一种船箭一体化的天地往返货运飞行器及飞行控制方法与流程

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。

技术实现要素：

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；

步骤六、当上面级与目标飞行器完成锁紧停泊时，在此期间实现人员、物资或其它设备的交换；完成任务后，上面级与目标飞行器分离；

步骤七、控制头锥合拢，重新形成气动壳体；

步骤八、控制上面级再入大气层，上面级尾翼配合上面级的发动机，调整控制上面级的姿态，控制上面级气动力大小和方向；

步骤九、控制上面级尾翼内部的着陆支架展开，上面级通过水平或垂直的方式实现软着陆；地面回收着陆后的上面级，进行检修；

步骤十、地面重新将上面级与推进级组合，形成新的运输飞行器，准备下一次任务。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明的飞行器通过箭船一体化设计，实现了整个飞行器的可重复使用，满足了空间站高频次物资及人员补给轮换的需求，大大降低了天地往返人员及物资运输的成本。

附图说明

图1为整个飞行器的总体构型示意图；

图2为整个飞行器的任务流程；

图3为上面级前端壳体打开后的状态示意图；

图4为飞行器推进剂总体构型示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1

如图1～4所示，一种船箭一体化的天地往返货运飞行器，包括上面级2与推进级1。上面级2与推进级1通过运载火箭的包带连接。

上面级2的外部壳体至少包括可展开的头锥21、身部、上面级尾翼22、对接机构23。

上面级2的壳体为可展开壳体，如图3所示，由可展开部分和主壳体两部分组成。可展开部分位于整个上面级的前部，可展开壳体底部通过铰链与上面级2的主壳体连接，并可在铰链带动下运动。头锥21展开后，内部布置有对接机构23，对接机构接口满足空间站等目标飞行器对接要求。上面级2尾部布置有上面级尾翼22，上面级尾翼22内部有着陆支架，能够支撑整个上面级的重量。

推进级1由外部壳体11、推进级尾翼12及内部设备组成。壳体11为推进级主要结构，位于推进级外部，呈圆柱形，内部布置贮箱、推进发动机及控制设备等。壳体11采用高性能防热材料建造，满足飞行器上升及下降端的防热需求。壳体11尾部布置推进级尾翼12，推进级尾翼12呈对称布局，内部有着陆支架，能够支撑整个推进级1的重量，在推进级1着陆时，着陆支架支撑整个飞行器的质量。

飞行器的任务过程如图2所示，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：

a.初始状态下，推进级1与上面级2组合，处于发射状态；上面级2内部携带有有效载荷，包括各类空间站所需货物。可选地，上面级2内部还可携带乘员等物资，以满足天地人员物资的往返运输需求；

b.在准备完毕后，推进级1点火，携带上面级2上升至30km高度左右，速度达到4km/s以上后，推进级1与上面级2分离；

c.推进级1通过推进减速着陆地面，利用推进级尾翼12控制着陆时的速度和姿态，实现软着陆。着陆时，推进级尾翼12内部的着陆支架撑起，支撑整个推进级1。地面对推进级1检修后准备再次使用；

d.上面级2携带有效载荷继续加速上升，直至到达400km的近地轨道上，速度达到7.8km/s以上；

e.上面级2的头锥21打开，如图3所示，并露出对接机构23。上面级2控制飞行器运动，通过对接机构23与目标飞行器完成对接；

f.上面级2与目标飞行器完成锁紧停泊，在此期间实现人员、物资或其它设备的交换。完成任务后，上面级2与目标飞行器分离；

g.头锥21合拢，重新形成气动壳体；

h.上面级2再入大气层，上面级尾翼22配合飞行器的发动机，调整控制飞行器的姿态，控制飞行器气动力大小和方向；

i.上面级尾翼22支撑开，上面级2通过水平或垂直的方式实现软着陆；

j.地面回收着陆后的上面级2，进行检修；

k.地面重新将上面级2与推进级1组合，形成新的运输飞行器，准备新的装载人员及物资，准备下一次任务。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

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