[发明专利]一种船箭一体化的天地往返货运飞行器及飞行控制方法

说明书

本发明提出一种船箭一体化的天地往返货运飞行器，包括上面级和推进级，上面级由推进级携带加速至指定速度后，上面级与推进级分离。推进级返回地球坠毁或着陆准备重复使用。上面级外壳采用高防热性能的材料，并具有良好气动外形，减轻上面级的入轨气动热。上面级壳体前部可展开，便于上面级与空间站对接。任务完成后，上面级返回地球。本发明采用箭船一体化设计的飞行器设计方案，实现载人及载货的可重复天地往返运输，降低天地往返运输成本。

技术领域

本发明属于飞行器设计领域，涉及一种天地往返货运飞行器。

背景技术

空间站是人类长期驻留空间的重要研究平台，在轨运营期间需要地面定期对其进行货运及物资的补给。在此情况下，实现天地往返的货运飞船成本控制愈发重要。

目前的天地往返运输方案是，货运飞船通过运载火箭从地面发射。发射时，货运飞船位于运载火箭的整流罩内，在运载火箭将货运飞船送到一定高度后，抛弃整流罩，随后运载火箭级间分离，直至最后将货运飞船送到目标轨道。此后，货运飞船与空间站对接，完成物资补给。物资补给完成后，货运飞船再入大气层烧毁。整个过程中，除少部分物资需要返回地面外，所有飞行器都是一次性使用飞行器，成本较高。

目前，也有可重复使用运载火箭的概念，如SpaceX公司的可重复使用运载火箭。该方案中，将货运飞船送入一定高度后，运载火箭返回，实现可重复使用。但这类方案中，货运飞船并不能够重复使用，整体成本仍然难以有效降低。

由于空间站长期飞行，货运飞船系统具有发射频次高、货运系统具有发射频次高，飞行器任务及构型较为稳定等特点。在此情况下，为整个飞行器实现箭船一体化设计，保持稳定构型提供可能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提出一种船箭一体化的天地往返货运飞行器及飞行控制方法，采用箭船一体化设计的飞行器设计方案，实现载人及载货的可重复天地往返运输，降低天地往返运输成本。

本发明所采用的技术方案是：一种船箭一体化的天地往返货运飞行器，至少包括上面级及推进级；入轨部分为上面级，上面级与推进级通过运载火箭的包带连接；上面级包括可展开的头锥、身部、上面级尾翼、对接机构；头锥通过铰链与身部连接并在铰链带动下展开和关闭；对接机构安装在头锥内，对接机构的接口满足目标飞行器对接要求；上面级尾部布置有上面级尾翼，上面级尾翼内部有着陆支架，支撑上面级的重量；

推进级包括壳体、推进级尾翼及内部设备；壳体内部布置贮箱、推进发动机及控制设备；壳体尾部布置推进级尾翼，推进级尾翼呈对称布局，推进级尾翼内部设置着陆支架，支撑推进级的重量；在推进级着陆时，推进级尾翼内部的着陆支架支撑整个飞行器的质量。

壳体采用防热材料建造。

上面级内部携带有有效载荷，包括各类空间站所需货物。

头锥、身部采用防热材料。

所述的船箭一体化的天地往返货运飞行器的飞行控制方法，包括步骤如下：

步骤一、在初始状态下，推进级与上面级组合处于发射状态；

步骤二、控制推进级点火，携带上面级上升至30km且速度达到4km/s以上后，控制推进级与上面级分离；

步骤三、控制推进级通过推进减速着陆地面，利用推进级尾翼控制着陆时的速度和姿态，实现软着陆；着陆时，推进级尾翼内部的着陆支架撑起；在地面对推进级检修后准备再次使用；

步骤四、上面级携带有效载荷继续加速上升，直至到达400km的近地轨道上且速度达到7.8km/s以上；

步骤五、控制上面级的头锥打开，并露出对接机构；上面级控制自身姿态，通过对接机构与目标飞行器完成对接；