一种基于碳纳米管缆绳的摩擦式太空提升系统的制作方法

1.本发明涉及一种太空提升系统，具体涉及一种基于碳纳米管缆绳的摩擦式太空提升系统。


背景技术：

2.随着人类科学技术的发展，经济水平的提高以及地球资源的不断枯竭，人类开始探索新的能源资源。太空中具有大量的矿产资源、氢能能源和真空资源等，其含量也比地球更加丰富，因此人类已经开始将目光投向太空，寻求开采太空的矿产资源来使用。
3.若按照现有技术开采太空资源，会存在成本过高与可靠性过低等问题。例如：我国神州系列飞船可由运载火箭将太空舱运输至太空，但运载量与运载火箭推力吨位有关，因此运载量十分有限且只可单次运输；航天飞机虽可多次使用，但因结构过于复杂、故障率过高已经退出现役；若采用钢丝绳提升系统，则会因地球至空间站距离过远，所需钢丝绳太长而导致钢丝绳自重过重远远大于提升容器的重量，甚至钢丝绳会直接被自重拉断；若使用缠绕式提升方式来作为太空提升方案，会因实施距离及提升重量等因素致使提升绳的直径过大，导致设备工作过程中会占据极大空间，无法在空间站进行布置，致此方案也无法满足提升需求，不具备可行性。因此，太空提升系统已经成为太空资源开发过程中亟需解决的关键技术难题。
4.碳纳米管材料是20世纪90年代发现的一种新型纳米材料，其力学、电学等性能十分优异。碳纳米管具有十分奇特的导电性能，其可以是金属性质的也可以是半导体性的，甚至在同一根碳纳米管的不同位置，由于结构的变化可以呈现不同的导电性，其导电率最高可达铜的数百倍以上。碳纳米管也有超强的力学性质，其抗拉强度是钢的100倍以上，而密度却只有钢的1/6左右，已经被科学家证明其是目前唯一一种能够从月球垂到地球而不会被自重拉断的材料。因此，结合碳纳米管极其优异的力学性能与导电性能，利用碳纳米管来制作太空缆绳具备材料性能上的可行性，有望可解决太空缆绳亟需的超长距离承载与超低损耗供电等现实问题。
5.现已提出的太空运输方式基本上属于理想阶段，若要实施具体操作的难度系数很大，需要将环境、能源、运输方式及运输容量等方面都需要考虑周全合理，并亟需在材料、供电等相关技术方面取得重大突破。例如，申请号为200510127346.9的中国专利公开的一种气顶式太空电梯运输方式，其在工作过程中需要不断的压缩空气，致使该技术的实现对运输管道密封性要求较高；又因此运输的方式是在管道中进行，所以损耗的能量大且运输容量小、效率低；申请号为202010871695.6的中国专利公开的一种太空电梯安全缓降装置，该发明只是给电梯下降的过程提供了安全的保障，缺少系统的提升方案，也缺乏高效的运输方式。因此，设计一套合理可行的太空提升系统，对未来发展太空资源开发及运输具有重要意义。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于碳纳米管缆绳的摩擦式太空提升系统。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于碳纳米管缆绳的摩擦式太空提升系统，包括空间站和太阳能电池板，太阳能电池板设置在空间站外侧；还包括提升机驱动装置、导向绳、提升舱、空间站提升系统控制装置、碳纳米管提升绳、碳纳米管尾绳、张紧滚筒、地面总提升系统控制装置和配重锤；提升舱左右两侧面分别设有夹紧装置，提升舱共有两个，分别为第一提升舱和第二提升舱；地球与空间站之间设有四根导向绳，第一提升舱、第二提升舱通过夹紧装置分别固定在左侧两根导向绳之间和右侧两根导向绳之间；空间站内部设有提升机驱动装置、提升滚筒和空间站提升系统控制装置，空间站提升系统控制装置与提升机驱动装置连接，碳纳米管提升绳一端与第二提升舱顶部连接，另一端先后绕过提升滚筒、提升机驱动装置后与第一提升舱顶部连接；配重锤与空间站连接，配重锤在同步轨道远地侧的轴线上；地面设有张紧滚筒、地面总提升系统控制装置、电源装置和集电杆；集电杆一端设有集电环，集电杆另一端与电源装置连接，碳纳米管尾绳一端与第二提升舱底部连接，另一端先绕过张紧滚筒再穿过集电环后与第一提升舱底部连接；地面总提升系统控制装置与空间站提升系统控制装置连接。
8.进一步的，还包括设置在地面的核发电站、电能量采集装置和供电传输系统，核发电站通过电能量采集装置与供电传输系统连接，供电传输系统与电源装置连接；供电传输系统与地面总提升系统控制装置连接。
9.进一步的，所述的提升舱由上至下分为装载舱、控制舱和动力舱，动力舱底面设有涡轮喷气式装置，为防止碳纳米管提升绳与装载舱连接使用时的松脱与滑绳，影响系统提升时的安全运行，在装载舱的顶面设有与碳纳米管提升绳连接用的连接装置。
10.进一步的，所述碳纳米管提升绳和碳纳米管尾绳均由碳纳米管材料制成；碳纳米管的空间结构为六边形，其质量轻并具有很好的抗疲劳、强度等力学性能、传热性能和导电性能。
11.进一步的，所述中间两根导向绳之间纵向间隔设有钢架。
12.进一步的，所述夹紧装置包括“门”形支撑架、定位轮、旋转小臂、旋转大臂、大臂驱动缸和小臂驱动缸，旋转小臂前面设有滑轮组，后面设有小臂连接杆；“门”形支撑架包括一个横梁和两个纵梁，横梁中心位置横向开设贯穿的定位孔，横梁上表面中间位置设有定位轮，定位轮左右两侧的横梁上表面分别铰接设有一个大臂驱动缸；两个纵梁上表面分别设有一个旋转大臂，旋转大臂靠近横梁和纵梁连接处的一端与纵梁铰接，旋转大臂的另一端与大臂驱动缸的另一端铰接；旋转大臂远离定位轮的一端上表面与小臂连接杆端部铰接，小臂驱动缸位于小臂连接杆下方，小臂驱动缸的一端与旋转大臂铰接，另一端与小臂连接杆中部铰接。
13.与现有技术相比，本发明采用碳纳米管作为提升绳的材料，碳纳米管材料具有超强的导电性和超强的韧度、强度等力学性能，在提升系统当中可作为极佳的电力输送设备及极佳的提升材料；设置辅助驱动系统
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涡轮喷气式驱动系统，可以更快的将设备推送到太空空间站中，缩短运输的周期，实现系统的高效运输方式；此外，夹紧装置可以使提升舱更加容易从轨道上拆卸和安装，也具有提高导向性的好处；本发明与其他现有运输方式相比，
更可以降低运行经济的成本和能源资源的使用。
附图说明
14.图1为本发明的整体结构布置图；图2为本发明的整体结构示意图；图3为本发明的提升舱与导向绳的安装图；图4为本发明的提升舱整体结构示意图；图5为本发明的夹紧装置结构示意图；图6为本发明的碳纳米管结构图；图中：1、空间站；2、提升机驱动装置；3、导向绳；4、提升舱；5、夹紧装置；6、集电环；7、核发电站；8、太阳能电池板；9、空间站提升系统控制装置；10、碳纳米管提升绳；11、碳纳米管尾绳；12、张紧滚筒；13、地面总提升系统控制装置；14、供电传输系统；15、集电杆；16、提升滚筒；17、导向轮；18、电能量采集装置；19、电源装置；20、配重锤；101、碳纳米管； 401、第一提升舱；402、第二提升舱；403、装载舱；404、控制舱；405动力舱；406、涡轮喷气式装置；407、连接装置；408、导电电缆绝缘管道；500、“门”形支撑架；501、定位轮；502、大臂驱动缸；503、旋转小臂；504、旋转大臂；505、定位孔；506、小臂驱动缸；507、小臂连接杆；508、滑轮组。
具体实施方式
15.下面结合附图对本发明作进一步说明。
16.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。
17.本发明提供一种技术方案：如图1和图2所示，包括空间站1和太阳能电池板8，太阳能电池板8设置在空间站1外侧；还包括提升机驱动装置2、导向绳3、提升舱4、空间站提升系统控制装置9、碳纳米管提升绳10、碳纳米管尾绳11、张紧滚筒12、地面总提升系统控制装置13和配重锤20；如图6所示，碳纳米管提升绳10和碳纳米管尾绳11均由碳纳米管101材料制成。
18.提升舱4的顶端设计成曲面形状，以减少在运行过程中的阻力，降低能量的损耗，提高提升的效率；提升舱4左右两侧面分别设有夹紧装置5，提升舱4共有两个，分别为第一提升舱401和第二提升舱402；地球与空间站1之间并列设有四根导向绳3，中间两根导向绳3之间纵向间隔设有钢架，使两个导向绳3之间保持距离，并且钢架为绝缘体；第一提升舱401、第二提升舱402通过夹紧装置5分别固定在左侧两根导向绳3之间和右侧两根导向绳3之间。
19.空间站1内部设有提升机驱动装置2、提升滚筒16、导向轮17和空间站提升系统控制装置9，空间站提升系统控制装置9与提升机驱动装置2连接，用于控制提升机驱动装置2的运行，碳纳米管提升绳10一端与第二提升舱402顶部连接，另一端先后绕过提升滚筒16、提升机驱动装置2、导向轮17后与第一提升舱401顶部连接；配重锤20与空间站1连接，配重
锤20在同步轨道远地侧的轴线上。
20.地面设有核发电站7、电能量采集装置18、供电传输系统14、张紧滚筒12、地面总提升系统控制装置13、电源装置19和集电杆15；核发电站7通过电能量采集装置18与供电传输系统14连接，供电传输系统14与电源装置19连接，地面总提升系统控制装置13与供电传输系统14连接，用于控制供电传输系统14与碳纳米管提升绳10电力输送；集电杆15一端设有集电环6，集电杆15另一端与电源装置19连接，碳纳米管尾绳11一端与第二提升舱402底部连接，另一端先绕过张紧滚筒12再穿过集电环6后与第一提升舱401底部连接；地面总提升系统控制装置13与空间站提升系统控制装置9连接。
21.如图4所示，提升舱4由上至下分为装载舱403、控制舱404和动力舱405，装载舱403的顶面设有与碳纳米管提升绳10连接用的连接装置407，控制舱404内设有控制装置，动力舱405底面设有四个涡轮喷气式装置406，涡轮喷气式装置406与提升机驱动装置2进行协同工作，以承担提升机驱动装置2的承受力度，提高运输效率及运载能力；涡轮喷气式装置406、夹紧装置5均与控制舱404内的控制装置连接。太阳能电池板8可将太阳能转换成电能，为空间站1提供能源，同时也可通过碳纳米管提升绳10为涡轮喷气式装置406提供电力。
22.如图5所示，夹紧装置5包括“门”形支撑架500、定位轮501、旋转小臂503、旋转大臂504、大臂驱动缸502和小臂驱动缸506，旋转小臂503后面设有小臂连接杆507，前面设有多列滑轮组508，多列滑轮组508呈弧形；“门”形支撑架500包括一个横梁和两个纵梁，横梁中心位置横向开设贯穿的定位孔505，通过定位孔505用以将夹紧装置5固定在提升舱4上，横梁上表面中间位置设有定位轮501，定位轮501左右两侧的横梁上表面分别铰接设有一个大臂驱动缸502；两个纵梁上表面分别设有一个旋转大臂504，旋转大臂504靠近横梁和纵梁连接处的一端与纵梁铰接，旋转大臂504的另一端与大臂驱动缸502的另一端铰接；大臂驱动缸502的伸缩会带动旋转大臂504的开合；旋转大臂504远离定位轮501的一端上表面与小臂连接杆507端部铰接，小臂驱动缸506位于小臂连接杆507下方，小臂驱动缸506的一端与旋转大臂504铰接，另一端与小臂连接杆507中部铰接；小臂驱动缸506的伸缩会带动旋转小臂503的升降。
23.导向轮的抱紧过程：在控制舱404内的控制装置接收到地面总提升系统控制装置13的命令后，会根据命令控制大臂驱动缸502和小臂驱动缸506工作，旋转大臂504在大臂驱动缸502的驱动下向内侧转动；旋转小臂503在小臂驱动缸506的驱动下向前下移动，最终夹紧装置5与导向绳3紧密接触，实现抱紧，此时状态如图3所示。导向轮的松开过程与抱紧过程相反：在控制舱404内的控制装置接收到地面总提升系统控制装置13的命令后，控制大臂驱动缸502和小臂驱动缸506反向工作，旋转大臂504向外侧转动，旋转小臂503向后上移动，夹紧装置5脱离与轨道的接触，实现松开。
24.提升系统的供电过程：核发电站7所产生的电能被电能量采集装置18收集并存储，经过供电传输系统14输送到电源装置19；集电杆15与电源装置19衔接后，电量会由集电杆15传送到集电环6当中；碳纳米管尾绳11穿过集电环6的中心并与集电环6接触，此时带电的碳纳米管尾绳11经在提升舱4侧表面的导电电缆绝缘管道408将电能传送到提升舱4顶端并传递给碳纳米管提升绳10，电量以碳纳米管提升绳10为传送介质，最后传到太空空间站1的提升机驱动装置2，使提升机驱动装置2通有电量，太空空间站1上的太阳能电池板8为空间站提升系统控制装置9等设备提供电量；
地面总提升系统控制装置13将提升机驱动装置2的松闸命令传给太空空间站1上的空间站提升系统控制装置9，空间站提升系统控制装置9接受命令，将提升机驱动装置2上的制动盘脱离制动片，完成松闸指令；同时，夹紧装置5抱紧在导向绳3上，工作完成之后，即提升舱4处于待工作状态。
25.运行模式：供电完成以及提升舱4的舱门都关闭后，地面总提升系统控制装置13发送启动电机命令给控制舱404内的控制装置，控制装置接收命令后，开启涡轮喷气式装置406；同时，地面总提升系统控制装置13也发送启动命令给空间站提升系统控制装置9，控制启动提升机驱动装置2，使提升机驱动装置2和涡轮喷气式装置406协同工作，让提升舱4开始运行；将提前设定好的涡轮喷气式装置406提升所需开闭时间设定完成，输入到控制舱404内的控制装置当中，使涡轮喷气式装置406在运行到大气层前关闭，提升舱4以惯性进入太空空间站1；同时，提升舱4在下降的过程当中，将提前设定好的涡轮喷气式装置406下降过程中所需的开闭时间设定完成，输入到控制舱404的控制系统装置当中，使提升舱4的涡轮喷气式装置406在距离地面一定的高度打开使之工作，向下产生反作用力，以达到安全速度降落在地面上的指定位置。
26.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
27.以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。