一种基于载人火星探测的空间运输系统及探测方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于载人火星探测的空间运输系统及探测方法，包括核推进级、贮箱级以及有效载荷级；所述核推进级位于运输系统的末端，包括含核反应堆的主发动机和一级液氢贮箱，用于推进整个运输系统进入火地转移轨道、轨道控制及近火、近地制动；所述贮箱级位于核推进级前端，包括多个二级液氢贮箱，用于贮存推进剂，在运输系统进入地火转移轨道时，将推进剂提供于核推进级的主发动机；所述有效载荷级包括载人型有效载荷和载货型有效载荷，所述载人型有效载荷包括载人探测飞行器和转移居住舱，所述载货型有效载荷包括火星着陆与上升探测器。本发明专利技术提出的基于载人火星探测的空间运输系统及探测方法，为载人火星探测提供了极大意义上的参考。大意义上的参考。

A space transportation system and detection method based on manned Mars Exploration

【技术实现步骤摘要】
一种基于载人火星探测的空间运输系统及探测方法


[0001]本专利技术属于航天运输以及深空探测
，特别涉及一种基于载人火星探测的空间运输系统及探测方法。

技术介绍

[0002]载人火星探测在探索地外生命、星际移民、推动科技发展、提升国家地位和促进人类社会进步等方面具有重要的意义。目前人类仅开展了数十次无人火星探测，对火星进行了考察，尚未实现载人火星探测。航天运输系统技术是载人火星探测任务实施的基础技术，其技术水平对载人火星探测任务的构架、运输能力等方面也有重要影响。因而，有必要研发一种基于载人火星探测的空间运输系统及探测方法。

技术实现思路

[0003]为了克服现有技术中的不足，本专利技术人进行了锐意研究，提供了一种基于载人火星探测的空间运输系统及探测方法，该空间运输系统为基于氢工质的一体化主辅动力系统，并采用核热主动力后效推力下的地火转移轨道优化设计方案，为我国的载人火星探测提供了极大意义上的参考。
[0004]本专利技术提供的技术方案如下：
[0005]第一方面，一种基于载人火星探测的空间运输系统，包括核推进级、贮箱级以及有效载荷级；所述核推进级位于运输系统的末端，包括含核反应堆的主发动机和一级液氢贮箱，用于推进整个运输系统进入火地转移轨道、轨道控制及近火、近地制动；所述贮箱级包括多个二级液氢贮箱，用于贮存推进剂，在运输系统进入地火转移轨道时，将推进剂提供于核推进级的主发动机；所述有效载荷级包括载人型有效载荷和载货型有效载荷，所述载人型有效载荷包括载人探测飞行器和转移居住舱，所述载货型有效载荷包括火星着陆与上升探测器。
[0006]进一步地，所述核推进级中的含核反应堆的主发动机，选用核热单主动力形式或核热核电双主动力形式；核热单主动力形式采用核热发动机作为主发动机，负责完成进入地火转移轨道、火星制动入轨、进入火地转移轨道的任务；核热核电双主动力形式采用核热发动机和核电发动机，核热发动机用于进入地火转移轨道、火星制动入轨、进入火地转移轨道的任务，核电发动机用于地火往返期间的加速与减速。
[0007]进一步地，所述核热单主动力形式的核热发动机，采用双涡轮泵膨胀循环方式，核热发动机主要由两套涡轮泵系统、反应堆系统、推力室系统以及阀门和管路系统组成；每套涡轮泵系统主要由二级离心泵、诱导轮、二级反力式涡轮以及润滑系统组成；所述二级离心泵、诱导轮和二级反力式涡轮安放在同一个轴上，二级反力式涡轮通过此轴带动离心泵和诱导轮转动；所述反应堆系统主要由燃料单元、支撑管、控制棒和反应堆屏蔽层组成，反应堆系统整体呈六边形蜂窝状，燃料单元呈小六边形空心结构，与其外部的支撑管和控制棒并排组成反应堆六边形，屏蔽层位于反应堆系统头部和外围，用于屏蔽辐射；推力室系统主
要由喷管和反应堆出口小段圆筒段组成，采用再生冷却和辐射冷却结合的形式对推力室进行冷却；阀门和管路系统则主要由工质导管和各种阀门组成；核热发动机启动时，贮箱主阀门打开，贮箱中的工质在贮箱自身增压压力的作用下进入二级离心泵增压，成为高压工质，高压工质经过二级离心泵后分为两路，一路首先经过再生冷却通道对推力室系统进行冷却，在完成推力室再生冷却后，接着进入控制棒对反应堆外围进行冷却；另一路则进入支撑管结构受热，同时也起到冷却反应堆内部的作用；两路工质在涡轮前混合并进入涡轮膨胀做功，驱动涡轮旋转；经过涡轮后的工质气体则进入反应堆燃料单元继续受热，最终在反应堆出口成为高温高压工质，通过喷管膨胀并以极高的速度排出，从而产生推力。
[0008]进一步地，所述运输系统除主发动机作为主动力系统外，还包括辅助动力系统，用于进行姿控和轨控，与主动力系统共同形成基于氢工质的一体化主辅动力系统；所述辅助动力系统采用贮箱中蒸发的气氢经过核反应堆加热后直接喷出形成推力，或者贮箱中蒸发的气氢与液氧作为辅助动力系统的推进剂，气氢与液氧燃烧后喷出形成推力，与核反应堆换热后的部分气氢作为贮箱的增压气体，实施稳定持续增压。
[0009]第二方面，一种基于载人火星探测的空间运输方法，包括如下步骤：
[0010]S1，由运载火箭将核推进级、贮箱级、有效载荷级分别送至近地轨道，并进行在轨组装；
[0011]S2，启动核热发动机，进入地火转移轨道，并抛掉使用完毕的贮箱级中的贮箱，关闭核热发动机，随后核热单主动力形式采用霍曼转移轨道进行转移，核热核电双主动力形式在转移过程中启动核电发动机，进行轨道优化；
[0012]S3，接近火星时，再次开启核热发动机，进行近火制动，并在环火轨道停留等待火星执行任务，关闭核热发动机；
[0013]S4，载人火星任务结束后，空间运输系统重新开启核热发动机，进入火地转移轨道后关闭，随后核热单主动力形式采用霍曼转移轨道进行转移；核热核电双主动力形式在转移过程中启动核电发动机，进行轨道优化，接近地球时直接通过载人飞船着陆地球。
[0014]进一步地，步骤S4中，在进入地火转移轨道时采用基于核热主动力后效推力的地火转移点的优化方法，通过对主发动机开机时间与开机时姿态方向进行求解，使运输系统终端状态可以满足进入地火转移轨道条件；具体包括如下步骤：
[0015]针对核热发动机的推力曲线插值拟合，确定核热发动机的推力幅值大小和作用时间，表征形成发动机后效推力，作为轨道优化的约束条件；
[0016]选取进入地火转移轨道的运输系统终端质量最大为优化目标；选取发动机开关机时刻以及开机过程中发动机推力在三维空间中的单位矢量分量为优化参数；
[0017]采用微分形式的高斯伪谱方法，将运输系统在轨道的状态时间历程与控制时间历程在一系列高斯点上离散，之后用这些离散的状态与控制分别构造拉格朗日插值多项式去逼近真实的状态与控制的时间历程，并将动力学微分方程约束转化为一系列代数约束；根据已确定的核热发动机在每一时刻排出的推进剂质量以及飞行条件，对进入转移轨道与进入目标轨道两个过程进行求解和优化，获得进入地火转移轨道的飞行过程燃料消耗最小的轨道。
[0018]还提供了一种基于核运输系统的航班化载人火星探测方法，包括如下步骤：
[0019]S1，选择日地拉格朗日点2作为空间基地，由运载火箭将核推进级、贮箱级、有效载
荷级分别送至空间基地，并进行在轨组装；
[0020]S2，从该空间基地出发，启动核热发动机，进入地火转移轨道，不抛掉使用完毕的贮箱级中的贮箱，关闭核热发动机，随后核热单主动力形式采用霍曼转移轨道进行转移，核热核电双主动力形式在转移过程中启动核电发动机，进行轨道优化；
[0021]S3，接近火星时，再次开启核热发动机，进行近火制动，并在环火轨道停留等待火星执行任务，关闭核热发动机；
[0022]S4，载人火星任务结束后，利用火星原位资源在轨为贮箱加注燃料，空间运输系统重新开启核热发动机，进入火地转移轨道后关闭，随后核热单主动力形式采用霍曼转移轨道进行转移；核热核电双主动力形式在转移过程中启动核电发动机，进行轨道优化，返回空间基地；
[0023]S5，在空间基地再进行加注后，进行等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于载人火星探测的空间运输系统，其特征在于，包括核推进级、贮箱级以及有效载荷级；所述核推进级位于运输系统的末端，包括含核反应堆的主发动机和一级液氢贮箱，用于推进整个运输系统进入火地转移轨道、轨道控制及近火、近地制动；所述贮箱级包括多个二级液氢贮箱，用于贮存推进剂，在运输系统进入地火转移轨道时，将推进剂提供于核推进级的主发动机；所述有效载荷级包括载人型有效载荷和载货型有效载荷，所述载人型有效载荷包括载人探测飞行器和转移居住舱，所述载货型有效载荷包括火星着陆与上升探测器。2.根据权利要求1所述的基于载人火星探测的空间运输系统，其特征在于，所述核推进级、贮箱级以及有效载荷通过桁架连接，所述桁架为半包围式桁架结构，贮箱级中的串联式贮箱与半包围式桁架结构在多个环向均布的连接点通过爆炸螺栓固定，贮箱在一次性火星探测的模式下于进入地火转移轨道后且贮箱内推进剂用尽后抛掉，在航班化火星探测的模式下保留以用于加注重复使用或整体替换使用。3.根据权利要求2所述的基于载人火星探测的空间运输系统，其特征在于，所述核推进级、贮箱级以及有效载荷通过桁架连接，所述桁架为中心轴桁架结构，所述贮箱级中的贮箱采用并联式结构或串并联结合的形式，并联式贮箱围绕中心轴桁架对称排布并轴向固定，其抛除模式与串联式贮箱一致。4.根据权利要求1所述的基于载人火星探测的空间运输系统，其特征在于，所述核推进级中的含核反应堆的主发动机，选用核热单主动力形式或核热核电双主动力形式；核热单主动力形式采用核热发动机作为主发动机，负责完成进入地火转移轨道、火星制动入轨、进入火地转移轨道的任务；核热核电双主动力形式采用核热发动机和核电发动机，核热发动机用于进入地火转移轨道、火星制动入轨、进入火地转移轨道的任务，核电发动机用于地火往返期间的加速与减速。5.根据权利要求4所述的基于载人火星探测的空间运输系统，其特征在于，所述核热单主动力形式的核热发动机，采用双涡轮泵膨胀循环方式，核热发动机主要由两套涡轮泵系统、反应堆系统、推力室系统以及阀门和管路系统组成；每套涡轮泵系统主要由二级离心泵、诱导轮、二级反力式涡轮以及润滑系统组成；所述二级离心泵、诱导轮和二级反力式涡轮安放在同一个轴上，二级反力式涡轮通过此轴带动离心泵和诱导轮转动；所述反应堆系统主要由燃料单元、支撑管、控制棒和反应堆屏蔽层组成，反应堆系统整体呈六边形蜂窝状，燃料单元呈小六边形空心结构，与其外部的支撑管和控制棒并排组成反应堆六边形，屏蔽层位于反应堆系统的头部外围，用于屏蔽辐射；推力室系统主要由喷管和反应堆出口小段圆筒段组成，采用再生冷却和辐射冷却结合的形式对推力室进行冷却；阀门和管路系统则主要由工质导管和各种阀门组成；核热发动机启动时，贮箱主阀门打开，贮箱中的工质在贮箱自身增压压力的作用下进入二级离心泵增压，成为高压工质，高压工质经过二级离心泵后分为两路，一路首先经过再生冷却通道对推力室系统进行冷却，在完成推力室再生冷却后，接着进入控制棒对反应堆外围进行冷却；另一路则进入支撑管结构受热，同时也起到冷却反应堆内部的作用；两路工质在涡轮前混合并进入涡轮膨胀做功，驱动涡轮旋转；经过涡轮后的工质气体则进入反应堆燃料单元继续受热，最终在反应堆出口成为高温高压工质，通过喷管膨胀并以极高的速度排出，从而产生推力。
6.根据权利要求5所述的基于载人火星探测的空间运输系统，其特征在于，所述核热核电双主动力形式中的核热发动机与核热单主动力形式的主发动机运行方式一致，所述核热核电双主动力形式中的核电发动机利用核热转化形成的电能作用于液氢工质，高速喷出形成推力。7.根据权利要求1所述的基于载人火星探测的空间运输系统，其特征在于，所述运输系统除主发动机作为主动力系统外，还包括辅助动力系统，用于进行姿控和轨控，与主动力系统共同形成基于氢工质的一体化主辅动力系统；所述辅助动力系统采用贮箱中蒸发的气氢经过核反应堆加热后直接喷出形成推力，或者贮箱中蒸发的气氢与液氧作为辅助动力系统的推进剂，气氢与液氧燃烧后喷出形成推力，与核反应堆换热后的部分气氢作为贮箱的增压...

【专利技术属性】
技术研发人员：董晓琳，汪小卫，高朝辉，刘丙利，吴胜宝，祁振强，郝宇星，刘楠，杨毅，李扬，孔令超，童科伟，王小锭，庄方方，张雨佳，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：