[发明专利]一种基于载人火星探测的空间运输系统及探测方法

权利要求书

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气体，实施稳定持续增压。