一种可重复使用地月运输系统及方法与流程

本发明涉及飞行器设计相关技术领域，具体设计一种可重复使用地月运输系统及方法。

背景技术：

重返月球、开发月球资源、建立月球基地等载人月球探测活动已成为世界航天的必然趋势和研究热点。实施载人月球探测是推动我国载人航天持续发展、促进国家科技实力进步的科学选择和有效途径。

目前世界上载人月球项目方案主要有两类：类阿波罗(apollo)方案以及类星际飞船(starship)方案。类阿波罗方案的各飞行器功能严格区分，大部分飞行器不能回收。类阿波罗方案成本很高，不利于月球探测的可持续发展。类星际飞船方案仅由两个飞行器组成，方案简洁，但推进剂消耗大，设计难度高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种可重复使用地月运输系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种可重复使用地月运输系统，包括亚轨道运载火箭、天地往返飞行器、地月运输飞行器和登月飞行器；所述亚轨道运载火箭用于将所述天地往返飞行器、地月运输飞行器和登月飞行器从地面发送至地球亚轨道后返回地球；所述天地往返飞行器用于将所述地月运输飞行器和登月飞行器送入近地轨道后返回地球；所述地月运输飞行器用于将所述登月飞行器送入月球低轨道，并回收所述登月飞行器的上升级后返回地球；所述登月飞行器从月球低轨道下降着陆月面开展探测活动。

本发明的有益效果是：本发明的可重复使用地月运输系统，具备全月面可达、任意时刻返回的任务能力，并通过返回地球重复使用的方式有效降低单次任务成本，有望推动月球探测的可持续发展。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述登月飞行器还包括载人舱和下降级；所述登月飞行器的下降级将所述登月飞行器从月球低轨道减速降落至月面，进行探测活动；所述登月飞行器在月面发射时抛弃下降级；所述登月飞行器的上升级将所述登月飞行器从月面发射进入月球低轨道，然后从月球低轨道进入快速地月转移轨道，最后从快速地月转移轨道进入大椭圆地球轨道，在大椭圆地球轨道上被所述地月运输飞行器捕获后返回地球；所述登月飞行器的载人舱在地球低轨道高度处再入着陆地面。

采用上述进一步方案的有益效果是：登月飞行器的载人舱为航天员提供整个飞行任务阶段的生命支持，以及从地球低轨道再入地球着陆过程的安全保障；登月飞行器的下降级提供登月飞行器从月球低轨道着陆月面的减速动力，使登月飞行器安全着陆月球；在登月飞行器发射升空时，下降级被分离抛弃，上升级为登月飞行器提供从月面到地球低轨道的返回动力，并在地球低轨道高度处择机释放载人舱；登月飞行器的上升级继续沿着大椭圆地月转移轨道飞行并且择机被地月运输飞行器捕获回收。

进一步，所述登月飞行器的上升级上安装有同时为上升级和下降级提供动力的发动机；所述下降级包括安装在所述上升级四周的若干储箱和安装在上升级底部的着陆腿。

采用上述进一步方案的有益效果是：上升级和下降级共用一套发动机并将发动机安装在上升级上，下降级仅包括一次性使用的储箱和着陆腿，代价损失小。

进一步，所述天地往返飞行器和地月运输飞行器并排布置在亚轨道运载火箭的上端。

采用上述进一步方案的有益效果是：天地往返飞行器和地月运输飞行器采用并联方式组合后再与亚轨道运载火箭串联，便于亚轨道运载火箭将其发射和与之分离。

进一步，所述亚轨道运载火箭上端周侧设有若干用于着陆过程气动减速的栅格翼，下端周侧设有若干作为着陆地面时支撑装置的着陆腿；所述亚轨道运载火箭采用液氧甲烷发动机用于提供从地面发射的动力。

采用上述进一步方案的有益效果是：选用栅格翼用于亚轨道运载火箭再入着陆过程的气动减速控制。

进一步，所述天地往返飞行器采用小翼升力体气动外形，其表面设有隔热瓦；所述天地往返飞行器上设有扩大气动减速阻力面积的襟翼以及作为着陆地面支撑装置的着陆腿。

采用上述进一步方案的有益效果是：天地往返飞行器采用小翼升力体气动外形，利用空气阻力减速和发动机反推控制实现垂直软着陆。隔热瓦的设置可用于防热保护。

进一步，所述地月运输飞行器内部具有用于容纳所述登月飞行器的载荷空间，所述地月运输飞行器上设有用于释放或回收登月飞行器的舱门。

进一步，所述地月运输飞行器与所述天地往返飞行器具有相同的气动外形，其表面设有隔热瓦；所述地月运输飞行器上设有扩大气动减速阻力面积的襟翼以及作为着陆地面支撑装置的着陆腿；所述地月运输飞行器上安装有能够折叠的太阳帆板。

采用上述进一步方案的有益效果是：地月运输飞行器采用与天地往返飞行器几乎完全相同的外形和结构设计，有利于降低加工与制造的周期和成本；其上太阳帆板的设置为空间飞行提供能源。

一种可重复使用地月运输方法，包括以下步骤：

s1，亚轨道运载火箭将天地往返飞行器以及内部含有登月飞行器的地月运输飞行器从地面发射进入地球亚轨道；

s2，亚轨道运载火箭与天地往返飞行器和地月运输飞行器分离，返回地面；

s3，天地往返飞行器将地月运输飞行器以及登月飞行器从地球亚轨道送入地球低轨道；

s4，天地往返飞行器与地月运输飞行器分离，返回地面；

s5，地月运输飞行器从地球低轨道进入快速地月转移轨道；

s6，地月运输飞行器从快速地月转移轨道进入月球低轨道，择机释放登月飞行器；

s7，登月飞行器从月球低轨道下降着陆月面，开展月球探测活动；

s8，登月飞行器抛弃下降级，从月面发射进入月球低轨道；

s9，登月飞行器从月球低轨道进入快速地月转移轨道；

s10，登月飞行器在地球低轨道高度处释放载人舱；

s11，登月飞行器的载人舱从地球低轨道高度处再入着陆地面；

s12，登月飞行器的上升级从快速地月转移轨道进入大椭圆地球轨道；

s13，地月运输飞行器从月球低轨道进入低能耗月地转移轨道；

s14，地月运输飞行器从低能耗月地转移轨道进入大椭圆地球轨道，捕获登月飞行器的上升级；

s15，地月运输飞行器通过大气制动减速从大椭圆地球轨道进入地球低轨道；

s16，地月运输飞行器从地球低轨道再入着陆地面。

本发明的有益效果是：本发明的方法，具备全月面可达、任意时刻返回的任务能力，并通过返回地球重复使用的方式有效降低单次任务成本，有望推动月球探测的可持续发展。

附图说明

图1为本发明可重复使用地月运输系统示意图一；

图2为本发明可重复使用地月运输系统示意图二；

图3为本发明可重复使用地月运输系统的亚轨道运载火箭示意图；

图4为本发明可重复使用地月运输系统的天地往返飞行器示意图；

图5为本发明可重复使用地月运输系统的地月运输飞行器示意图；

图6为本发明可重复使用地月运输系统的登月飞行器示意图；

图7为本发明可重复使用地月运输系统的任务规划流程示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、亚轨道运载火箭；11、液氧甲烷发动机；2、天地往返飞行器；3、地月运输飞行器；31、太阳帆板；32、舱门；4、登月飞行器；41、载人舱；42、下降级；43、上升级；5、着陆腿；6、格栅翼；7、隔热瓦；8、襟翼。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-图7所示，本实施例的一种可重复使用地月运输系统，包括亚轨道运载火箭1、天地往返飞行器2、地月运输飞行器3和登月飞行器4；所述亚轨道运载火箭1用于将所述天地往返飞行器2、地月运输飞行器3和登月飞行器4从地面发送至地球亚轨道后返回地球；所述天地往返飞行器2用于将所述地月运输飞行器3和登月飞行器4送入近地轨道后返回地球；所述地月运输飞行器3用于将所述登月飞行器4送入月球低轨道，并回收所述登月飞行器4的上升级43后返回地球；所述登月飞行器4从月球低轨道下降着陆月面开展探测活动。

本实施例的可重复使用地月运输系统，具备全月面可达、任意时刻返回的任务能力，并通过返回地球重复使用的方式有效降低单次任务成本，有望推动月球探测的可持续发展。其中，本实施例中的亚轨道运载火箭可采用spacex公司的猎鹰9号火箭设计方案。

本实施例的一个具体方案为，如图6所示，本实施例的所述登月飞行器4还包括载人舱41和下降级42，所述登月飞行器4的下降级42将所述登月飞行器4从月球低轨道减速降落至月面，进行探测活动；所述登月飞行器4完成探测活动后抛弃下降级42；所述登月飞行器4的上升级43将所述登月飞行器4从月面发射进入月球低轨道，然后从月球低轨道进入快速地月转移轨道，最后从快速地月转移轨道进入大椭圆地球轨道，在大椭圆地球轨道上被所述地月运输飞行器3捕获后返回地球；所述登月飞行器4的载人舱41在地球低轨道高度处再入着陆地面。登月飞行器4的载人舱41为航天员提供整个飞行任务阶段的生命支持，以及从地球低轨道再入地球着陆过程的安全保障；登月飞行器4的下降级42提供登月飞行器4从月球低轨道着陆月面的减速动力，使登月飞行器4安全着陆月球；在登月飞行器4发射升空时，下降级42被分离抛弃，上升级43为登月飞行器4提供从月面到地球低轨道的返回动力，并在地球低轨道高度处择机释放载人舱41；登月飞行器4的上升级43继续沿着大椭圆地月转移轨道飞行并且择机被地月运输飞行器3捕获回收。

具体的，本实施例的所述登月飞行器4的上升级43上安装有同时为上升级43和下降级42提供动力的发动机；所述下降级42包括安装在所述上升级43四周的若干储箱和安装在上升级43底部的着陆腿5。上升级43和下降级42共用一套发动机并将发动机安装在上升级43上，下降级42仅包括一次性使用的储箱和着陆腿，代价损失小。

如图1所示，本实施例的所述天地往返飞行器2和地月运输飞行器3并排布置在亚轨道运载火箭1的头部上端。天地往返飞行器2和地月运输飞行器3采用并联方式组合后再与亚轨道运载火箭1串联，便于亚轨道运载火箭1将其发射和与之分离。

如图1-图3所示，本实施例的所述亚轨道运载火箭1上端周侧设有若干用于着陆过程气动减速的栅格翼6，下端周侧设有若干作为着陆地面时支撑装置的着陆腿5；所述亚轨道运载火箭1采用液氧甲烷发动机11用于提供从地面发射的动力。选用栅格翼6用于亚轨道运载火箭再入着陆过程的气动减速控制。着陆腿和格栅翼可参考猎鹰9号可回收式中型运载火箭。

本实施例的一个优选方案为，如图1和图4所示，所述天地往返飞行器2采用小翼升力体气动外形，其表面设有隔热瓦7；所述天地往返飞行器2上设有扩大气动减速阻力面积的襟翼8以及作为着陆地面支撑装置的着陆腿5。天地往返飞行器2采用小翼升力体气动外形，利用空气阻力减速和发动机反推控制实现垂直软着陆。隔热瓦7的设置可用于防热保护。

本实施例的所述地月运输飞行器3内部具有用于容纳所述登月飞行器4的载荷空间，所述地月运输飞行器3上设有用于释放或回收登月飞行器4的舱门。

如图4所示，本实施例的所述地月运输飞行器3采用小翼升力体气动外形，其表面设有隔热瓦7；所述地月运输飞行器3上设有扩大气动减速阻力面积的襟翼8以及作为着陆地面支撑装置的着陆腿5；所述地月运输飞行器3上安装有能够折叠的太阳帆板31。地月运输飞行器3采用与天地往返飞行器2几乎完全相同的外形和结构设计，有利于降低加工与制造的周期和成本；其上太阳帆板31的设置为空间飞行提供能源。

一种可重复使用地月运输方法，如图7所示，可重复使用地月运输系统单次任务的飞行流程，包括以下步骤：

s1，亚轨道运载火箭1将天地往返飞行器2以及内部含有登月飞行器4的地月运输飞行器3从地面发射进入地球亚轨道；

s2，亚轨道运载火箭1与天地往返飞行器2和地月运输飞行器3分离，返回地面；

s3，天地往返飞行器2将地月运输飞行器3以及登月飞行器4从地球亚轨道送入地球低轨道；

s4，天地往返飞行器2与地月运输飞行器3分离，返回地面；

s5，地月运输飞行器3从地球低轨道进入快速地月转移轨道；

s6，地月运输飞行器3从快速地月转移轨道进入月球低轨道，择机释放登月飞行器4；

s7，登月飞行器4从月球低轨道下降着陆月面，开展月球探测活动；

s8，登月飞行器4抛弃下降级42，从月面发射进入月球低轨道；

s9，登月飞行器4从月球低轨道进入快速地月转移轨道；

s10，登月飞行器4在地球低轨道高度处释放载人舱41；

s11，登月飞行器4的载人舱41从地球低轨道高度处再入着陆地面；

s12，登月飞行器4的上升级43从快速地月转移轨道进入大椭圆地球轨道；

s13，地月运输飞行器3从月球低轨道进入低能耗月地转移轨道；

s14，地月运输飞行器3从低能耗月地转移轨道进入大椭圆地球轨道，捕获登月飞行器4的上升级43；

s15，地月运输飞行器3通过大气制动减速从大椭圆地球轨道进入地球低轨道；

s16，地月运输飞行器3从地球低轨道再入着陆地面。

本实施例的方法，具备全月面可达、任意时刻返回的任务能力，并通过返回地球重复使用的方式有效降低单次任务成本，有望推动月球探测的可持续发展。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。