[发明专利]一种火箭动力式火星运输机

说明书

本发明提供一种火箭动力式火星运输机，包括承载系统以及设在承载系统上的缓冲着陆系统、动力系统、能源系统与导航制导与控制系统，承载系统包括桁架，动力系统包括设在框架底部的主发动机；能源系统包括高压气瓶与贮箱，高压气瓶设在桁架的中部，贮箱的数量为多个且呈环形间隔设在桁架的侧部，高压气瓶与每一贮箱通过管路连通，每一贮箱与主发动机通过管路相连。采用模块化设计，将着陆缓冲装置、动力系统、承载系统、能源系统与导航制导与控制系统更加合理的安装在桁架上，在保证火星运输机结构更加紧凑的前提下载荷更加分散，降低了火星运输机的重心，从而使得火星运输机具有更高的承载能力。本发明应用于星球表面飞行领域。

技术领域

本发明涉及火星表面飞行器，尤其涉及一种火箭动力式火星运输机。

背景技术

随着火星探测技术的发展，人们对火星的认识逐步加深。为了进一步探索和开发火星，实现载人登火已经成为各国火星任务的下一个目标。人类登火是火星探测与开发的关键一步，登火后仍有多个问题需解决。包括如何进行未知区域高效探测，如何进行物资运送和人员移动，如何保障人员安全等。上述问题均与运输有关，因此可靠的运输工具是解决上述问题的关键。

目前，火星上并没有专业的运输工具，已投入使用的火星车主要用于探测，其运输能力弱、速度慢、越障能力有限，以“好奇”号火星车为例，有效载荷为75Kg，平地最大速度4cm/s(侯建文，阳光等，深空探测：火星探测[M]，国防工业出版社，2016)；NASA近期设计了用于火星勘探的“火星侦察兵”飞行器方案，使用旋翼产生升力，由于火星表面大气稀薄，密度仅为地球的1％，其在火星表面飞行时的空气动力学环境相当于在地球30,000m高空环境，需通过提高旋翼转速和减小质量来实现火星飞行，机身总质量仅1.8kg，不适用于运输(邢强.火星侦察兵：美国宇航局疯狂的火星直升机计划.2018)。

当前研究结果表明，可重复使用运载火箭具备相似的功能，并且技术成熟。文章“崔乃刚,吴荣,韦常柱,徐大富,张亮.垂直起降可重复使用运载器发展现状与关键技术分析[J].宇航总体技术,2018,(02):27-42.”指出，New Shepard垂直起降火箭能够飞行到100km高度，并实现垂直软着陆回收，Space-X公司的Falcon9火箭也实现了近地轨道的回收。但该类火箭任务目标和火星短距离运输不同，而且其结构为细长体，实现横移和下降都需要姿态大幅调整，此外其结构复杂、体积大、造价高、发射准备时间长。

在其他垂直起降飞行器研究中，用于行星着陆的试验机较多。包括犰狳航天研制的试验机Pixel，Mod；Masten space system(MSS)公司研制的一系列试验机，代表是垂直起降火箭Xodiac和用于月球着陆的样机XL-1T；与本文发明最为相似的是美国NASA研制的梦神号(Morpheus)。文章“田林,安金坤等.美国梦神号行星着陆器原型系统发展及启示[J].航天器工程,2015,(05):105-112.”和文章“P.McManamen John,A.Hurlbert Eric,KroegerDennis.Development and Flight Operation of a 5lbf to 20lbf O2/CH4Roll ControlEngine for Project Morpheus[M].50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint PropulsionConference；American Institute of Aeronautics and Astronautics.2014.”指出梦神号平台质量约为900kg，最多可以携带2900kg推进剂及180kg有效载荷。主结构采用十字隔板形式。制导、导航与控制分系统及其它电子设备布置在主结构上方的壁板上，下方安装1台主发动机和4个推进剂贮箱。4条着陆腿末端配有蜂窝结构以缓冲过载。梦神号采用落压式供应系统，且所有发动机共用一套供应系统，减轻了质量。

上述梦神号研究结果表明，梦神号采用蜂窝缓冲结构，每次任务后需要更换，不便于重复使用；其推力室室压低，推进剂比冲小，发动机效率不高，且梦神号运用于地面试验验证；此外，梦神号有效载荷小。

发明内容