[发明专利]一种采用激光供电的爬绳式太空提升系统

说明书

本发明公开了一种采用激光供电的爬绳式太空提升系统，空间站激光器设置在空间站外部，空间站内部设有空间站夹紧装置，地球赤道上设置地面激光器和地面夹紧装置，太空缆绳一端与地面夹紧装置连接，另一端穿过提升舱后与空间站夹紧装置连接；本发明只需要一根太空缆绳，在提升舱内安装滚轮驱动装置，能够利用滚轮与太空缆绳之间的摩擦力进行驱动，无需借助外力；气压装置具有保护作用，若系统出现故障，弹簧作用力则会使滚轮驱动装置压紧太空缆绳，防止坠落；提升系统采用激光供电，可以减少实体电缆的铺设，整体结构会更加可靠；空间站激光器的能量来自于空间站的太阳能电池板，可以更加充分的利用太空中的能量。

技术领域

本发明涉及一种太空提升系统，具体涉及一种采用激光供电的爬绳式太空提升系统。

背景技术

随着社会进步和科学技术的发展，人类社会不断增长的能源需求和地球有限资源之间的矛盾不断加大，迫使人类开始探索新的能源。由于太空中具有大量的矿产资源，因此人类开始将目光投向太空，寻求开发太空中的矿产资源来使用。当航天器运载着从其他星球开采来的矿产资源返回地球时，如果直接通过地球大气层返回地面，这样对航天器的损害很大，而且运输成本很高。如果能有一种在地面和空间站之间经济高效的运输方式，运载资源的航天器便不用穿越大气层返回地球，可以直接将运载的资源通过空间站运回地球表面。这样既减少了航天器的损耗，也大大提升了资源运输的效率。现有在地球和太空之间的主要运输方式为运载火箭和航天飞机，运载火箭一般属于一次性使用运载系统，执行完任务后，运载火箭被抛弃，成本很高。航天飞机是美国最先研制的一种可重复使用运载工具，但是航天飞机的发展历程最终证明了这种运输方式虽然用途广泛，且可重复使用，但其成本实在太高，而且风险很大。因此，寻找一种真正具备低成本、高可靠性和完全可重复使用等特点，能够进入太空的运输方式成为迫切需求。设想如果可以在宇宙空间内建造超长的太空电梯，便可以将从太空中开采的资源运回地球或将货物运送到空间站，且能够大大节省人类太空探索的成本，甚至还可以利用太空电梯运送游客，发展太空旅游业，带来一系列经济效应。

由于地球至空间站距离过远，不同高度的地球引力和离心力之间的变化对连接地球和空间站的太空缆绳提出了极高的挑战，现有的钢丝绳等常规材料均无法满足太空缆绳的强度要求。20世纪90年代以来，碳纳米管（CNT）材料的出现使得制造一种能够连接地球和空间站的高强度太空缆绳成为可能。碳纳米管材料与钢丝绳材料相比，具有超高的强度和极佳的韧性，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超高强度材料，成为制造太空缆绳材料的不二选择。

在太空提升系统的能源供给方面，首选太阳能供电，但是其能量密度有限，不能满足大功率提升系统的供电需求。未来，高强度激光供电将可能成为太空能源供给的可行途径之一。由于激光具有方向性强、能量集中、传输距离远等特点，能够有效应用于长距离能量传输。未来随着大功率激光发射器、高效率光电转换电池技术的发展，预期将能够有效解决太空电梯的能源供给问题。

在太空提升系统的驱动方式方面，现有提升机的驱动系统主要有缠绕式提升和摩擦式提升两种方式。若使用缠绕式提升方式来作为太空提升方案，会因提升距离太远致使提升机滚筒直径太大，提升机无法在空间站布置，不具备可行性。若选用摩擦式提升方式，则会需要多根缆绳，提升系统成本太高，且结构复杂。为此，本发明提出采用提升舱摩擦爬绳自驱动，只需要一根缆绳，结构简单且成本经济。

目前，已有人提出一些太空电梯方案，但大都只是太空提升系统的一部分，对于完整的太空提升系统的设计方案还比较少见。例如，检索发现，申请号为202010871695.6中国专利公开的是一种太空电梯安全缓降装置，申请号为202011355279.7中国专利公开的是一种用于高速大负载运输的太空天梯攀爬机器人，均只涉及太空提升系统的某一部分而非整体；申请号为200510127346.9中国专利公开的一种气顶式太空电梯运输方式，该方式在理想状态下虽是一个可以实施的太空提升方式，但该技术对管道的密封性要求较高，难以具备可行性。因此，设计一个能够连接太空和地球的合理运输方式，对发展太空资源开发和利用具有重要意义。