期刊名称:应用科学与研究学者杂志
文章类型:的角度来看
收到日期:2018年11月23日
接受日期:2018年12月3日
发表日期:2018年12月10日
引用:Boer F(2018)太空卫星在20年后会是什么样子。应用科学学报Vol . 1, issue: 9(01-05)。
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简介
太空卫星的设计特征为典型的电信任务没有改变在过去的30年里,组件故障由蜂窝板,使丰富多彩S / S设备安装,组装围绕一个核心组成的坐在油箱在最后的轨道,轨道环化燃烧室和喷管,外侧的长方体结构的天线和太阳能电池板铰链结构。下面是其组成部分[1]的典型分解视图(图1)。
简介
太空卫星的设计特征为典型的电信任务没有改变在过去的30年里,组件故障由蜂窝板,使丰富多彩S / S设备安装,组装围绕一个核心组成的坐在油箱在最后的轨道,轨道环化燃烧室和喷管,外侧的长方体结构的天线和太阳能电池板铰链结构。下面是其组成部分[1]的典型分解视图(图1)。
图1:空间卫星设计。
没有人认为这个典型的架构总线一直在有效地工作,并将在很长一段时间内继续工作。这种由彼此严格连接的不同结构组组成的配置需要大量的分析和验证以及紧密的公差制造,这就是为什么一颗5吨质量的大型卫星[2]的成本可以超过1.5亿美元(图2)。
图2:卫星1300:模块化设计,高效适应。
由于过去30年几乎没有什么变化,因此认为未来没有理由发生太大变化是合乎逻辑的。考虑到大型卫星原始设备制造商将在未来许多年努力捍卫亿万富翁的经济利益,这一观察结果得到了加强,使用相同的循环总线或很少的变化:当业务运行成功时,为什么要冒险?
为什么卫星设计应该改变?
虽然从最客观的角度来看,我对卫星设计制造的设计变化的看法并不乐观,但我也认为,考虑到机器人智能系统的快速发展,以及使用3D/4D打印在轨道上以更低的人工成本制造组件的潜力,这应该注定会改变。当这些技术在未来十年在地面上达到高度成熟时,它们可能会扩展到地面应用之外,卫星原始设备制造商将更加相信在轨制造和组装所提供的优势。
完美风暴将导致新的发射器将提供给卫星原始设备制造商,发射器将提出一个有效载荷调节系统,与目前使用的特定专用适配器[3]有很大不同。
当它将被证明,从微型和微型卫星类别开始,精致和复杂的卫星可以使用气囊或软聚合物而不是刚性适配器容纳到整流罩中,一个新的时代将诞生,并将改变一切。
由于气囊或其他基于软泡沫部件的分离系统将允许以1/10的价格有效地存储和变化尺寸的部件,因为不需要机械I/ f,卫星原始设备制造商应该意识到,发射卫星部件将比整个5吨质量的卫星更便宜和有效,并让部件通过机器人系统在轨道上组装。
新的卫星系统应该如何配置?
作为一种标准,新的卫星系统很可能基于一个基本的构件,就像个人电脑基于不同PCB构件的组装一样。
这个基本构建块可以基于以下配置(图3)。
图3:新卫星的基石。
一个卵形的自然抵抗压缩力,其质量比卫星低得多,可以有效地由离子推进器发动机[5]推进。这个Ovoid智能单元或OIU应使用作为基石,装备了一个部分使用3D打印建造的大型平台,并提供了卫星的特定功能。外壳可以改造成法拉第笼,最大限度地保护电子免受宇宙辐射。
得益于气囊负载系统的高度灵活性,天线和平台等大型物品可以在同一次货运任务中单独运送。
一种新的有效载荷保持和分离系统
通过气囊或轻质聚合物泡沫的分离结构的使用,允许开发有效载荷容纳系统,其中ius占据许多楼层,在一个直径7米的整流罩内,一层一层堆叠在一起,考虑到猎鹰重型发射器类别。每层可以容纳62个OIU,假设OIU直径为500毫米,质量为50公斤,使用智能电子设备和超薄pv充气阵列[6]。因此,任何楼层都可以承载3100公斤的有效载荷。
在下面的图片中,62张借条的地板从压缩包装配置中弹出(图4)。
图4:一种新的有效载荷保持和分离系统,显示其基本几何结构的OIU与压缩地板。
OIU的基本几何结构可以很容易地设计为抵抗1吨的压缩,以这样的方式,许多楼层可以位于另一个上面。这种“鸡蛋容器”系统的优势在于它的简单性,从经济角度来说,它提供了有史以来在发射器中使用的最便宜的容纳系统。任何地板的分离都可以通过整流罩的一个部分的火切来提供,并通过气囊或预先压缩的弹簧释放能量,在使用泡沫的情况下,嵌入在保持摇篮中。
一个新的使命时代即将开始
分离发生后,任何OIU都能够自主地执行其任务,首先使用现有的技术部署光伏阵列,该技术在膨胀后保持刚性,但在未来十年中仍可以在尺寸和质量方面进行改进。在离子推进器的推动下,任何OIU都能够完全自主地到达最终目的地。这大大降低了特派团的业务成本(图5)。
图5:OIU权限和插座位置使用机载跟踪系统。
OIU的质量相当低,即使是使用0.5N的离子推进器,也可以在短时间内达到最终目标,即使是小行星或行星这样的遥远目标。
一旦到达目的地,任何OIU应使用机载跟踪系统和/或通过机器人辅助设置在其插座位置。
使用在轨“乐高”积木
降低卫星的复杂性,避免在其最精密的S/S部件中具有挑战性的高应急负载因素,是大大减少开发时间和成本的关键因素。卫星必须被设计成一个独特的定制单元,就像PC设计已经开发出标准尺寸的pcb一样,可以安装在任何PC插槽中。
使用相同大小和形状的物体作为复杂卫星的构建模块,能够轻松挑战发射器的加速度,这是在轨道上以大大降低的成本增加有效载荷部分的输出的方式。
每个模块化OIU从离开生产设施到在启动器上设置,只需要进行基本检查。在故障安全系统理念中,每个单元都代表一个可能的失败事件,但不是整个任务的风险。
将卫星的建造从地面转移到轨道上,可以显著提高生产率,地面操作也可以从一个大型卫星通常连续进行的数千个操作过渡到一个工业化计划,其中OIUs可以使用高度标准化和广泛并行的操作,就像汽车制造一样。
对于大件物品的运输,可以使用一些ius来达到如图(图6)所示的目的。
图6:OIU用于运输大件物品。
OIU作为增加人类财富的积木机器人
我们已经熟悉了关于使用机器人在我们的社会中可能产生的潜在危害的讨论,人们突然失去了工作,因为机器人取代了他/她的位置。我同意那些人的警告,风险是真实的。
这就是为什么我更倾向于认为机器人可以成为财富的来源,如果它们主要在太空中运行,而不是在地面上做人类几乎无法做的工作。太空机器人可以为生活在地球上的人们创造巨大的回报和财富,而不会有失去工作的风险。
OIU除了涵盖卫星的基本功能外,本质上是一个机器人,一旦交付在轨,它就可以提供自主任务,而不需要地面来源。它将是太空中其他机器人中的一个机器人,并将为地面组织创造服务和经济回报。
使用大型发射器,如SHIPinSPACE月球基地发射器[3],能够向LEO发送240吨,在一次任务中可以发送4800个iou。如果任何一个OIU可以产生20kW的功率,96MW将在轨道上产生,这意味着大约12次发射才能建造一颗GW规模的太阳能卫星,包括(智能)支撑结构和天线。通过地面智能操作系统,有可能在3个月内完成12次发射。预计每次发射成本为3000万美元,与太阳能发电场的10亿美元相比,它总共能赚3.6亿美元。这种能量如果传输到月球(或地球),就可以比任何现有的商业计划更快、更便宜地建造殖民地基础设施。想想看。
OIU作为空间碎片清除系统
在凯斯勒综合症[7]中,太空碎片将不可避免地产生碰撞,形成一个无法控制的碎片数量的螺旋,这些碎片将产生越来越多的碰撞,这是“达摩克利斯之剑”,仍有待于未来从近地轨道到地球轨道的任何使用,可能会极大地损害新的太空业务。
越来越多的微型和微型卫星预计将在未来几十年内被送入从近地轨道到地球轨道的轨道,这肯定会进一步增加未来碰撞的风险,并达到凯斯勒综合症可能流行的地步。根据专家的说法,由于人类的典型行为是等待损害发生,而不是在它发生之前分析、预测并采取行动解决它,不可逆的太空碰撞可能离我们不远了。
最近成功清除太空垃圾[8]通过使用特定卫星(而不是机器人远程控制)证明了政府和机构认可的问题,但它不回答或解释成千上万的潜在的有害垃圾可以删除,很明显,这项技术可以提供用于每年的几辆(控制中心地面不能超过2 - 3航天器同时运作),而我们需要一些数万每年花费数千美元来认真解决问题。
我们的“LBL发射器”能够在LEO中发射240吨,成本大大降低,基于解耦结构的有效载荷保持技术和OIU机器人卫星的使用可能是具有技术和经济数字的技术,能够挑战这一问题。通过开发基于提议的OIU设计配置的机器人,将有可能在一次任务中向LEO发送4800个OIU机器人,其中任何一个都可以被编程以清除主要的太空垃圾。这是解决这个问题所需要的技术规模。
没有参考文献