CN102730200A - 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探测方法 - Google Patents

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探测方法 Download PDF

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闵学龙
童科伟
向开恒
果琳丽
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Abstract

本发明公开了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方案和探测方法，飞行器系统由地月空间站(ELS)、月球探测飞行器(LEM)、载人飞船(CTV)、货运飞船(CaTV)4个空间飞行器组成，在航天员系统、运载火箭系统、测控系统的配合下，实现对地月空间和月球的载人探测。一个相对完整的载人空间及月球探测任务周期的探测过程为：首先由运载火箭将ELS射入地月间周期重访轨道，成为围绕地球的、可对月球周期重访的、长期稳定运行在周期为半个月球轨道周期的大椭圆轨道上的地月空间站；接着依次由运载火箭将LEM、CTV和CaTV射入周期重访轨道，并和ELS交会对接；此后LEM与ELS分离，执行对月球的载人实地探测，月面任务完成后从月面起飞返回ELS，CTV与ELS分离，返回地球。

Description

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探测方法
技术领域
本发明属于载人航天器系统设计领域，尤其属于载人空间及月球探测领域，具体涉及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探测方法。 
背景技术
目前国际载人航天事业正处于新的发展时期，各航天大国纷纷将目标瞄向载人月球、小行星及行星际探索。 
国外围绕载人登月的任务目标进行了一系列的规划设计，但成功实施的只有美国的APOLLO载人登月工程。APOLLO载人登月工程探测方法是：采用月球轨道上交会对接的飞行方案，其飞行过程为： 
(1)土星5号火箭第一次点火将“阿波罗”飞船送入地球停泊轨道； 
(2)土星5号火箭第二次点火加速将“阿波罗”飞船送入地-月转移轨道； 
(3)“阿波罗”飞船与第三级火箭分离，其指令-服务舱掉头并与登月舱对接，再从第三级火箭中拖出登月舱，重新转变方向，把登月舱顶在指令舱头上直奔月球； 
(4)飞船沿过渡轨道飞行，经中途校正轨道后接近月球； 
(5)飞船服务舱主发动机减速，使飞船进入环月轨道； 
(6)飞船的初始轨道为94.4km×316.6km，调整到109.2km×27.7km； 
(7)飞船进入圆轨道，登月舱和母船(指令舱-服务舱)分离； 
(8)指令舱-服务舱在100.5km×130.2km轨道上运行； 
(9)登月舱制动火箭点火并降落在月面； 
(10)登月舱在月球着陆并完成任务后，登月舱上升舱起飞，其下降舱留在月面； 
(11)登月舱上升舱与母船(指令舱-服务舱)对接，登月航天员回到指令舱； 
(12)登月舱上升舱与母船再次分离，登月舱在绕月轨道上继续飞行； 
(13)母船进入绕地球轨道； 
(14)指令舱与服务舱分离； 
(15)指令舱溅落在地球(海上)。 
该方案任务目标较单一、只能对月面的极小区域进行实地探测，单次任务持续周期相对较短且不易调整。 
1987年，作为对空间站的一项应用，美国提出了基于近地轨道(LEO)“自由”号空间站组装的载人月球探测方案，但是这种方案技术复杂、运行成本巨大，最终没有实施。其任务执行过程为： 
(1)将载荷运送到空间站； 
(2)在空间站上完成装配； 
(3)登月飞行器进入地月转移轨道； 
(4)LTV(Lunar Transfer Vehicle)与LEV(Lunar Excursion Vehicle)在环月轨道上分离； 
(5)LEV下降到月面，任务完成后返回环月轨道并与LTV对接； 
(6)LTV返回地球轨道； 
(7)Aerobrake制动，并进行轨道机动，使LTV与空间站对接。 
本发明提出的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探测方法，与基于“自由”号空间站的载人登月飞行方案有显著的不同点，不仅能够同时实现对载人地月空间及月球探测，也能够为未来载人小行星及火星探测提供技术支持。 
发明内容
本发明公开了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，可以在航天员系统、运载火箭系统、测控系统的配合下，实现对地月空间和月球的载人探测。 
载人空间与月球探测飞行器系统由地月空间站(Earth-Lunar Station，ELS)、 月球探测飞行器(Lunar Exploration Module，LEM)、载人飞船(Crew Transfer Vehicle，CTV)、货运飞船(Cargo Transfer Vehicle，CaTV)4个空间飞行器组成。 
月球周期重访轨道指地月空间内可长期稳定围绕地球运行、可对月球周期重访、轨道周期为半个月球轨道周期的一类大椭圆轨道。 
地月空间站(ELS)配备机械臂及1-2个对接舱段，具备近地载人空间站常规功能、主被动交会对接功能、高能粒子防护功能和持续热控功能等功能，可对地月空间进行载人探测。地月空间站由运载火箭发射进入LTO轨道，自主变轨进入月球周期重访轨道。 
月球探测飞行器(LEM)由运载火箭发射进入轨道，自主机动，完成与月球周期重访轨道上地月空间站的交会对接，共同构成地月空间站组合体；月球探测飞行器(LEM)可从地月空间站组合体分离，执行月面软着陆任务；月球探测飞行器(LEM)可由月面起飞，与月球周期重访轨道上地月空间站对接；月球探测飞行器(LEM)系统由上下两级组成；具备常规飞行器平台功能、载人生保功能、主被动交会对接功能、月面任务支持功能。 
载人飞船(CTV)由载人火箭发射进入轨道，自主机动，完成与月球周期重访轨道上地月空间站(ELS)的交会对接，共同构成地月空间站组合体；载人飞船(CTV)可从地月空间站组合体分离，执行返回再入地球大气着陆回收任务；载人飞船(CTV)具备常规载人飞船平台功能、主被动交会对接功能、近第二宇宙速度再入功能。 
货运飞船(CaTV)由运载火箭发射进入轨道，自主机动，完成与月球周期重访轨道上地月空间站(ELS)的交会对接，共同构成地月空间站组合体；货运飞船(CaTV)完成对地月空间站的补给与推进剂补加；货运飞船(CaTV)具备常规货运飞船平台功能、主动交会对接功能。 
本发明公开了一种基于月球周期重访轨道的载人空间与月球探测方法，首先由运载火箭将地月空间站(ELS)射入地月间周期重访轨道，成为围绕地球的、可对月球周期重访的、长期稳定运行在周期为半个月球轨道周期的大椭圆轨道上的地月间载人空间站，可实现对地月空间的探测；接着在工程设定的时间窗口内依次(先后次序可变)由运载火箭将LEM、CTV和CaTV射入周期重访轨道，并和 在轨运行的ELS交会对接，形成组合体在地月间周期重访轨道运行；此后在工程设定的时间窗口LEM与ELS分离，执行对月球的载人实地探测，并可在月面任务完成后在工程设定的时间窗口从月面起飞返回ELS；根据需要，在工程设定的时间窗口，CTV与ELS分离，返回地球。 
本发明所述基于月球周期重访轨道的载人空间与月球探测方法不限于以上具体实施方法，还应包括基于单节点任务顺序变换而产生的新方法。 
本发明克服了现有登月模式在时间灵活性和可持续性差、任务目标相对单一，只能对月面的极小区域进行实地探测，单次任务持续周期相对较短且不易调整的不足，有益效果是：提供了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探测方法，可同时实现对地月空间和月球的载人探测，系统探索能力强，任务目标饱满，同时为地月空间科学研究提供了技术平台。 
附图说明
图1是阿波罗飞船飞行轨道 
图2是基于“自由”号空间站的载人登月飞行方案 
图3是载人空间与月球探测飞行器系统组成图 
图4是ELS进入月球周期重访轨道示意图 
图5是LEM和ELS交会对接示意图 
图6是CTV、LEM和ELS交会对接示意图 
图7是CTV、LEM、CaTV和ELS交会对接示意图 
图8是LEM与ELS分离，实现月面软着陆示意图 
图9是LEM月面起飞，和ELS交会对接示意图 
图10是CTV与ELS分离，返回再入地球大气示意图 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 
本发明公开了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，可以在航天员系统、运载火箭系统、测控系统的配合下，实现对地月空间和月球的载人探测。 
载人空间与月球探测飞行器系统由地月空间站(ELS)、月球探测飞行器(LEM)、 载人飞船(CTV)、货运飞船(CaTV)4个空间飞行器组成。 
以下为一次相对完整的对地月空间和月球的载人探测任务实施例： 
(1)运载火箭将ELS射入地月间周期重访轨道，成为围绕地球长期稳定运行的、可对月球周期重访的周期为半个月球轨道周期的大椭圆轨道上的地月间载人空间站，可实现对地月空间的载人探测。 
(2)运载火箭将LEM射入周期重访轨道，并和在轨运行的ELS交会对接，形成组合体在地月间周期重访轨道运行。 
(3)视需求，运载火箭再次将另一LEM射入周期重访轨道，并和在轨运行的ELS交会对接，形成组合体在地月间周期重访轨道运行。 
(4)载人火箭将CTV射入周期重访轨道，并和在轨运行的ELS交会对接，形成组合体在地月间周期重访轨道运行。 
(5)视需求，载人火箭再次将另一CTV射入周期重访轨道，并和在轨运行的ELS交会对接，形成组合体在地月间周期重访轨道运行。 
(6)视需求，运载火箭将CaTV射入周期重访轨道，并和在轨运行的ELS交会对接，形成组合体在地月间周期重访轨道运行。 
(7)在工程设定的时间窗口，LEM与ELS分离，执行对月球的载人实地探测。 
(8)在工程设定的时间窗口，LEM月面起飞，和在轨运行的ELS交会对接，形成组合体在地月间周期重访轨道运行。 
(9)在工程设定的时间窗口，CTV与ELS分离，返回再入地球大气着陆回收。 
本发明所述基于月球周期重访轨道的载人空间与月球探测方法不限于以上具体方法，还应包括基于单节点任务顺序变换而产生的新方法。 
本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。 

Claims (6)

1.一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，可以在航天员系统、运载火箭系统、测控系统的配合下，实现对地月空间和月球的载人探测，其特征是：
所述的载人空间与月球探测飞行器系统由地月空间站(Earth-LunarStation，ELS)、月球探测飞行器(Lunar Exploration Module，LEM)、载人飞船(Crew Transfer Vehicle，CTV)、货运飞船(Cargo Transfer Vehicle，CaTV)4个空间飞行器组成；
月球周期重访轨道指地月空间内可长期稳定围绕地球运行、可对月球周期重访、轨道周期为半个月球轨道周期的一类大椭圆轨道。
2.如权利要求1所述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，其特征是：
所述的地月空间站(ELS)配备有机械臂、1-2个对接舱段，具备近地载人空间站常规功能、主被动交会对接功能、空间环境防护功能，可在地月空间进行载人空间科学探索与应用研究；
所述的地月空间站(ELS)由运载火箭发射进入轨道，自主变轨进入月球周期重访轨道。
3.如权利要求1所述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，其特征是：
所述的月球探测飞行器(LEM)由运载火箭发射进入轨道，自主机动，完成与月球周期重访轨道上所述的地月空间站(ELS)交会对接，共同构成地月空间站组合体；
所述的月球探测飞行器(LEM)可从地月空间站组合体分离，执行月面软着陆任务；
所述的月球探测飞行器(LEM)可由月面起飞，与月球周期重访轨道上所述的地月空间站(ELS)对接；
所述的月球探测飞行器(LEM)系统具备常规飞行器平台功能、环境控制与生命保证功能、主被动交会对接功能、月面任务支持功能。
4.如权利要求1所述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，其特征是：
所述的载人飞船(CTV)由运载火箭发射进入轨道，自主机动，完成与月球周期重访轨道上所述的地月空间站(ELS)的交会对接，共同构成地月空间站组合体；
所述的载人飞船(CTV)可从地月空间站组合体分离，执行返回再入地球大气着陆回收任务；
所述的载人飞船(CTV)具备常规载人飞船平台功能、主被动交会对接功能、近第二宇宙速度再入功能。
5.如权利要求1所述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，其特征是：
所述的货运飞船(CaTV)由运载火箭发射进入轨道，自主机动，完成与月球周期重访轨道上所述的地月空间站(ELS)的交会对接，共同构成地月空间站组合体；
所述的货运飞船(CaTV)完成对所述的地月空间站(ELS)的补给与推进剂补加；
所述的货运飞船(CaTV)具备常规货运飞船平台功能、主动交会对接功能。
6.一种基于月球周期重访轨道的载人空间与月球探测方法，其特征是：
首先由运载火箭将地月空间站(ELS)射入地月间周期重访轨道，成为围绕地球的、可对月球周期重访的、长期稳定运行在周期为半个月球轨道周期的大椭圆轨道上的地月间载人空间站，可实现对地月空间的探测；接着在工程设定的时间窗口内依次(先后次序可变)由运载火箭将LEM、CTV和CaTV射入周期重访轨道，并和在轨运行的ELS交会对接，形成组合体在地月间周期重访轨道运行；此后在工程设定的时间窗口LEM与ELS分离，执行对月球的载人实地探测，并可在月面任务完成后在工程设定的时间窗口从月面起飞返回ELS；根据需要，在工程设定的时间窗口，CTV与ELS分离，返回地球。
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