阅读说明：本技术 一种重锤转缆编队及其减旋和上行方法 (Heavy hammer rotating cable formation and rotation reducing and ascending method thereof ) 是由 张明 于 2019-03-01 设计创作，主要内容包括：太空中工作的转缆系统面临着宇宙飞船2的角动量过大、转缆系统减旋困难的问题。外移转缆系统的工作过程很快,但是放出缆绳非常长,占用空域过大,有触地的可能性。本发明提供一种带重锤转缆系统编队,利用重锤和两个转缆系统,能够大大减少宇宙飞船2上行过程中带来的角动量,并且大幅降低了减旋的难度,同时大大减少了空域的占用。利用这种技术,编队能够高效、快速地实现上行过程。(Cable-winding systems operating in space face the problems of excessive angular momentum of the spacecraft 2 and difficulty in de-winding the cable-winding system. The working process of the external transfer cable system is fast, but the cable is very long to be released, the occupied space is too large, and the possibility of touching the ground exists. The invention provides a formation system with a heavy hammer and a cable rotating system, which can greatly reduce the angular momentum brought by the ascending process of a spacecraft 2 by using the heavy hammer and two cable rotating systems, greatly reduce the difficulty of rotation reduction and greatly reduce the occupation of an airspace. By utilizing the technology, the formation can realize the uplink process efficiently and quickly.)

一种重锤转缆编队及其减旋和上行方法

技术领域

本发明涉及火箭发射、航空航天、卫星等领域，特别是涉及一种重锤转缆编队，利用编队帮助火箭发射，帮助航天器进入太空。

背景技术

多数卫星的公转轨道是椭圆轨道。椭圆轨道最靠近地心的点是近地点，离地球最远的点是远地点。

转缆系统包括外移转缆系统、太空转缆系统。

一种外移转缆系统，工作于太空当中，是由两个配重、中心站、两根多股绳、消能卷扬机组成，其中多股绳分别连接质心和配重，多股绳和配重围绕质心转动。消能卷扬机是内部带有多盘式制动器的卷扬机，具有吸热能力大、制动能力强的特点。消能卷扬机安装在中心站处或其中一个配重处；消能卷扬机上卷绕着缆绳，缆绳由消能卷扬机收回或放出。缆绳末端牵引着载荷或其他设备。外移转缆系统是专利201811406250X的内容。

一种快速变径装置，涉及卷扬机，卷扬机是由卷筒、电机组成，快速变径装置是由传动装置、电池和至少两个卷扬机组成；电池与卷扬机之间、两个卷扬机之间通过传动装置进行传递动力和能量；两个卷扬机可以相互驱动，或者是卷扬机的电机产生电能储存在电池内，或者是电池释放电能驱动卷扬机；

传动装置是变流器，电池以及两个卷扬机的电机分别有电线连接变流器；卷扬机与卷扬机之间、卷扬机与电池之间，通过变流器实现电传动，传递动力和能量。

一种太空转缆系统，太空转缆系统是由中心站、两个配重、两根多股绳组成，中心站在中间，两个配重在两边围绕质心转动；同时太空转缆系统围绕地球公转；中心站安装有快速变径装置，快速变径装置的每个卷扬机的卷筒缠绕一根缆绳，缆绳用于连接配重、载荷；快速变径装置通过卷筒放出或者收回缆绳，控制配重、载荷的内移和外移；配重绳末端有滑轮分别扣着对应的多股绳。其中牵引载荷的缆绳称为主绳。太空转缆系统、快速变径装置是专利2018111758340的内容。

对接技术可以参见NASA的资料，或者是书本《航天器编队飞行导论》 孟云鹤 著，第207页“抓捕机构”的内容。该抓捕机构是一个大的轻质网状笼，当航天器和网状笼相遇时，网状笼套住航天器，就完成了抓捕。设系统的公转速度是7.5km/s，末端的网状笼的自转线速度是2km/s，则运载火箭只需要达到7.5-2=5.5km/s的速度，并在预定地点与末端的网状笼相遇，就可以了。或者是末端安装一个钩子，勾住航天器即可。

载荷主要是宇宙飞船2或者其他太空货物。

上行：是指载荷从地球进入太空的过程。

r值是指缆绳末端、载荷、减旋装置或其他设备绕转缆系统质心转动的半径。当载荷外移、内移时，r值会变化。R是指转缆系统对接载荷的额定对接半径，数值上通常是数千米到数十千米。转缆系统对接运载火箭的载荷时，还有有额定的对接线速度、离心加速度。额定对接离心加速度就是指对接时的离心加速度。

外移倍数：每个转缆系统接上载荷后，缆绳放出，转动半径增大。设对接时的转动半径是r，缆绳放出到转动半径是x*r处，x≥1，然后把载荷抛离，x就是外移倍数。在减旋任务里，减旋设备工作时的转动半径是额定对接半径的x倍，x也是外移倍数。外移倍数大一倍，减旋工作中消耗的燃料或工作时间就减少一半。

减旋是转缆系统最困难的方面。载荷对接时，会给转缆系统带来1*10^11kg.m^2/s量级的角动量，是普通车轮的数千万倍以上。转缆系统的缆绳、多股绳长达数十千米以上，又无支点提供扭矩，很难消除角动量。转缆系统的缆绳越长，对接时带来的角动量就越多。

角动量是与物体到原点的位移和动量相关的物理量，是描述物体绕轴转动的物理量。角动量的计算办法是：m*r*v，其中m代表质量，r代表转动半径，v代表线速度。参见书本《大学物理学》2013年版，涂海华著，第3.5节。

发明内容

本发明为了解决转缆系统的角动量过大、减旋困难的问题，提供了一种重锤转缆编队，利用重锤消除角动量。上行过程中，增加的角动量很少，而且一般只需要传递一次重锤，就能够消除角动量。减旋变得很容易。

各转缆系统在公转过程中，由于轨道摄动等不可抗力因素，或载荷对接等过程，会使得质心偏离标准轨道0.01-5km，这个属于正常范围。

一种重锤转缆编队， 涉及转缆系统，转缆系统是由中心站、卷扬机、缆绳组成，重锤转缆编队是由一个额定对接半径大的转缆系统（称为大系统）、一个额定对接半径小的转缆系统（称为小系统）、至少一个重锤组成；重锤是具有一定质量的物体；大系统的额定对接半径比小系统的额定对接半径大；

大、小系统的公转方向相同；大系统用于对接运载火箭，其公转、自转方向相同；两个转缆系统的公转轨道所在平面，相互之间的最大夹角小于2度；两个转缆系统的在公转过程中在一个相遇区域相遇；在相遇区域，两个转缆系统的质心之间的距离小于500km，海拔高度之最大差值小于200km；

作为对一种重锤转缆编队的改进，两个转缆系统的公转轨道所在平面，相互之间的最大夹角小于1度；两个转缆系统近地点的地心连线之间的夹角小于4度；两个转缆系统的近地点，相互之间相距小于1000km。

作为对一种重锤转缆编队的改进，相遇区域处，两个转缆系统的质心之间的距离小于150km；两个转缆系统的质心的海拔高度之差小于150km；。

作为对一种重锤转缆编队的改进，两个转缆系统的公转平面重合，两个转缆系统的自转平面也与公转平面重合。

作为对一种重锤转缆编队的改进，两个转缆系统的质心的公转轨道重合，两个转缆系统是前后排列；相遇区域是两个转缆系统公转轨道的近地点。

作为对一种重锤转缆编队的改进，大系统在编队公转前进方向的前头。

作为对一种重锤转缆编队的改进，小系统的额定对接离心加速度是300m/s^2以上。

作为对一种重锤转缆编队的改进，小系统的额定对接半径小于10km。

作为对一种重锤转缆编队的改进，小系统额定对接半径小于大系统的额定对接半径的1/6。

作为对一种重锤转缆编队的改进，大系统在3个公转周期之内，起码与小系统相遇一次。

作为对一种重锤转缆编队的改进，两个转缆系统的自转方向相同，都是与公转方向相同。

作为对一种重锤转缆编队的改进，大小系统都有快速变径装置；大系统有两个消能卷扬机，消能卷扬机是快速变径装置的一部分；大系统有人员生活、工作或旅游的场所。

作为对一种重锤转缆编队的改进，小系统的质量是大系统额定载荷质量的至少20倍；重锤的质量是大系统额定载荷质量的至少3倍，最小值是3吨。

作为对一种重锤转缆编队的改进，重锤是由超导电缆、收放装置、两个电推进器组成，两个电推进器分别接在电缆的两端；重锤有火箭发动机。

一种重锤转缆编队的减旋方法，重锤用于给大系统减旋，

a.大系统放出缆绳，缆绳牵引重锤外移，达到一定的r值后，重锤脱离大系统；

b.小系统的缆绳接上重锤。

作为对一种减旋方法的改进，重锤脱离大系统时，r值大于大系统R值的0.8倍。

作为对一种减旋方法的改进，重锤脱离大系统时，线速度是0.1-1km/s，且小于额定对接线速度的1/3。

作为对一种减旋方法的改进，小系统的缆绳接上重锤后，小系统的缆绳牵引重锤外移，使得重锤的r值大于小系统R值的2倍，再传递给大系统。

作为对一种减旋方法的改进，大系统的缆绳抛离重锤时是在下点左右10度的范围内，小系统的缆绳接上重锤时是在下点左右20度的范围内。

作为对一种减旋方法的改进，大系统的缆绳抛离重锤时是在上点左右10度的范围内，小系统的缆绳接上重锤时是在上点左右20度的范围内。

作为对一种减旋方法的改进，大系统的抛离重锤的分离点的海拔高度，与小系统接上重锤的对接点的海拔高度之差，小于10km。

作为对一种减旋方法的改进，重锤被小系统对接上后，重锤外移，然后放出电缆来减旋。

一种重锤转缆编队的上行方法，

a.运载火箭和大系统相遇，大系统的缆绳末端接上载荷；

b.利用减旋方法，大系统牵引重锤外移；然后抛离重锤，小系统接上重锤；

c.载荷内移至大系统的中心站，或抛离大系统。

作为对一种上行方法的改进，重锤脱离大系统时的角动量，大于大系统接上载荷时的角动量的0.8倍以上。

作为对一种上行方法的改进，载荷脱离大系统，被小系统接上。

作为对一种上行方法的改进，重锤外移至跟载荷处，并连接在一起，脱离大系统，然后两者被小系统接上。

一种重锤转缆编队的给大系统增旋方法，其特征是：

小系统抛出重锤，

大系统放出缆绳，缆绳末端接上重锤，对接半径大于大系统额定对接半径的0.3倍，线速度大于大系统额定对接线速度的0.1倍；

大系统卷绕缆绳，使得重锤内移。

一种利用重锤来防止相撞的方法，其特征是：

在后的转缆系统向公转方向前方抛出重锤，在前的转缆系统接上；

或在前的转缆系统向公转方向后方抛出重锤，在后的转缆系统接上转缆系统。

作为对一种利用重锤来防止相撞的方法的改进，在后的转缆系统向公转方向前方抛出重锤，在前的转缆系统接上；

把在前的转缆系统作为参照物，设在后的转缆系统的速度是△v，在前、在后的转缆系统的质量分别是M1、M2，重锤的质量是m；重锤跟在后的转缆系统一起，在后的转缆系统加上重锤的质量是M2+m；则在后的转缆系统抛出重锤的速度大于等于：

这个速度是相对于参照物的。

附图说明

图1，一种减旋方法的示意图。

图2，上行方法的示意图。

附图标记

1，重锤。2，载荷。3，自转圆。4，缆绳。5，转缆系统。8，分离点。9，对接点。10，公转方向。11，重锤移动轨迹。

有益效果

本发明很好地解决了单个转缆系统对接航天器产生超大角动量的问题，编队产生的角动量少了1个数量级，有着非常显著的进步。而且编队产生的角动量基本上集中在小系统内，小系统的额定对接半径小了1个数量级。

一般地，小系统只需要接上重锤，不对接人员、货物，而重锤可以耐受非常大的离心加速度。这个使得小系统额定离心加速度可以非常高，甚至是2000m/s^2以上。这个使得小系统的额定对接半径可以非常小。因此外移倍数可以非常大，甚至达到6以上，因此减旋非常容易。

有了重锤质量编队，由于重锤的快速外移，大大降低了大系统的角速度，载荷的离心加速度很快降低，航天器上行过程的高离心力时间减少了70%以上。

带重锤转缆编队的突出优势是，载荷只需要对接一次，就内移入中心站或者抛出，进入高轨的太空轨道，而不需要第二次对接。

与转缆系统编队相比，本发明提供的带重锤转缆编队只需要2个转缆系统，而且小系统的灵活性很大，轨道限制很少，质量很小。

具体实施方式

以下所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

实施例中的外移、内移，都转缆系统5一边自转，一边外移、内移的。

近地点的地心连线是指近地点与地心之间的连线。

转缆系统的对接线速度等于转缆系统的公转速度减去载荷对接前的公转速度。比如编队的公转速度是7.8km/s，载荷对接前的公转速度是5.8km/s，两者差值是2km/s；对接后载荷绕转缆系统质心转动的线速度也是2km/s。

由角动量守恒和角动量公式L=m*r*v得，其中L是角动量，m是载荷质量，r是对接半径，v是对接线速度，外移倍数越大，就越能够减少线速度。

本发明所述的距离、长度单位默认都是km。实施例中的外移、内移，都转缆系统5一边自转，一边外移、内移的。

实施例一

实施例1.1

转缆系统5是由中心站、卷扬机、缆绳4组成，缆绳4能够牵引载荷2宇宙飞船2内移，使得r值减小，或者牵引宇宙飞船2外移，使得r值增大。

一种重锤转缆编队，是由一个额定对接半径为60km的转缆系统5（称为大系统5）、一个重锤1、一个额定对接半径为5km的转缆系统5（称为小系统5）组成。大系统的额定对接半径比小系统5的额定对接半径大。重锤1是一个7吨重的钢锭。如图1a，大系统的R值是60km，小系统的R值是5km。

各转缆系统5的公转轨道所在平面，相互之间的夹角小于2度；大、小系统5的公转轨道至少有一个相遇区域；在相遇区域处，重锤1在大、小系统5之间传递。各转缆系统的公转轨道所在平面，相互之间的夹角是0.5度。两个转缆系统近地点的地心连线的夹角是2度。

这样安排，使得两个转缆系统的近地点相距很近，相遇区域在近地点附近，对接容易。

大系统5用于对接运载火箭，其公转、自转方向相同。

在相遇区域，两个转缆系统5的质心之间距离是100km，两个转缆系统的质心的海拔高度之差是5km。

实施例1.2

一种重锤转缆编队，大、小系统5的公转方向10相同，自转方向也相同。所谓公转、自转方向，是指顺时针方向或逆时针方向。两个系统要么都是顺时针公转、自转，要么都是逆时针公转、自转。

实施例1.3

如图1，一种重锤转缆编队，各转缆系统5的自转平面与公转平面重合，各转缆系统的质心的公转轨道重合，各转缆系统是前后排列，相遇区域是各转缆系统公转轨道的近地点。因此两者的公转平面的夹角为0，两者的近地点之间的距离为0，两者的远地点之间的距离为0。两个转缆系统近地点的地心连线重合。

对于公转轨道重合的编队，处处都是相遇区域，而近地点则是最理想的与运载火箭对接的地点，因此相遇区域仅仅是指近地点。

各转缆系统5是前后排列，大系统5在公转方向的前面，小系统5在后。

实施例1.4

一种重锤转缆编队，大系统5在编队公转前进方向的前头，两个转缆系统5的自转方向相同，都是逆时针自转，逆时针公转。大系统有人员生活、工作或旅游的场所。

大小系统5都有快速变径装置，大系统5有两个消能卷扬机，消能卷扬机是快速变径装置的一部分。

大系统5的额定离心加速度是100m/s^2，小系统5的额定离心加速度是400m/s^2。小系统只需要接上和抛离重锤1，不需要接上载人、载货的飞船。重锤1一般是简单的钢锭，重6吨，能够承受2000m/s^2的离心加速度。

因此小系统5离心加速度可以非常高。也正是由于离心加速度很高，因此小系统的R值可以很小。转缆系统5的R值越小，造价越低。

实施例1.5

大系统5公转周期是1.8小时，小系统5公转周期是3.6小时，且共用一个近地点。某一时刻大系统、小系统5都近地点。因此大系统5每公转2个周期，就能够与小系统相遇一次。

在相遇区域，大、小系统的公转速度相差可以高达0.5-1km/s。这样大系统抛离重锤1时的线速度就可以达到0.5-1km/s。

实施例二

实施例2.1

一种重锤转缆编队，由两个转缆系统5组成，其中大系统5的额定对接半径R是50km，对接线速度是3km/s，额定宇宙飞船2质量是1吨。大系统用于对接运载火箭上的宇宙飞船2，宇宙飞船2的质量是1吨。小系统5的额定对接半径是5km/s，质量是40吨。重锤1的质量是6吨。

在相遇区域，两个转缆系统5的质心相距100km。小系统在大系统的后下方。

如图1，一种给大系统5减旋的方法是：

a.大系统5放出缆绳4，缆绳4牵引重锤1外移，使得重锤1的角动量增加；当重锤1的r值是70km、并且线速度达到0.35km/s时，重锤1脱离大系统。

b.小系统的缆绳4接上重锤1。然后小系统5的缆绳4放出，使得重锤1外移至r值是12km，线速度降至0.1km/s，然后重锤1脱离小系统的缆绳4末端，被大系统5接上。

重锤1脱离大系统，被小系统接上，称为大系统5传递重锤1给小系统；反之称为小系统传递重锤1给大系统。

如图1b所示，重锤1在下点脱离大系统5时，该下点的海拔高度是240km。而小系统则是在下点左边5度处接上重锤1，该点的海拔高度是235km。两个海拔高度相差是5km。这种办法使得分离点8、对接点9的海拔高度大致相同，小系统尽量靠近重锤移动轨迹11，使得两个系统受到的垂直方向的冲量较小，对公转轨道影响较小。

实施例2.2

其他与上一个实施例相同，不同之处在于：

如图1所示，小系统5在大系统的前上方。大系统5在上点时重锤1脱离缆绳4末端，小系统在上点左右5度范围内接上重锤1。

这种是次选方案，优选方案是，小系统在后，大系统在下点附近重锤1脱离缆绳4末端，小系统5则是在下点附近接上重锤1。

重锤1有火箭发动机，必要时启动火箭发动机，调整重锤1的姿态、位置，让小系统5更容易对接上。

所谓“下点左右10度的范围”是指下点与质心的连线与垂线的夹角小于10度，也就是缆绳4在下点附近，缆绳4与垂线的夹角小于10度的范围内。同样，所谓“上点左右20度的范围”是指缆绳4在上点附近，缆绳4与垂线的夹角小于20度的范围内。在此范围内抛离或接上宇宙飞船2，产生的垂直冲量小。

所谓自转圆3，是指缆绳4末端绕质心转动而形成的轨迹。

实施例2.3

上一个实施例的减旋过程是：

大系统5、小系统5的公转平面，与地磁赤道平面的夹角不大于10度。

大系统5利用消能卷扬机牵引重锤1外移，在自转6个周期内，就完成了重锤1的外移，然后重锤1脱离大系统缆绳4末端。利用消能卷扬机是非常快速的，能够使得配重快速外移。

重锤1是由超导电缆、收放装置、两个电推进器组成，两个电推进器分别接在电缆的两端。

小系统5接上重锤1后，缆绳4牵引重锤1外移至r值是40km处。收放装置放出超导电缆，使得超导电缆伸直。两个电推进器产生电流，并进行电磁感应，在上点的左右60度范围内产生安培力，使得小系统减旋。利用电缆来减旋的方法，在专利2018113700664里有说明。

由于小系统5的对接半径很小，外移距离很大，所以超导电缆一般可以在0.5个小时内完成减旋工作。如果是单个转缆系统5里使用超导电缆减旋，则耗时通常需要多1个数量级。

实施例2.3

利用重锤1的减旋方法，使得上行过程变得非常容易。大系统5的R值是20km，额定对接线速度是2km/s，重锤1的质量是8吨，宇宙飞船2的质量是1吨。

如图2所示，一种上行方法，上行过程是如下步骤：

a.运载火箭和大系统5同时到达相遇区域；大系统的缆绳4末端对接宇宙飞船2。对接时宇宙飞船2的角动量是20km*2km/s*1t=40t.km^2/s。

b.重锤1外移至r=25km处，并达到线速度0.2km/s，然后重锤1脱离大系统。这样使得宇宙飞船2的角动量是25km*0.2km/s*8t=40t.km^2/s，刚好等于大系统接上宇宙飞船2时的宇宙飞船2的角动量，能够完全消除宇宙飞船2带来的角动量。

c.然后宇宙飞船2再内移至大系统的中心站，或抛离。

小系统5的额定对接半径是3km，重锤1被小系统接上时，角动量是3km*0.2km/s*8t=4.8 t.km^2/s，比宇宙飞船2给大系统5带来的角动量低了一个数量级。

通过这种办法，重锤1能够完全抵消宇宙飞船2带来的角动量，解决了单个转缆系统5最困难的问题。并且小系统5的角动量也是非常小的，很容易消除。

小系统5接上重锤1后，重锤1外移至15km，然后利用火箭发动机向着自转线速度方向喷气，消除自转线速度。外移倍数高达5倍，因此非常节省燃料，每次上行过程仅需要50-100kg左右。如果没有编队而使用火箭发动机减旋，则需要耗费1-2吨的燃料。

同时，这种工作方式，也使得整体的工作过程加快5-10倍，甚至是能够达到2小时进行一次上行过程。

实施例2.4

其他与上一个实施例相同，不同之处是在于：

小系统5接上重锤1后，重锤1外移至15km，线速度降低至0.3km/s，离心加速度降低至100m/s^2。然后宇宙飞船2脱离大系统5，并被小系统接上，内移至小系统的中心站处。小系统的中心站处有生活、工作、旅游场所。

另外一种办法是：

在b步骤里，重锤1外移至r=20km处，与宇宙飞船2结合。此时线速度是0.25km/s，重锤1、宇宙飞船2在下点脱离大系统5末端，由小系统在下点接上。小系统对接时的离心加速度不大于100m/s^2，因此R值较大。

实施例2.5

大系统5的R值是20km，额定对接线速度是2km/s，重锤1的质量是8吨。

一种给大系统增旋方法，过程是：

a. 小系统5抛出重锤1，抛出时的线速度达到0.5km/s。

b. 大系统5放出缆绳4，缆绳4末端接上重锤1，对接半径是22km

c. 大系统卷绕缆绳4，使得重锤1内移。这样使得大系统的角动量增加了22km*0.5km/s*8t=88t.km^2/s。

这种工作过程的时间花费仅仅是1-5分钟，时间短，大系统的增旋很容易。

实施例2.6

在后转缆系统向公转方向前方抛出重锤1，在前转缆系统接上。不论大系统5还是小系统5，在公转方向前方的是“在前的转缆系统”，在在公转方向后方的是“在后的转缆系统”。

一种利用重锤1来防止相撞的方法，把在前转缆系统作为参照物，参照物的速度为0，在后转缆系统的速度是20m/s。在前、在后转缆系统的质量分别是100吨、150吨，重锤1的质量是8吨，重锤1在在后转缆系统处，在后转缆系统加上重锤1的质量是158吨。在后转缆系统抛出重锤1的速度大于等于：

这个速度是相对于参照物的。在前转缆系统接上重锤1时，对接半径是5km。如果在后转缆系统抛出重锤1的速度等于此数值，则在前转缆系统接上重锤1后，两个转缆系统5的公转速度将会相等。

如果在后转缆系统抛出重锤1的速度大于此数值，则在前转缆系统接上重锤1后，在前转缆系统将比在后转缆系统的公转速度大，两个系统相互远离，安全性更好。

用这种防止相撞的方法，优点是只需要1次抛出重锤、1次对接，而不需要重复多次。