CN111417576A - 在地球轨道中释放人造卫星的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将人造卫星释放到地球轨道中的方法，该方法包括：提供能够在轨道高度处移动并包括货物区域(12a)的轨道运输航天器(1)，将多个卫星(12)钩挂在所述货物区(12a)中，将所述轨道运输航天器容纳在被配置为到达轨道高度的空间发射器(100)中，当所述空间发射器(100)到达轨道高度时，通过向所述轨道运输航天器(1)施加分离推力，在轨道高度处释放所述轨道运输航天器(1)，从货物区域(12a)按顺序释放卫星(12)。每个卫星(12)从货物区域(12a)的释放发生在相应的预定方向上，且发生在轨道运输航天器(1)已经到达相应的预定位置时。

Description

在地球轨道中释放人造卫星的方法

技术领域

本发明涉及一种将人造卫星释放到地球轨道中的方法，优选的，该人造卫星为小型卫星或纳米卫星。

背景技术

在过去的十年中，技术的发展已经导致消费设备的快速技术淘汰，并导致几年的技术周转时间。在这点上，移动电话领域可以被认为是一个示例。

相反，在人造空间卫星的领域中，考虑到人造卫星持续长时间的能力(在一些情况下超过15年)，技术的发展趋向于以慢得多的步伐前进。因此，进入这个空间领域的成本只能由政府机构和一些大公司承受，而只有政府机构和一些大公司能够承担开发人造卫星和将它们按顺序放置的巨大成本。

然而，研究中心和大学的科学研究需要产生了通过极小型卫星来使用空间的新尝试，该极小型卫星可以使用在自由市场上可获得的小型化电子技术以相对低的成本建造。

在这方面，从1999年开始，加州理工大学和斯坦福大学开始开发并提出了新卫星的标准，由于新卫星的特殊的立方体形状，称为“立方体卫星(Cubesat)”，尺寸为10x10x10cm。这种类型的卫星(其与小型卫星的常规定义相匹配，更具体地与纳米卫星的传统定义相匹配)是模块化卫星，允许容纳较大卫星的所有典型子系统，但是放弃了较大和更昂贵卫星的性能。

小型卫星和纳米卫星，特别是它们的立方体卫星格式的标准化版本，已经变得非常流行，并且最初主要由大学使用来允许学生和研究人员将部件和研究项目发送到太空。

然而，这种类型的卫星对于商业目的而言很快有价值，而且越来越多的私人公司意识到能够发射立方体卫星群以在地球上提供服务的价值，用这些卫星在轨道中的高数量(高达数百个样本)和这些卫星以编队或卫星群形式的飞行来减轻这些卫星固有的较低性能水平。

虽然在过去60年中已经发射了大约6,000个人造卫星，但是今天由私人资本支持的数百个新的私人公司正在建造并期望在接下来的5-10年中发射超过23,000个人造卫星。

立方体卫星如同任何其它具有空间运载器的高级卫星一样被运输进入太空。然而，它们的小型尺寸使得它们的专用发射是不经济的；为此，它们总是作为其它较大卫星的次级有效载荷而被放置在轨道中。发射器通常销售60至100百万美元，因此对于时常花费小于百万欧元的小型卫星来说，难以获得专用的发射资格。

因此，这些小型卫星的运营商已经以几十万美元的成本将小型卫星与较大卫星一起“搭载”到轨道中，接受了不能选择何时发射或者何时将它们释放到轨道中。这些决定是主卫星的唯一特权，为此支付了发射器的大部分成本。

通常在释放主卫星之后，几乎一致地释放立方体卫星，构成在太空中缓慢分散的云状物。

因此，立方体卫星释放需要数月才能分散，因为它们只能利用地球的重力场与太阳风的变化来改变在轨道中的位置及漂移直到到达期预期的位置。

可选地，通过国际空间站用基博(Kibo)模块和机械臂将立方体卫星放置在轨道内。使用机械臂使得运营商能够选择用于提取卫星的时间，并提供以不同的姿态和力量释放立方体卫星的能力。

从空间站，也可以使用由纳诺拉克斯(Nanoracks)公司操作的商业系统从国际空间站驱逐卫星，其方法类似于从运载器驱逐立方体卫星的一个应用。

在任何情况下，可以从国际空间站发射的卫星的数量是极其有限的，并且释放轨道是空间站的轨道，因此轨道在大约400km的高度和51.54度的倾角处。

这是一个严重的问题，因为这些小型卫星中的大多数不具有机载推进能力。

期望用于其立方体卫星的特定释放条件的运营商在找到具有适合于他们需要的轨道参数的发射之前必须等待很长时间(平均一到两年)产生了可能危及其业务的不确定性和延迟。

此外，操作立方体卫星群的任何人必须保证他们的卫星尽可能彼此等距，以允许更有效的地球覆盖并为他们的客户提供更高质量的服务。现在，在同一次发射过程中释放的立方体卫星群需要6到10个月才能沿着轨道充分地且均匀地分散。

考虑到轨道中立方体卫星的平均寿命是一年且几乎不能超过两年(因为由于导致其重新进入的自然力量而向地球逐渐衰减)，很明显，仅为卫星群的分散花费超过一半的工作寿命是立方体卫星运营商之间的首要关键问题。

发明内容

在这种情况下，本发明提出了一种可用的将人造卫星释放到地球轨道中的方法，该方法解决了上述关键问题。

具体地，本发明涉及一种将人造卫星释放到地球轨道中的方法，所述方法包括：

提供能够在轨道高度处移动并包括货物区域的轨道运输航天器；

将多个卫星钩挂在所述货物区域中；

将所述轨道运输航天器容纳在被配置为到达轨道高度的空间发射器中；

当所述空间发射器到达轨道高度时，通过向所述轨道运输航天器施加分离推力，在轨道高度处释放所述轨道运输航天器；

从所述货物区域按顺序释放卫星；

其中，每个卫星从货物区域的释放发生在相应的预定方向上，且发生在轨道运输航天器已经到达相应的预定位置时。

优选地，在释放每个卫星之前，调整所述轨道运输航天器的姿态。

优选地，每个卫星以相应的分离速度释放；每个分离速度被预定，使得被释放的卫星到达预定的轨道位置。

优选地，每个卫星在与轨道运输航天器的运动方向相反的方向上被释放。

优选地，每个卫星在与之前刚释放的卫星的释放方向相反的方向上被释放，其中，之前刚释放的所述卫星的释放方向与轨道运输航天器的运动方向相反。

优选地，将多个卫星钩挂在所述货物区域中包括提供多个释放系统并用所述释放系统中的一个钩挂每个卫星。

优选地，所述多个释放系统包括多个释放管道，每个释放管道被配置为分别释放一个或更多个卫星；所述释放管道并排布置以形成释放管道矩阵。

优选地，根据预定的释放模式释放所述卫星。

优选地，每当卫星被释放时，轨道运输航天器的推进系统被激活，以将轨道运输航天器定位在预定的和随后的轨道位置中。

优选地，在已经释放所有卫星之后，轨道运输航天器在大气层进入轨迹中移动。

附图说明

本发明的进一步的特征和优点将从下面参照附图并通过说明性和非限制性示例的方式提供的一些优选实施例的详细描述中变得更加清楚。在这些附图中：

图1示意性地示出了空间发射器；

图2示意性地示出了轨道运输航天器；

图3示意性地示出了图2的轨道运输航天器的第一部件；

图4示出了图3的部件的细节；

图5示意性地示出了图2的轨道运输航天器的第二部件；

图6示意性地示出了图3的部件内的纳米卫星的布置；以及

图7和8示出了根据本发明的卫星的轨道定位的两个示例。

具体实施方式

在图1中，数字100表示能够到达围绕地球的轨道高度的空间发射器。空间发射器100可以是具有垂直起飞的类型的空间运载器，其能够从地球表面到达围绕地球的轨道，或者空间发射器100是从航空器释放的运载器，其能够到达围绕地球的轨道。

优选地，所到达的轨道高度是低地球轨道(LEO)，即在距地球表面200km和2000km之间的地球的大气层和范艾伦带之间的高度处围绕地球的圆形轨道。

空间运载器100包括推进系统101(例如化学推进剂)、控制和引导系统(未示出)以及用于有效载荷的容纳室102。

所述有效载荷例如可以包括主卫星103和多个次级卫星104。

至少一个轨道运输航天器1找到存储空间，并容纳在容纳室102内。

轨道运输航天器1通过传统的轨道分离系统105连接到空间发射器100，所述轨道分离系统105被配置为一旦空间发射器100到达预定的轨道高度就以预定的推力释放轨道运输航天器1。

优选地，所述轨道高度是适于释放主卫星103的轨道高度，即适于释放空间发射器100的主有效载荷的轨道高度。

轨道运输航天器1包括卫星平台2，所述卫星平台2包含控制和管理卫星所必需的所有子系统。所述子系统(未示出或进一步描述，因为它们是常规的)是冗余的，即，这些子系统被复制以增加子系统的可靠性。

如图5中示意性地示出的，卫星平台2还包括由电源4(例如电池)供电的命令与控制模块3，该电源4优选地专用于命令与控制模块3。

命令与控制模块3包括能够在地球的表面上发送信号的信号发射机5和能够从地球的表面接收信号的信号接收机6。

命令与控制模块3还包括定时器7和多个驱动器板8，所述多个驱动器板8被配置为生成驱动信号8并将该驱动信号发送到致动器构件15。

卫星平台2还包括至少一个传统的推进系统9，所述推进系统9被配置为使轨道运输航天器1沿轨道移动或将轨道运输航天器1移动到不同的轨道。推进系统9还被配置成校正和/或改变轨道运输航天器1的姿态。

轨道运输航天器1还包括机械接口10，轨道运输航天器1通过该机械接口10连接到空间发射器100。

轨道运输航天器1还包括多个释放系统20。每个释放系统20包括POD(皮卫星轨道部署器)11，所述POD内部容纳一个或更多个卫星12。POD用作释放管道，具有存储、运输和释放必须放置在轨道中并且优选地容纳在轨道运输航天器1的货物区域12a中的卫星12的功能。

POD 11是模块化的且彼此独立。例如，轨道运输航天器1可运输各自为1个单位(1个立方体卫星单位定义为10x10x10 cm的体积)的48个立方体卫星，或各自为3个单位的16个立方体卫星，或各自为6个单位的8个立方体卫星，或各自为12个单位的4个立方体卫星，以及它们的混合配置。

图6示出了由轨道运输航天器1运输的立方体卫星的混合配置的示例，其中A1和C1表示相应的6单位立方体卫星，A3、A4、B1、B2、C1、D1、D3、D4表示相应的1单位的三个立方体卫星的行，B3表示12单位立方体卫星。

图3示出了多个POD 11，其中每个POD能够容纳3单位立方体卫星。POD 11可以由安装在POD本身的结构上的光伏板11a供电，或者更优选地，POD 11由轨道运输航天器1的卫星平台2供电。

如图4所示(其示出了用于运输和释放3单元的立方体卫星的POD)，每个POD设置有安全壳套13、打开门14和致动器构件15以驱逐所运输的立方体卫星，从而向该立方体卫星施加预定的推力。

所述致动器构件15例如可以是根据在释放时施加到卫星的推力而预装载的弹簧。

POD 11相互并排排列以形成POD矩阵，其中优选地，所有的打开门14以相同的取向放置，并且共面，如图3所示。

根据本发明的方法，轨道运输航天器1装备有插入POD 11中然后容纳在空间发射器100中的卫星12。

空间发射器100被放置在围绕地球的轨道中。由空间发射器100所到达的高度和位置通常是为释放主卫星103而特别规定的轨道高度和位置，主卫星103代表空间发射器的最重要的有效载荷，并且主要针对主卫星103构思空间任务。

此时，轨道运输航天器1被空间发射器100释放。释放步骤发生，向轨道运输航天器1施加分离推力，能够从空间发射器100移除轨道运输航天器1。所述推力给予运输航天器1动力，该动力根据当前规则和/或任务参数能够在几天(通常2或3天)的时间间隔内将轨道运输航天器1移动到所到达的轨道中。

注意，在该步骤中，轨道运输航天器1的推进系统9未被激活。

可选地，如果轨道运输航天器1必须到达不同的轨道高度，或者如果必须向轨道运输航天器1施加比由分离推力施加的动力更大的动力，则激活推进系统9。

在任何情况下，轨道运输航天器1然后移动远离空间发射器100。

当轨道运输航天器1到达第一预定位置时，释放第一卫星12。

所述预定位置是根据卫星12必须被放置在轨道中的位置来计算的。

通过向卫星12施加分离推力释放卫星12。所述分离推力例如可以由POD的致动器构件15施加。所述分离推力优选地在计划任务时被预定，然后预先设定。可选地，所述分离推力可以在卫星12释放时根据轨道运输航天器1到达的精确位置(其可以不同于计划任务时指定的位置)来确定。

在任何情况下，卫星12以确保在不需要附加操控的情况下到达期望的位置的分离速度，以预先设定和预先计算的方向移动远离轨道运输航天器1。以这种方式，即使卫星12没有设置自主推进系统，也能够对其进行定位。

在卫星12释放之前，为了确保所述卫星沿选定方向移动离开，轨道运输航天器1的推进系统9被激活以校正轨道运输航天器1的姿态。

在本发明的优选实施例中，卫星12在与轨道运输航天器1的运动方向相反的方向上被释放。

一旦第一卫星被释放，轨道运输航天器1到达新的释放位置，并如上所述重复释放附加的卫星12的操作。

以这种方式，确保了卫星12在与轨道运输航天器1沿着轨道的运动方向相反的方向上的逐渐释放，而不需要对卫星12的部分进行附加的操控(如图7中示意性地示出的)。这允许在大约88天内释放例如16个卫星。

卫星12的释放顺序可以根据卫星12的运营商的需要预先设定或根据情况决定。

可选地，相继释放的两个卫星12在基本上相互相反的方向上释放。每次释放都遵循上述步骤，不同之处在于，在使轨道运输航天器1重新定向之后，第二卫星12在与轨道运输航天器1的前进轨道方向匹配的方向上被释放，如图8中示意性地示出的。

申请人已经计算出，与卫星的去除方向总是指向与轨道运输航天器1的前进方向相反的方向的释放顺序相比，以这种方式可以将卫星12的总释放时间减少35％。

卫星12的分离推力和相关的分离速度可以彼此不同，并且如上所述，选择它们以确保在最短的可能时间内校正卫星12的定位。

在卫星12的定位结束时，轨道运输航天器1被放置在大气层进入轨迹上，避免轨道运输航天器1成为轨道中危险的、不受控制的物体。

该操作可以使用残余推进剂和用于轨道中的操控的推进系统或使用被配置为仅执行大气再入操作的专用推进系统来执行。

显然，本领域技术人员为了满足特定和偶然的需要，在不偏离由所附权利要求限定的本发明的保护范围的情况下，可以对上述本发明进行许多修改和变型。

Claims (10)

1.一种将人造卫星释放到地球轨道中的方法，所述方法包括：

提供能够在轨道高度处移动并包括货物区域(12a)的轨道运输航天器(1)；

将多个卫星(12)钩挂在所述货物区域(12a)中；

将所述轨道运输航天器(1)容纳在被配置为到达轨道高度的空间发射器(100)中；

当所述空间发射器(100)到达轨道高度时，通过向所述轨道运输航天器(1)施加分离推力，在轨道高度处释放所述轨道运输航天器(1)；

从所述货物区域(12a)按顺序释放卫星(12)；

其中，每个卫星(12)从所述货物区域(12a)的释放发生在相应的预定方向上，且发生在所述轨道运输航天器(1)已经到达相应的预定位置时。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在释放每个卫星(12)之前，调整所述轨道运输航天器的姿态。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，每个卫星(12)以相应的分离速度被释放；每个分离速度被预定，使得被释放的卫星(12)到达预定的轨道位置。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每个卫星(12)在与所述轨道运输航天器(1)的运动方向相反的方向上被释放。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，每个卫星(12)在与之前刚释放的卫星(12)的释放方向相反的方向上被释放，其中，之前刚释放的所述卫星(12)的释放方向与所述轨道运输航天器(1)的运动方向相反。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将多个卫星(12)钩挂在所述货物区域(12a)中包括提供多个释放系统(20)并用所述释放系统(20)中的一个来钩挂每个卫星(12)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述多个释放系统(20)包括多个释放管道(11)，每个释放管道(11)被配置为分别释放一个或多个卫星(12)；所述释放管道(11)并排布置以形成释放管道矩阵(11)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据预定的释放模式释放所述卫星(12)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括每当释放卫星(12)时，激活轨道运输航天器(1)的推进系统(9)，以将轨道运输航天器(1)定位在预定的和随后的轨道位置中。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在已经释放所有卫星之后，所述运输航天器(1)在大气层进入轨迹中移动。

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