电能分配航天器及相关方法与流程

本发明涉及由航天器进行的电能分配。本发明还涉及一种使用这种航天器分配电能的方法。

背景技术：

1、今天，太空任务计划在自由空间中、轨道中或天体上的一点向客户飞行器提供电能。

2、根据任务的需要和要被供电的客户飞行器的位置，有必要实现若干不同的系统，以便将太阳能发电机带到客户飞行器的位置并向其供应电能。在最复杂的任务的情况下，需要提供一种旨在将太阳能发电机带入太空的发射系统、一种太空中运送和/或轨道循环系统以确保太阳能发电机在太空中的运输、以及一种确保太阳能发电机下降到天体上的下降系统。

3、例如，在专用于将电能分配给位于自由空间或轨道中的客户飞行器的任务的情况下，太阳能发电机被加载到配备有转移和/或轨道循环系统的航天器上。先前放置在地球轨道中的航天器将太阳能发电机带到客户飞行器。太阳能发电机然后可以与要连接到客户飞行器的转移和/或轨道循环系统分离，以便分配电能直到它达到其任务持续时间，而不能够被开发用于新任务的目的。

4、在另一任务示例中，之前也放置在地球轨道中的太阳能发电机可以旨在将电能分配给位于天体上的客户飞行器。为此，太阳能发电机可以作为有效载荷嵌入在允许太阳能发电机着陆在天体上的下降系统上。一旦在地面上，太阳能发电机就可以从着陆系统卸载以连接到客户飞行器并分配电能，直到达到其任务持续时间，而不能够为了新任务的目的而操作。

5、在一次性任务的所有情况下，现今使用的太阳能发电机旨在完成用于将电能分配到位于自由空间中、轨道中和/或天体上的点处的客户飞行器的任务，并且不能用于其他电能分配任务。结果，在现有任务中，为分配电能而覆盖的工作区域是有限的。

6、此外，使用若干不同的系统，其中，发射系统、空间转移和/或轨道循环系统以及下降系统，需要使用高质量设备，使得这种电能分配任务昂贵。

7、另一方面，计划用于这些任务或有效载荷的燃料容器可以由发射器(其不同于计划用于将太阳能发电机放置到地球轨道中的发射器)放置到地球轨道中，所述任务或有效载荷将被带到相同的客户飞行器以被供应电能或现场供应电能。增加了对发射器的需要。

8、此外，太阳能发电机具有向必须被供电的客户飞行器提供少量电能(几kw)的缺点。

技术实现思路

1、期望通过提供一种能够在其使用期限内执行若干电能分配任务的航天器来解决上述缺点中的至少一个。

2、还可能希望执行高功率电能分配任务。

3、还希望降低电能分配任务的成本。

4、还希望减少在地球轨道中对于这种任务的发射器的需要。

5、还希望提供用于分配电能以运载有效载荷的航天器。

6、为此，一个实施例提出了一种用于向客户飞行器分配电能的航天器，该航天器包括：主结构，其配备有电推进器、化学推进器和具有可变几何形状的太阳能发电机、用于电推进器的至少一个第一燃料容器、以及用于化学推进器的至少一个第二燃料容器，并且其中：航天器是模块化的，以将主结构可移除地联接到第一容器以将燃料供应到电推进器，或可移除地联接到第二容器以将燃料供应到化学推进器，并且将第一容器和第二容器可移除地彼此联接，太阳能发电机被配置为：被部署为将电能分配给位于自由空间中、轨道中或第一天体上的第一点的第一客户飞行器，并将航天器移位到位于自由空间中、轨道中或第二天体上的第二点的第二客户飞行器，并且该系统被收回以执行与自由空间中或轨道中的第一或第二客户飞行器的系泊阶段，以及朝向第三天体着陆的阶段和从第三天体起飞以返回到轨道的阶段。

7、术语“电推进器”是指包括一个或多个引擎的电推进单元。

8、术语“化学推进器”是指包括一个或多个引擎的化学推进单元。

9、术语“收回以允许航天器朝向另一客户飞行器的移位”意味着该移位包括在其他客户飞行器上的对接阶段和下降阶段等。

10、这种航天器具有在同一航天器中结合若干功能的优点，在这种情况下：使用化学推进器从航天器的天体发射到空间中，在空间中飞行器的转移和/或循环，以及将电能分配到其被带到的客户飞行器，以及使用太阳能发电机将电能分配到客户飞行器。

11、术语“可移除地联接”意味着例如第一元件，其与第二元件机械地分离以机械地附接到第三元件。第一元件的分离和附接之间的中间状态对应于第一元件与第二元件和第三元件机械分离的瞬态。

12、这些功能的组合允许将任意点处的电能分配到位于自由空间、轨道和/或天体上的不同点处的客户飞行器。

13、因此，这种航天器可以计划连续地执行将电能分配给位于自由空间、轨道中或天体上的客户飞行器的若干任务，并且这是以自主的方式进行的。

14、例如，这种航天器可以在执行将天体上的电能分配给第二客户飞行器的第二任务之前，执行将自由空间中或轨道中的电能分配给第一客户飞行器的第一任务。本发明当然不限于任务的该示例，并且可以用于本发明可利用的任务的任何组合，例如，向位于诸如月球的天体上的客户飞行器分配电能的第一任务，随后是向位于另一天体上的另一客户飞行器分配电能的第二任务。

15、主要结构由电推进器、化学推进器和几何形状可变太阳能发电机组成一个一体化的功能组件。

16、然而，可以提供的是，电推进器与主结构分离以进行更换。

17、客户飞行器可以是例如居住基础设施、生产基础设施、研究基础设施(微重力)、计算中心、重型装配装置。

18、应当理解，化学推进器允许在主结构的轨道中着陆或放置在地球以外的天体上或从地球以外的天体着陆或放置在主结构的轨道中。

19、应当理解，电推进器允许在自由空间中或在主结构的轨道中运送。

20、天体是指与地球截然不同并且配备有地面的物体，例如行星、月球或小行星。

21、化学推进器可以是单组元推进剂推进器或双组元推进剂推进器。

22、容纳在第一容器中的燃料优选是单组分推进剂或双组分推进剂。

23、优选地，电推进器可以是栅网式离子引擎推进器或霍尔电流推进器。

24、电推进器的燃料优选为惰性气体，更优选为单原子气体，例如氙、氩或氪。

25、根据一个实施例，太阳能发电机包括被配置为围绕同一轴线缠绕和展开的柔性光伏电池。

26、根据一个实施例，具有可变几何形状的太阳能发电机包括至少两个光伏电池或柔性帆板，其可相对于同一轴线折叠和展开。

27、文献fr2998876和fr3024227公开了这种柔性光伏电池或柔性帆板的用途。如这些文献中所述，这种柔性帆板可以使用这些文献中所述的可展开结构或装置卷起或展开。

28、文献fr2998876和fr3024227完全并入本说明书中。为此，如果适用，可展开结构或装置及其方法可与本航天器相关联。

29、在本说明书中，术语“卷绕”表示收回状态，术语“展开”表示展开状态。

30、根据一个实施例，航天器包括用于承载有效载荷的支撑结构，该支撑结构被配置成与第一容器和第二容器连接和分离。

31、根据一个实施例，太阳能发电机配备有通过导线和/或通过短距离波和/或通过激光来传递电能的装置。

32、可选地，传输有线电能的装置可以使用机器人臂或由宇航员手动地连接到客户飞行器。

33、根据一个实施例，主结构包括至少一个第三燃料容器，其旨在用于化学推进器，以允许航天器从天体返回到轨道。

34、至少一个第三容器形成允许航天器从天体再次起飞的燃料储备。

35、这种第三容器可以附接到主结构并且连接到航天器，以向化学推进器供应燃料，以便确保航天器从天体放置到轨道中。

36、当然，容纳在该第三容器中的燃料优选是单组分推进剂或双组分推进剂。

37、根据实施例，主结构包括对接装置，该对接装置被配置成将航天器联接到客户飞行器。

38、这种对接装置使得可以稳定客户飞行器处的航天器，以便于将电能分配给位于轨道中或自由空间中的客户飞行器。

39、根据一个实施例，主结构包括着陆装置，其被配置成允许航天器着陆在天体上。

40、根据一个实施例，航天器包括燃料传输装置，以确保航天器的燃料补给。

41、例如，其可以计划用于燃料补给货物飞船，以确保使用燃料传输装置给航天器补给燃料。

42、这种燃料补给装置可以由连接器和分配导管形成。

43、这种燃料传输装置可设置成给航天器补给燃料以用于化学推进或电推进。

44、实施例还可涉及一种用于使用如先前定义的飞行器空间将电能分配给位于自由空间中、轨道中或天体上的点处的至少一个客户飞行器的方法，该方法包括使用在将航天器放置到轨道中之后部署的电推进器和太阳能发电器，将先前放置在轨道中的航天器朝向位于自由空间中、轨道中或另一天体上的客户飞行器运送的运送步骤。

45、根据一个实施例，该方法包括以下步骤：将航天器对接到位于自由空间或轨道中的客户飞行器；以及将由太阳能发电机产生的电能分配给客户飞行器。

46、根据一个实施例，该方法包括以下步骤：

47、将航天器放置到围绕天体的轨道中；

48、收回太阳能发电机；

49、将第一容器从主结构分离；

50、将主结构联接到第二容器；

51、将第一容器从第二容器分离；

52、将航天器着陆到天体的地面上；

53、部署太阳能发电机；以及

54、将太阳能发电机产生的电能分配给天体上的客户飞行器。

55、根据一个实施例，航天器包括先前定义的承载有效载荷的支撑结构，在这种情况下，该方法包括在客户飞行器的现场卸载主结构或在补给燃料时提供客户飞行器的步骤。

56、支撑结构有利地布置在第一容器和第二容器之间。

57、根据实施例，在继续向另一客户飞行器的电能分配任务的情况下，该方法包括以下步骤：收回太阳能发电机；填充第二容器或可替代地将至少一个第三容器联接到主结构以将燃料供应到化学推进器；以及起飞以将航天器带入围绕天体的轨道中。

58、根据一个实施例，该方法包括以下步骤：将第三容器从主结构分离；在轨道中或在自由空间中为电推进器和化学推进器补给燃料，并且将航天器运送到客户飞行器。

59、燃料补给步骤可包括给第一容器和/或第二容器补给燃料，或者可选地，给航天器装备预先填充有燃料的另一第一容器和另一第二容器。

60、应当理解，在给第一容器和/或第二容器补给燃料的情况下，后者是先前已被收集的。

61、根据该第二实施例的其它特征，该方法包括至少使用电推进器并且使用在航天器放置在轨道中之后部署的太阳能发电机将航天器运送到位于自由空间中、轨道中或天体上的另一客户飞行器的步骤。

62、实施例还可以涉及一种用于在位于自由空间中、轨道中和/或天体上的点处向客户飞行器分配电能的航天器，该航天器包括：主结构，其配备有电推进器、化学推进器和具有可变几何形状的太阳能发电机，用于电推进器的至少一个第一燃料容器、用于化学推进器的至少一个第二燃料容器，航天器是模块化的以：将主结构可替代地联接到用于将燃料供应至电推进器或供应至用于将燃料供应至化学推进器的至少一个第二容器，至少一个第一容器和至少一个第二容器能够彼此联接/分离，具有可变几何形状的太阳能发电机旨在：被部署成向位于自由空间中、轨道中或天体上的点处的客户飞行器提供电力分配，并且将航天器移位到位于自由空间中、轨道中或另一天体上的另一点处的另一客户飞行器，该另一客户飞行器被收回以执行自由空间中或轨道中的对接阶段，以及朝向天体的着陆阶段和从天体起飞阶段以返回到轨道。

63、根据一个实施例，具有可变几何形状的太阳能发电机包括柔性光伏电池，其可以围绕同一轴线卷绕和展开。

64、根据一个实施例，太阳能发电机配备有通过导线和/或通过短距离波和/或通过激光来传递电能的装置。

65、根据一个实施例，航天器包括用于承载有效载荷的支撑结构，该支撑结构用于与至少一个第一容器和至少一个第二容器联接/分离。

66、根据一个实施例，主结构包括至少一个第三燃料容器，其用于化学推进器，以确保从天体上升到航天器的轨道中。

67、根据一个实施例，主结构包括用于将航天器联接到客户飞行器的对接装置。

68、根据一个实施例，主结构包括用于使航天器着陆在天体上的着陆装置。

69、根据一个实施例，航天器包括用于给航天器补给燃料的燃料传输装置。

70、实施例还可以涉及一种用于使用如先前定义的航天器将电能分配给至少一个客户飞行器的方法，该客户飞行器位于自由空间中、轨道中和/或天体上的点处，该航天器先前被放置在轨道上，该方法包括至少使用电推进器并且使用在其被放置在轨道中之后部署的太阳能发电机来将航天器朝向位于自由空间中、轨道中或天体上的客户飞行器运送的步骤。

71、根据实施例，在客户飞行器在自由空间中或在轨道中的情况下，该方法包括：将航天器与客户飞行器对接的步骤；

72、将由太阳能发电机产生的电能分配给客户飞行器的步骤。

73、根据一个实施例，在天体上的客户飞行器的情况下，该方法包括：将航天器放置到围绕天体的轨道中的步骤；收回太阳能发电机的步骤；将第一容器从主结构分离的步骤；将主结构联接到第二容器的步骤；将第一容器从第二容器分离的步骤；航天器着陆在天体地面的步骤；以及部署太阳能发电机的步骤；分配由太阳能发电机产生的电能的步骤。

74、根据一个实施例，在继续将电能分配到另一客户飞行器的任务的情况下，该方法包括：收回太阳能发电机的步骤；填充第二容器的步骤，或可替代地将至少一个第三容器联接到主结构以将燃料供应到化学推进器的步骤；起飞步骤，以将航天器带入围绕天体的轨道。

75、根据一个实施例，该方法包括：当航天器装备有至少一个第三容器时，将至少一个第三容器从主结构分离的步骤；为航天器的电推进器和化学推进器在轨道或自由空间中补给燃料的步骤，以及将航天器运送到另一客户飞行器的步骤。