[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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于航天运输以及深空探测技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，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。

本发明提供的技术方案如下：

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。

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。

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。