一種以空間固體物質(zhì)為工質(zhì)的太空推進裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及航空宇航推進技術領域，具體是一種以空間固體物質(zhì)為工質(zhì)的太空推進裝置及其方法。
【背景技術】
[0002]2007年10月24日18時05分(UTC+8時)左右，中國首顆深空探測衛(wèi)星嫦娥一號衛(wèi)星于在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空。在經(jīng)過494天的飛行之后，嫦娥一號衛(wèi)星于2009年3月I日下午15時36分開始減速，經(jīng)過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，結束了它的工作使命。
[0003]2006年I月19日，美國國家航空航天局從佛羅里達州卡納維拉爾角肯尼迪航天中心發(fā)射升空冥王星探測器新一地平線號，其主要任務是探測冥王星及其最大的衛(wèi)星卡戎和探測位于柯伊柏帶的小行星群?？疾熠ね跣侨蝿战Y束后，“新地平線”會繼續(xù)向離地球更遠的宇宙空飛，在2017至2020年抵達一個由彗星和其他宇宙碎片構成的中間環(huán)帶——柯伊柏帶，探測至少兩個直徑為40至90千米的柯伊伯帶天體，這一階段最多可能會持續(xù)5至10年。
[0004]上述兩個探測器均以深空探測為目的，使用化學火箭發(fā)動機作為推進方式。這種推進方式的效果是需要攜帶大量燃料進入近地軌道，對實際應用帶來兩個問題:
I.入軌重量巨大，對火箭運載能力要求很高;現(xiàn)有火箭的運載能力也限制了航天器任務載荷的重量。
[0005]2.需要在任務開始之前精確計算出所需燃料，任務完成后燃料基本耗盡，失去進一步機動的能力，難以接受其他任務。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術的問題，提供了一種以空間固體物質(zhì)為工質(zhì)的太空推進裝置及其方法，在進入近地軌道時不必攜帶大量燃料，而是在太空中獲得工質(zhì)，具備任意機動、遂行多種任務的能力。
[0007]本發(fā)明提供的推進裝置包括捕獲系統(tǒng)、存儲加工系統(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械臂，柔性機械臂的固定端與支撐臂連接，活動端設有機械爪，機械爪將捕獲的物質(zhì)送向存儲加工系統(tǒng);所述的彈射系統(tǒng)為電磁加速軌道系統(tǒng)，包括貫通式長軌道，軌道內(nèi)兩側(cè)沿軌道分別分布有一對長條同軸線圈，每對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)射材料為存儲加工系統(tǒng)中加工的工質(zhì)塊。
[0008]進一步改進，推進裝置還包括熱控系統(tǒng)，所述熱控系統(tǒng)一面朝陽，朝陽面上敷設電力系統(tǒng)，背陽面上設有輻射板，輻射板上排布有若干熱管，熱管延伸到線圈和受熱面之間。
[0009]進一步改進，所述的電力系統(tǒng)為薄膜太陽能電池。
[0010]本發(fā)明還提供了一種以空間固體物質(zhì)為工質(zhì)的太空推進方法，包括以下步驟: 1)捕獲系統(tǒng)的柔性機械臂定位并捕獲一顆太空中的金屬碎塊或者巖石碎塊，輸送向存儲加工系統(tǒng)；
2)存儲加工系統(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)；
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。
[0011]本發(fā)明有益效果在于:
1、本發(fā)明可以不斷地獲得新的工質(zhì)，從而具備了機動性和使用靈活性。
[0012]2、可以銷毀太空垃圾。在利用太空垃圾作為工質(zhì)的時候，垃圾本身被減速，從而墜落回地球燒毀。
[0013]3、新發(fā)射的火箭可以不必進行鈍化處理，從而節(jié)省運力。入軌的第二級或者第三級火箭可以被本發(fā)明捕獲，作為工質(zhì)使用。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明結構示意圖。
[0015]圖2為彈射系統(tǒng)結構示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明提供的推進裝置從低軌道爬升至同步軌道高度軌跡圖。
[0017]圖4為本發(fā)明提供的推進裝置從低軌道爬升至同步軌道過程總質(zhì)量隨時間變化圖。
[0018]圖5為本發(fā)明提供的推進裝置從低軌道爬升至同步軌道過程高度隨時間變化圖。
[0019]圖6為本發(fā)明提供的推進裝置從低軌道爬升至同步軌道過程速度隨時間變化圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0021 ]本發(fā)明結構如圖1所示，包括捕獲系統(tǒng)、存儲加工系統(tǒng)5、彈射系統(tǒng)4和電力系統(tǒng)3。系統(tǒng)具體結構如下:
1、捕獲系統(tǒng):
本發(fā)明由普通化學火箭發(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和柔性機械臂I，柔性機械臂I的固定端與支撐臂2連接，活動端設有機械爪，機械爪將捕獲的物質(zhì)送向存儲加工系統(tǒng)5。利用三條多功能柔性機械臂，抓取太空垃圾或者小行星。它的指尖非常的鋒利，可以刺穿薄壁結構，或者插入松軟的巖石，從而固定比自身大的物體。機械臂在發(fā)射階段可以收進內(nèi)部空間，便于發(fā)射。
[0022]機械臂的多功能體現(xiàn)在它可以操作專用的切割或挖掘工具，對所捕獲的物體進行粗加工操作，獲得較小的塊。然后交由存儲加工系統(tǒng)進行進一步加工操作。
[0023]2、存儲加工系統(tǒng):
加工車間擁有較好的零件加工能力，首先測量機械臂送來的工質(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)量和體積都滿足要求的小塊，交由智能倉庫進行分類儲存?zhèn)溆?。也可依?jù)指令加工出備用零件，甚至向其它航天器提供此類產(chǎn)品。
[0024]3、彈射系統(tǒng)
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磁場重新接合時產(chǎn)生的相互作用力來推動發(fā)射體高速前進。它是一種可以多級加速的、無接觸的感應發(fā)射器。由于采用無接觸式發(fā)射，避免了導軌燒蝕與過熱等問題，而且重接式每單位長度傳遞給彈丸的能量要比其它電磁發(fā)射方式多得多。
[0025]彈射系統(tǒng)如圖2所不，包括貫通式長軌道5，軌道5內(nèi)兩側(cè)沿軌道5分別分布有一對長條同軸線圈6，每對線圈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)射材料為存儲加工系統(tǒng)中加工的工質(zhì)塊。
[0026]為了盡量增加軌道長度，采用貫通式長軌道，長達20米。軌道主要的承力部分為軌道框架，軌道框架是用來容納、固定加速線圈的結構。加速過程中必須保證軌道框架的變形在合理的范圍內(nèi)。對于航天飛行器而言，重量是個必須要斤斤計較的事情。因此，軌道框架所用材料必須有足夠的強度，同時還得盡可能地輕。軌道框架使用類似TC4高強度鈦合金。
[0027]考慮到工質(zhì)來源復雜，材料各不相同，所以電磁加速裝置配用的發(fā)射體為專門設計制