一种基于吸气式电推进的推进工质供给方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于吸气式电推进的推进工质供给方法及系统，该方法包括在飞行器处于空间飞行过程中获取推进工质贮箱内推进工质的贮量；所述推进工质为吸气式电推进器捕集到的飞行环境中的气体；确定所述贮量达到目标贮量后控制所述飞行器由第一轨道进入第二轨道。本申请实施例提供的基于吸气式电推进的推进工质供给方法，让携带吸气式电推进器的飞行器在大气密度高的低轨道进行环境气体的高效捕集，除了用于飞行器在低轨道维持所需的气体外，飞行器可以将多余的气体储存起来，留作其在高轨道的维轨和机动变轨使用。可以使吸气式电推进器的应用范围更广。

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器推进工质供给方式技术领域，具体涉及一种基于吸气式电推进的推进工质供给方法及系统。

背景技术

近地空间是指从地心起1.015～6.6个地球半径范围内的空间区域即从地球海平面起约100-36000km(约为10个地球半径)的球壳状区域。飞行器在此区间飞行时所处的环境称为近地空间飞行环境。

飞行器在太空停留或移动需要推力。一般而言，飞行器使用类似火箭的化学推进装置，但电推进器因效率更高而日益流行。然而，传统的电力推进系统仍要使用推进剂(如氙气)，因此，飞行器的待机时间受限于携带的推进剂数量，而飞行器能携带的推进剂有限。而且为了抵消大气阻力，在距离地球表面几百公里范围内运行的飞行器消耗的推进剂更多。

因此，吸气式电推进系统便应运而生了。在飞行器掠过大气层顶部时收集足够的空气颗粒，为“吸气式”电动推进器提供燃料，从而不需要在发射时携带过多的推进剂，同时帮助飞行器克服大气阻力，使其在近地空间飞行环境中的轨道上持续运行。

为了保证吸气式电推进器产生的推力能够使飞行器在轨道上正常运行，要求飞行器在飞行过程中，吸气式电推进器捕集到的气体的量不小于飞行器轨道维持所需推进工质的消耗量。可见，采用吸气式电推进器作为动力系统的飞行器只能在空气密度相对较高的低轨道运行，而在空气密度相对较低的高轨道上，吸气式电推进器难以被使用。

因此，如何提高吸气式电推进器的使用范围，以适应在空气密度相对较小的高轨道使用，是迫切需要本领域技术人员解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于吸气式电推进的推进工质供给方法及系统，以解决现有技术中采用吸气式电推进器作为动力系统的飞行器只能在空气密度相对较高的低轨道运行，而在空气密度相对较低的高轨道上，吸气式电推进器难以被使用的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种基于吸气式电推进的推进工质供给方法，包括如下步骤：

步骤100、在飞行器处于空间飞行过程中获取推进工质贮箱内推进工质的贮量；所述推进工质为所述飞行器携带的吸气式电推进器捕集到的飞行环境中的气体；

步骤200、确定贮量达到目标贮量后控制所述飞行器由第一轨道进入第二轨道；所述第一轨道与所述第二轨道存在高度差且两个轨道周围气体密度不同；

其中，所述飞行器在位于低轨道飞行时对所述推进工质贮箱内的推进工质进行补充，并在补充完毕后返回高轨道。

作为本发明的一种优选方案，在步骤200中，所述目标贮量包括第一贮量，所述第一轨道的高度大于所述第二轨道的高度，且所述第一轨道周围气体的密度小于所述第二轨道周围气体的密度。

作为本发明的一种优选方案，所述第一贮量包括预设的最低贮量，所述最低贮量不低于所述飞行器由所述第一轨道进入所述第二轨道变轨所需所述推进工质的量。

作为本发明的一种优选方案，在步骤200中，所述目标贮量包括第二贮量，所述第一轨道的高度小于所述第二轨道的高度，且所述第一轨道周围气体的密度大于所述第二轨道周围气体的密度；

所述飞行器位于所述第一轨道飞行时吸气式电推进器捕集到的飞行环境中的气体的量大于所述飞行器在所述第一轨道飞行所需推进工质量。

作为本发明的一种优选方案，所述第二贮量包括所述推进工质贮箱的最高贮量。

作为本发明的一种优选方案，所述第二贮量包括所述飞行器由所述第一轨道进入所述第二轨道所需推进工质量、所述飞行器在所述第二轨道的预定飞行时间内所述推进工质量以及所述飞行器由所述第二轨道进入所述第一轨道所需推进工质量之和。

作为本发明的一种优选方案，获取所述飞行器在所述第二轨道的预定飞行时间内所述推进工质量的方式包括：

获取所述飞行器在所述第二轨道的预定飞行时间以及在所述第二轨道飞行时单位时间内所述推进工质的消耗量；

将所述预定飞行时间与所述消耗量相乘即获得所述飞行器在所述第二轨道的预定飞行时间内所述推进工质量。

作为本发明的一种优选方案，所述飞行器接收地面发送的变轨策略并根据接收到的变轨策略计算获得第二贮量，所述变轨策略包括第二轨道的预定飞行时间。

作为本发明的一种优选方案，所述变轨策略还包括变轨次数、点火次数以及点火时间。

作为本发明的一种优选方案，获取推进工质贮箱内推进工质的贮量通过检测推进工质贮箱内推进工质的压力，并根据所述压力确定所述贮量。

本发明还提供了一种基于吸气式电推进的推进工质的供给系统，包括：

贮量获取机构，所述贮量获取机构用于在飞行器处于空间飞行过程中获取推进工质贮箱内推进工质的贮量；

变轨控制机构，所述变轨控制机构用于在确定所述贮量达到目标贮量后控制所述飞行器由第一轨道进入第二轨道；

其中，所述推进工质为所述飞行器携带的吸气式电推进器捕集到的飞行环境中的气体，所述第一轨道与所述第二轨道的存在高度差，且所述第一轨道周围气体密度与所述第二轨道周围气体密度不同。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

本发明实施例让携带吸气式电推进器的飞行器在大气密度高的低轨道进行环境气体的高效捕集，除了用于飞行器在低轨道维持所需的气体外，飞行器可以将多余的气体储存起来，留作其在高轨道的维轨和机动变轨使用。可以使吸气式电推进器的应用范围更广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例提供提供的第一轨道的高度大于第二轨道的高度时该方法的原理图。

图中的标号分别表示如下：

1-第一轨道；2-第二轨道；3-飞行器；4-地球表面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

飞行器在近地超低空太空飞行时会受到大气的些许阻力，使其无法在不提供推力的情况下持续飞行。采用吸气式电推器可以在飞行器飞行过程中捕集飞行环境中的气体作为推进工质使用。然而由于吸气式电推进器要产生飞行器实现长时间飞行的推力需要捕集到的大气达到一定的量，由于高度较高的轨道大气比较稀薄，因此使得吸气式电推进器捕集到的气体工质的量不足以产生飞行所需的推力。限制了吸气式电推进器的使用范围。

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种基于吸气式电推进的推进工质供给方法，让携带吸气式电推进器的飞行器在大气密度高的低轨道(例如高度120km附近)进行环境气体的高效捕集，除了飞行器轨道维持所需的气体外，卫星还可以将多余的气体储存起来，留作飞行器在高轨道(高度大于150km)的维轨和机动变轨使用，这样可以形成类似于游泳时的“吸气”动作，飞行器在低轨位置进行“吸气”(环境气体捕集)，以达到迅速补充推进工质的目的。飞行器在低轨“吸气”的时间长短可以按需确定(例如数月)，所补充的推进工质要多于飞行器变轨所耗费的工质，以达到推进工质供给的目的。

参见图1，为本发明实施例提供的一种基于吸气式电推进的推进工质供给方法，如图1所示，该方法可以包括：

在飞行器处于空间飞行过程中获取推进工质贮箱内推进工质的贮量；所述推进工质为飞行器携带的吸气式电推进器捕集到的飞行环境中的气体；推进工质贮箱内推进工质的贮量可以通过检测推进工质贮箱内气体压力的方式进行判断。

确定所述贮量达到目标贮量后控制所述飞行器由第一轨道进入第二轨道；所述第一轨道与所述第二轨道的存在高度差且两个轨道周围气体密度不同，以使所述飞行器在位于低轨道飞行时将所述推进工质贮箱内的推进工质进行补充，并在补充完毕后返回高轨道。

该目标贮量可以根据当前所处的飞行轨道的高度以及气体的密度进行确定。例如，在一种实现方式下，飞行器正在飞行的轨道处于高轨道位置，飞行器携带的吸气式电推进器在飞行器飞行过程中，捕集到的气体不足以使推进器产生维轨所需的推力，在飞行过程中需要消耗推进工质贮箱内的推进工质，当推进工质贮箱内推进工质消耗殆尽时，需要向低轨道转移以便向推进工质贮箱内补充推进工质。

具体的，所述目标贮量包括第一贮量，所述第一轨道1的高度大于所述第二轨道2的高度，且所述第一轨道周围气体的密度小于所述第二轨道周围气体的密度。该第一贮量可以是的当飞行器处于高度较高的第一轨道飞行时的需要向低轨道进行变轨时的贮量，该贮量可以是预先设定的固定值，也可以是根据地面发送的指令确定的贮量。还可以是飞行器自行检测确定的贮量，例如，所述第一贮量包括预设的最低贮量，所述最低贮量不低于所述飞行器由所述第一轨道进入所述第二轨道变轨所需所述推进工质的量。该贮量可以是预先设定的该推进工质贮箱内推进工质的最低贮量，由于当该进工质贮箱内推进工质的量较少时，需要控制飞行器进行变轨，进入高度较低的轨道补充推进工质，因此该最低贮量是所述飞行器由所述第一轨道进入所述第二轨道变轨所需所述推进工质的量，需要保证飞行器可以顺利进入第二轨道。

或者，在另一种实现方式下，飞行器正在飞行的轨道处于低轨道位置，飞行器携带的吸气式电推进器在飞行器飞行过程中，捕集到的气体不但可以使推进器产生维轨所需的推力，同时还可以向进工质贮箱内补充推进工质，当推进工质贮箱内推进工质补充完毕后，即可使飞行器向高轨道转移以便飞行器在高轨道完成正常工作。具体的，所述目标贮量包括第二贮量，所述第一轨道的高度小于所述第二轨道的高度，且所述第一轨道周围气体的密度大于所述第二轨道周围气体的密度；所述飞行器位于所述第一轨道飞行时吸气式电推进器捕集到的飞行环境中的气体的量大于所述飞行器在所述第一轨道飞行所需推进工质量。该第二贮量可以通过多种方式进行确定，例如，所述第二贮量包括所述推进工质贮箱的最高贮量。飞行器在低轨道飞行一段时间后，推进工质贮箱内的推进工质将推进工质贮箱装满后，即可以控制飞行器进入高轨道。

本申请实施例还可以提供一种更加灵活的第二贮量的确定方式，具体的，所述第二贮量包括所述飞行器由所述第一轨道进入所述第二轨道所需推进工质量、所述飞行器在所述第二轨道的预定飞行时间内所述推进工质量以及所述飞行器由所述第二轨道进入所述第一轨道所需推进工质量之和。具体在获取所述飞行器在所述第二轨道的预定飞行时间内所述推进工质量时，所述飞行器在所述第二轨道的预定飞行时间以及在所述第二轨道飞行时单位时间内所述推进工质的消耗量；将所述预定飞行时间与所述消耗量相乘获得所述飞行器在所述第二轨道的预定飞行时间内所述推进工质量。

由于飞行器在高轨道飞行时间可以根据实际需要进行确定，因此，可以根据在高轨道的飞行时间以及单位时间内维轨所需推进工质的量，计算获得在飞行时间内一共所需的推进工质的量，再加上由低轨道向高轨道变轨所需的工质的量，以及当推进工质贮箱内推进工质消耗殆尽需要进行下一次工质补充时由高轨道向低轨道变轨所需的推进工质量时，即可确定该第二贮量即为目标储量，即可控制飞行器由低轨道向高轨道变轨。

可以理解的是，上述内容中，飞行器的变轨策略是根据推进工质贮箱内推进工质的贮量进行自动计算确定的。在实际应用中，飞行器还可以接收地面发送变轨策略，并根据接收到的变轨策略计算获得该第二贮量。具体的，接收地面发送的变轨策略；所述变轨策略包括所述第二轨道的预定飞行时间。该变轨策略可以包括设定的在第二轨道的飞行时间、变轨次数、点火次数。点火时间等等参数，根据该飞行时间即可结合变轨所需的推进工质量计算获得该第二贮量，即将该第二贮量作为目标贮量。例如，飞行器此时处于距离地面120米高的第一轨道上飞行，接收到的变轨策略包括上升至距离地面150米轨道且运行3个月。接收到该变轨测量后，首先计算获得由第一轨道变轨至第二轨道所需的推进工质量记做m1，在计算在第二轨道运行3个月所需的推进工质量记做m2，当然在计算在第二轨道上运行所需的推进工质量时，可以将吸气式电推进器在第二轨道上捕集到的气体作为一部分份工质来源，由于在高轨道捕集到的气体量比较少，在实际计算中也可以将其忽略。然后计算当在第二轨道上运行3个月后需要由第二轨道转移至第一轨道上进行工质补充时变轨所需要的工质量基座m3。最后可以确定该第二贮量M＝m1+m2+m3，也即该目标贮量为m1+m2+m3。实时获取推进工质贮箱内推进工质的贮量，当获取到的推进工质的贮量达到m1+m2+m3时，则确定此时可以控制飞行器依据接收到的变轨策略包含的相关参数由第一轨道进入第二轨道。

总之，本申请实施例提供的基于吸气式电推进的推进工质供给方法，让携带吸气式电推进器的飞行器在大气密度高的低轨道进行环境气体的高效捕集，除了用于飞行器在低轨道维持所需的气体外，飞行器可以将多余的气体储存起来，留作其在高轨道的维轨和机动变轨使用。可以使吸气式电推进器的应用范围更广。

本申请实施例还可以提供一种基于吸气式电推进的推进工质供给系统，包括：

贮量获取机构，用于在飞行器处于空间飞行过程中获取推进工质贮箱内推进工质的贮量；所述推进工质为吸气式电推进器捕集到的飞行环境中的气体；

变轨控制机构，用于在确定所述贮量达到目标贮量后控制所述飞行器由第一轨道进入第二轨道；所述第一轨道与所述第二轨道的存在高度差，且所述第一轨道周围气体密度与所述第二轨道周围气体密度不同；以使所述飞行器在位于低轨道飞行时将所述推进工质贮箱内的推进工质进行补充，并在补充完毕后返回位于高轨道。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。