一种基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统及方法，载人火星探测飞行器大系统由地球-火星循环轨道空间站、载人飞行器、货运飞行器等空间飞行器组成，在航天员系统、运载火箭系统、测控系统等相关系统的配合下，实现对火星以及地球-火星空间的载人探测。本发明专利技术可以适用于长期、持续、多批次的载人火星探测任务，可以实现对地球、火星空间以及对火星的载人探测任务，同时为地球、火星空间的科学研究提供了一个理想的研究平台。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于航天器系统设计领域，尤其属于载人航天系统领域内关于载人空间及载人火星探测领域，具体涉及，可以应用于载人火星以及地球-火星空间的探测任务。
技术介绍
国际载人航天事业经历了 “阿波罗”探测任务之后转入低潮，直到新世纪美国的“重返月球”计划，重新燃起了各航天大国进行载人星际探测的梦想。 目前人类科技能够达到或者具备可能性到达的外太空星球主要是月球和火星。研究最深入的是美国DRA5.0 (Design Reference Architecture 5.0)载人火星探测方案。 传统的载人火星探测基本方法可以参考美国DRA5.0 (Design ReferenceArchitecture 5.0)方案,具体过程为: 由多枚Ares-V货运火箭把两艘货运飞行器送入近地轨道，两艘货运飞行器分别通过在轨组装技术组成一个完成的飞行器组合体。在近地轨道停泊的两艘货运飞行器分别在适当时机由各自的推进级加速送入地球-火星直接转移轨道。货运飞行器不载人，一般沿着近似霍曼转移轨道运行，以节省推进剂。在飞行约350天后到达火星附近，推进级施加减速脉冲，并利用货运飞行器自身的气动减速外形被火星捕获。此后，货运飞行器降落到火星表面，开展火星原位资源利用，为下一个周期的载人任务做准备。 在下一个发射窗口(约26个月之后)，由多枚货运火箭把载人火星探测飞行器的各无人舱段发射送入近地轨道，完成在轨组装。由一枚载人火箭把运送航天员的载人飞船送入近地轨道，与在近地轨道停泊的载人火星探测飞行器完成交会对接。对接完成，建立组合体后，在适当时机，载人火星探测飞行器加速驶入地球-火星转移轨道。通常为了适当缩短飞行时间，一般不采用霍曼转移轨道，而采用飞行时间短一些的快速转移轨道。 载人火星探测飞行器经过长时间飞行到达火星附近以后，施加减速脉冲，被火星捕获，航天员乘坐火星下降级降落到预定探测地点。航天员开展在火星表面的预定工作。 几百天以后，待返回窗口开启时，航天员进入火星上升级，与在环火轨道停泊的载人探测飞行器交会对接。航天员进入探测器，此后，在适当时机，载人探测飞行器施加加速脉冲进入火星-地球转移轨道。经过长时间飞行到达地球附近后，航天员进入载人飞船，载人飞船与载人探测飞行器分离，通过轨道机动瞄准再入点，此后通过地球大气减速降落到地球表面。航天员安全返回地球，完成整个探测任务。 本专利技术提出的基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统方法，与DRA5.0采用的载人火星探测明显不同。 此外，专利申请号为CN102730200A的《一种基于月球周期重访轨道的载人空间与月球探测飞行器系统与从探测方法》提出了基于地月循环轨道完成载人月球探测的方法。与之相似，基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统方法同样基于循环轨道周期往返于地球与目标星之间的特点来完成目标星的探测任务。但由于地月循环轨道是一种绕地球中心的大椭圆轨道，只能完成月球的探测，无法直接应用于其它星球的探测任务。而地球-火星循环轨道是一种以太阳为中心的椭圆轨道，往返于地球和火星之间，只能用于火星探测任务。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题为:克服传统的火星探测方案一次任务类似美国DRA5.0任务，一次任务单独发射载人飞行器、货运飞行器，探测目标单一，可持续性差这些不足，提出，能够通过地球-火星循环轨道空间站定期重访地球、火星。本专利技术可以适用于长期、持续、多批次的载人火星探测任务，可以实现对地球、火星空间以及对火星的载人探测任务，同时为地球、火星空间的科学研究提供了一个理想的研究平台。 本专利技术解决的技术方案为:一种基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统，其特征在于:包括地球-火星循环轨道空间站(Earth-Mars Cycler Orbit SpaceStat1n)、载人飞行器(Earth-Mars Manned Space Vehicle)、货运飞行器(Earth-MarsCargo Space Vehicle)这些空间飞行器； 地球-火星循环轨道空间站，包括交会对接端口和机械臂，地球-火星循环轨道空间站通过该交会对接端口与载人飞行器和货运飞行器对接形成地球-火星循环轨道空间站组合体；当载人飞行器和货运飞行器不具备主动对接功能时，地球-火星循环轨道空间站通过机械臂捕获具备交会能力但不具备自主对接能力的载人飞行器和货运飞行器，形成地球-火星循环轨道空间站组合体；地球-火星循环轨道空间站能够提供必要的空间环境防护功能、载人生活环境、热控这些近地轨道空间站具备的常规功能； 载人飞行器包括载人火星转移生活舱、单个或多个推进级、载人飞船(Earth-MarsCrew Transfer Vehicle),载人飞行器由多枚运载火箭分批送入近地轨道,通过在轨组装形成一个完整的载人飞行器组合体；载人火星转移生活舱具备载人生命保障能力，能够保证航天员长期在轨生存所需的各项条件； 货运飞行器包括密封和/或非密封货运舱、单个或多个推进级，货运飞行器由多枚运载火箭分批送入近地轨道，通过在轨组装形成一个完整的货运飞行器组合体； 所述载人飞船由载人运载火箭发射送入近地轨道，自主机动与载人飞行器的火星转移生活舱、单个或多个推进级完成交会对接形成组合体；载人飞船能够从地球-火星循环轨道空间站组合体分离，执行返回再入地球大气层着陆回收任务；载人飞船具备常规载人飞船平台功能、主动交会对接能力，此外不同于载人登月任务载人飞船以及近地轨道返回的载人飞船，本任务中的载人飞船需具备从火星返回以第二宇宙速度再入返回地球的功能，此外载人飞船还需要适应火星任务周期较长的特点。 所述地球-火星循环轨道以太阳为中心，轨道周期匹配地球和火星轨道绕太阳公转的周期，能够保证在一定时期内重复访问地球和火星，地球-火星循环轨道的偏心率通常小于0.5 (相比地球-月球循环轨道，轨道绕地球为中心，且轨道偏心率一般大于0.5)，地球-火星循环轨道的偏心率通常小于0.5是通过反复的迭代数学计算及大量的仿真实验得到的。 一种基于地球-火星循环轨道的载人火星探测方法，步骤如下: (I)首先由运载火箭把地球-火星循环轨道空间站送入近地轨道，根据地球-火星循环轨道空间站的轨道机动能力需求，由推进飞行器或者地球-火星空间站自身加速进入地球-火星循环轨道，成为围绕地球、火星，能够定期周期重访的、长期稳定运行于地球、火星空间之间的载人空间站，实现对地球、火星空间的持续探测。地球-火星循环轨道空间站将长期沿地球一火星循环轨道运行，定期重访地球、火星。须通过定期轨道维持来保证空间站运行于特定的循环轨道上。不同于地-月循环轨道，地球-火星循环轨道是一种特殊的以太阳为中心的绕日椭圆轨道，而地月循环轨道是以地球为中心的一类大椭圆轨道。两类轨道适用于不同的探测任务。执行步骤(2); (2)载人飞行器和货运飞行器选择适当的发射窗口，由多枚运载火箭将货运飞行器和载人飞行器送入近地空间，载人火箭把载人飞船送入近地空间，载人飞船与载人飞行器交会对接；在近地空间，货运飞行器和载人飞行器能够形成货运飞行器和载人飞行器组合体；货运飞行器和载人飞行器组合体能够加速与在轨运行的地球-火星空间站交会对接；货运飞行器和载人飞行器也本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于地球‑火星循环轨道的载人火星探测系统，其特征在于：包括地球‑火星循环轨道空间站、载人飞行器、货运飞行器这些空间飞行器、地球‑火星循环轨道；地球‑火星循环轨道是一种以太阳为中心的椭圆轨道，周期往返于地球和火星之间，只能用于火星探测任务；地球‑火星循环轨道空间站，包括交会对接端口和机械臂，地球‑火星循环轨道空间站通过该交会对接端口与载人飞行器和货运飞行器对接形成地球‑火星循环轨道空间站组合体；当载人飞行器和货运飞行器不具备主动对接功能时，地球‑火星循环轨道空间站通过机械臂捕获具备交会能力但不具备自主对接能力的载人飞行器和货运飞行器，形成地球‑火星循环轨道空间站组合体；地球‑火星循环轨道空间站能够提供必要的空间环境防护功能、载人生活环境、热控这些近地轨道空间站具备的常规功能；载人飞行器包括载人火星转移生活舱、单个或多个推进级、载人飞船，载人飞行器由多枚运载火箭分批送入近地轨道，通过在轨组装形成一个完整的载人飞行器组合体；载人火星转移生活舱具备载人生命保障能力，能够保证航天员长期在轨生存所需的各项条件；货运飞行器包括密封和/或非密封货运舱、单个或多个推进级，货运飞行器由多枚运载火箭分批送入近地轨道，通过在轨组装形成一个完整的货运飞行器组合体；所述载人飞船由载人运载火箭发射送入近地轨道，自主机动与载人飞行器的火星转移生活舱、单个或多个推进级完成交会对接形成组合体；载人飞船能够从地球‑火星循环轨道空间站组合体分离，执行返回再入地球大气层着陆回收任务；载人飞船具备常规载人飞船平台功能、主动交会对接能力，载人飞船需具备从火星返回以第二宇宙速度再入返回地球的功能，此外载人飞船还需要适应火星任务周期较长的特点。...

【技术特征摘要】
1.一种基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统，其特征在于:包括地球-火星循环轨道空间站、载人飞行器、货运飞行器这些空间飞行器、地球-火星循环轨道；地球-火星循环轨道是一种以太阳为中心的椭圆轨道，周期往返于地球和火星之间，只能用于火星探测任务； 地球-火星循环轨道空间站，包括交会对接端口和机械臂，地球-火星循环轨道空间站通过该交会对接端口与载人飞行器和货运飞行器对接形成地球-火星循环轨道空间站组合体；当载人飞行器和货运飞行器不具备主动对接功能时，地球-火星循环轨道空间站通过机械臂捕获具备交会能力但不具备自主对接能力的载人飞行器和货运飞行器，形成地球-火星循环轨道空间站组合体；地球-火星循环轨道空间站能够提供必要的空间环境防护功能、载人生活环境、热控这些近地轨道空间站具备的常规功能； 载人飞行器包括载人火星转移生活舱、单个或多个推进级、载人飞船，载人飞行器由多枚运载火箭分批送入近地轨道，通过在轨组装形成一个完整的载人飞行器组合体；载人火星转移生活舱具备载人生命保障能力，能够保证航天员长期在轨生存所需的各项条件； 货运飞行器包括密封和/或非密封货运舱、单个或多个推进级，货运飞行器由多枚运载火箭分批送入近地轨道，通过在轨组装形成一个完整的货运飞行器组合体； 所述载人飞船由载人运载火箭发射送入近地轨道，自主机动与载人飞行器的火星转移生活舱、单个或多个推进级完成交会对接形成组合体；载人飞船能够从地球-火星循环轨道空间站组合体分离，执行返回再入地球大气层着陆回收任务；载人飞船具备常规载人飞船平台功能、主动交会对接能力，载人飞船需具备从火星返回以第二宇宙速度再入返回地球的功能，此外载人飞船还需要适应火星任务周期较长的特点。2.根据权利要求1所述的一种基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统，其特征在于:所述地球-火星循环轨道以太阳为中心，轨道周期匹配地球和火星轨道绕太阳公转的周期，能够保证在一定时期内重复访问地球和火星，地球-火星循环轨道的偏心率通常小于0.5。3.一种基于地球-火星循环轨道的载人火星探测方法，其特征在于步骤如下: (1)首先由运载火箭把地球-火星循环轨道空间站送入近地轨道，根据地球-火星循环轨道空间站的轨道机动能力需求，由推进飞行器或者地球-火星空间站自身加速进入地球-火星循环轨道，成为围绕地球、火星，能够定期周期重访的、长期稳定运行于地球、火星空间之间的载人空间站，实现对地球、火星空间的持续探测，执行步骤(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：童科伟，高朝辉，唐庆博，吴胜宝，申麟，彭小波，王俊峰，时剑波，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11