
[0047]考慮到運(yùn)載火箭發(fā)射時(shí)候，第二級(jí)火箭已經(jīng)達(dá)到入軌速度，可以作為比較理想的工質(zhì)來(lái)源。特別是本實(shí)例自身入軌時(shí)候，可以將所用火箭的第二級(jí)直接捕獲，分解后作為工質(zhì)使用。全世界每年的航天發(fā)射數(shù)量巨大，2014年世界航天發(fā)射次數(shù)達(dá)到92次，其中中國(guó)16次。這些航天發(fā)射活動(dòng)的第二級(jí)火箭提供了大量入軌的第二級(jí)火箭可供抓取，同時(shí)無(wú)需進(jìn)行鈍化處理，從而節(jié)約運(yùn)力。
[0048]本實(shí)例的導(dǎo)航控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)在捕獲這些目標(biāo)過(guò)程中，進(jìn)行路徑規(guī)劃及變軌。結(jié)合已有太空垃圾種類(lèi)、質(zhì)量及軌道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，提出一種社會(huì)群體搜索算法，社會(huì)群體搜索算法對(duì)垃圾群體的分類(lèi)及信息反饋機(jī)制，引入交叉變異和淘汰機(jī)制增加搜索范圍，提升社會(huì)群體搜索算法在飛行器捕捉太空垃圾中的有效性和高效性，進(jìn)一步減少飛行器變軌次數(shù)和能量損耗，增加捕獲太空垃圾的數(shù)量和質(zhì)量。
[0049]2、損害管制系統(tǒng):
[0050]鑒于本實(shí)例要長(zhǎng)期多次的執(zhí)行任務(wù)，有必要也有條件準(zhǔn)備損害管制系統(tǒng)。一旦出現(xiàn)碰撞損傷，可以利用獲取的太空垃圾或者金屬質(zhì)小行星作為原料，由智能倉(cāng)庫(kù)里的加工設(shè)備，制造出用于臨時(shí)更換的零件，由機(jī)械臂負(fù)責(zé)安裝到位。執(zhí)行往返任務(wù)歸來(lái)以后，再由全新的零件替換。同時(shí)，損管系統(tǒng)要有預(yù)防措施，比如將一些暫時(shí)不用的大塊工質(zhì)固定在容易遭到其它碎片碰撞的方向，從而起到保護(hù)作用。
[0051 ] 3、任務(wù)載荷系統(tǒng):
[0052]由于本實(shí)例可以進(jìn)行多次往返任務(wù)，所以其任務(wù)載荷系統(tǒng)，可以做成獨(dú)立的模塊，在需要的時(shí)候進(jìn)行安裝更換，可以根據(jù)任務(wù)需求決定置于外表面，或者艙內(nèi)，使用靈活方便。
[0053]本實(shí)用新型具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種以空間固體物質(zhì)為工質(zhì)的太空推進(jìn)裝置，其特征在于:包括捕獲系統(tǒng)、存儲(chǔ)加工系統(tǒng)(5)、彈射系統(tǒng)(4)和電力系統(tǒng)(3)，所述的捕獲系統(tǒng)包括支撐臂(2)和柔性機(jī)械臂(I)，柔性機(jī)械臂(I)的固定端與支撐臂(2)連接，活動(dòng)端設(shè)有機(jī)械爪，機(jī)械爪將捕獲的物質(zhì)送向存儲(chǔ)加工系統(tǒng)(5);所述的彈射系統(tǒng)(4)為電磁加速軌道系統(tǒng)，包括貫通式長(zhǎng)軌道(9)，軌道(9)內(nèi)兩側(cè)沿軌道(9)分別分布有一對(duì)長(zhǎng)條同軸線圈(6)，每對(duì)線圈(6)中間穿入有一塊金屬板(7 )，兩塊金屬板(7 )中間連接有碗裝發(fā)射體(8 )，發(fā)射體(8 )的發(fā)射材料為存儲(chǔ)加工系統(tǒng)中加工的工質(zhì)塊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以空間固體物質(zhì)為工質(zhì)的太空推進(jìn)裝置，其特征在于:還包括熱控系統(tǒng)，所述熱控系統(tǒng)一面朝陽(yáng)，朝陽(yáng)面上敷設(shè)電力系統(tǒng)，背陽(yáng)面上設(shè)有輻射板，輻射板上排布有若干熱管，熱管延伸到線圈和受熱面之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的以空間固體物質(zhì)為工質(zhì)的太空推進(jìn)裝置，其特征在于:所述的電力系統(tǒng)(3)為薄膜太陽(yáng)能電池。
【文檔編號(hào)】B64G4/00GK205525036SQ201521067234
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2015年12月21日
【發(fā)明人】李國(guó)華, 李鑫郡, 寧雷鳴, 趙彧, 黃根勇
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)