CN212220603U - 一种空中吊车式载人登月飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种空中吊车式载人登月飞行器，该载人登月飞行器包括载人飞船及采用空中吊车方式进行月球着陆的登月飞船。其中登月飞船又包括下降级、上升级、制动级和着陆支撑机构四部分。载人飞船又包括服务舱与返回舱两部分。其中，登月飞船下降级采用空中吊车进行动力下降，在动力下降到达月面悬停高度后，空中吊车系统与登月舱其他部分断开刚性连接，通过绳索吊挂系统将登月舱放置到月面上，然后空中吊车系统绳索与登月舱断开，并水平方向飞行至着陆点附近位置进行软着陆。相比于传统常规登月着陆方案，本实用新型能够减小登月舱着陆时的过载，降低其结构重量并提高月面着陆过程中航天员的安全性。

Description

一种空中吊车式载人登月飞行器

技术领域

本实用新型为一种载人登月飞行器，涉及载人航天器领域，具体是一种空中吊车式载人登月飞行器。

背景技术

载人登月飞船是一种将航天员从地球运往月球，并进行月面软着陆，然后将航天员送回地球的载人航天器。其中的载人飞船用于地月间的航天员运输，其飞行轨道为地-月转移轨道、环月轨道、月-地转移轨道、返回进入大气层。登月飞船是用来将航天员从环月轨道运送到月球表面，然后从月面起飞将航天员运回环月轨道，并与载人飞船进行交会对接从而完成航天员从登月舱到载人飞船的转移过程。

登月飞船除了可运送航天员外，还可搭载一些其他载荷如：科学实验设备、载人月球车、无人月球车、月球无人探测器等。

月球表面为真空环境，没有大气层，登月飞船不能使用降落伞进行减速和着陆，着陆过程中需要通过变推力火箭发动机持续工作来进行减速和着陆。

目前，只有20世纪60-70年代的“阿波罗”登月飞船成功完成了载人登月飞行任务。“阿波罗”飞船包括服务舱、指令舱（载人飞船返回舱）和登月舱，其所有舱段和宇航员（共45吨左右）都由“土星”五号火箭一次发射，并送入地月转移轨道。该方案由于一次发射，对火箭的地月运载能力要求极高，风险很大。

“阿波罗”飞船的登月舱又包括上升级与下降级。下降级位于上升级下方，用于动力下降，下降级安装有着陆腿，用于着陆时的缓冲及支撑作用。着陆时的过载较大，对着陆腿的缓冲能力要求较高，造成其重量较大，航天员座舱位置较高，航天员需通过梯子才能到达月面，给航天员进出座舱带来不便。同时传统常规布局着陆时还会造成月面上月尘扰动，月尘飞溅对上升级及下降级敏感器的影响难以避免。

实用新型内容

针对以上问题，本实用新型提出了一种基于环月轨道交会对接奔月飞行模式的空中吊车式登月模式及载人登月飞行器，基于其特殊的结构改变了登月舱的着陆方式，降低了一次性发射时对火箭的运载能力要求，同时降低系统复杂性和风险，提高航天员的安全性。

该载人登月飞行器包括载人飞船及采用空中吊车方式进行月球着陆的登月飞船，登月飞船包括登月飞船下降级、上升级、制动级和着陆支撑机构四部分。

空中吊车式载人登月模式的登月过程如下：（1）由运载火箭发射登月飞船，将其送入地月转移轨道。（2）由运载火箭将载有航天员的载人飞船送入地月转移轨道。（3）登月飞船到达月球附近，由登月飞船制动级进行制动减速进入环月轨道，随后抛弃制动级。（4）载人飞船随后到达月球附近，由服务舱发动机进行制动减速进入环月轨道。（5）载人飞船与登月飞船在环月轨道进行首次交会并对接，航天员从载人飞船返回舱进入登月飞船的上升级登月舱中。（6）登月飞船与载人飞船分离。然后启动登月飞船下降级发动机进行动力下降。（7）登月飞船下降过程中对月面地形进行分析，自主寻找平坦区域并机动飞行至着陆点上方特定高度进行悬停。（8）登月飞船下降级与登月舱断开刚性连接，通过绳索吊挂系统将登月舱放置到月面上。（9）当登月舱四个着陆腿与月面都接触且承载时，绳索与登月舱断开，然后登月飞船下降级水平方向机动飞行至着陆点附近位置并进行软着陆。（10）月面着陆过程完成，航天员出舱进行月面活动。（11）航天员返回登月舱，上升级发动机点火，与着陆腿分离并离开月面。（12）上升级进入环月轨道并与载人飞船交会对接，航天员进入载人飞船返回舱。（13）载人飞船与上升级分离后，启动发动机进入月地转移轨道。（14）载人飞船制动减速，载人飞船返回舱与服务舱分离，载人飞船返回舱进入地球大气层并被回收，载人登月任务完成。

载人飞船为两级构型，包括服务舱和载人飞船返回舱，载人飞船返回舱大致为圆台体，上部为航天员进出舱的通道，安装有主动式对接机构，用于与登月舱进行对接。服务舱为圆柱形，尾部有发动机。

登月飞船采用三级方案，第一级为制动级，用于近月制动，第二级为上升级，用于月面上升，第三级为登月飞船下降级，用于动力下降。登月飞船下降级采用空中吊车模式，整体为圆柱体，圆周安装有4台发动机用于动力下降。底部安装有绞车，通过缆绳将登月舱放到月面上。同时登月飞船下降级底部可通过爆炸螺栓与登月舱连接。登月飞船下降级侧面安装有多个姿态控制发动机，用于轨道飞行时的姿态调整和动力下降过程中的机动飞行控制。

上升级密封舱主结构形式为卧式构型，其一端为航天员月面出舱的舱门，另一端为被动式对接机构，用于与载人飞船的对接。密封舱靠近出舱舱门一端为气闸舱。上升级底部安装有上升级发动机，用于月面起飞进入环月轨道。左右两侧安装有姿态控制发动机、燃料箱和发动机羽流防护机构。顶部安装通讯天线。

着陆缓冲结构用于保持登月舱的着陆稳定性，支撑着登月舱上升级，为上升级从月表起飞提供发射平台，具有调整水平姿态的能力，着陆腿在着陆缓冲过程中吸收全部或大部分能量，保证登月舱不受任何损坏。足垫在着陆缓冲过程中吸收部分能量，增大与月球表面的接触面积。

制动级为圆柱形，尾部为制动级主发动机，圆柱面一侧安装有太阳能电池板，为登月飞船提供电力，在太空飞行时，太阳能电池板一侧对着太阳，可避免可展开式太阳能电池板复杂的展开机构。

本实用新型的有益效果：

（1）本实用新型提出的一种基于环月轨道交会对接奔月模式的空中吊车式登月模式及载人登月飞行器，该的登月飞行器由两枚运载火箭单独发射入轨，在环月轨道进行对接，载人与运货分离，降低了一次性发射时对火箭的运载能力要求，同时降低系统复杂性和风险，提高航天员的安全性。

（2）在动力下降段，如遇到某些突发情况要终止下降放弃登月时，可抛弃着陆缓冲机构，减轻重量，空中吊车系统的制动发动机和登月舱上升级的返航发动机可以同时工作，使得登月舱能够返回环月轨道，从而保证登月舱足够的安全性。

（3）该飞行器采用空中吊车方式将登月舱放到月面上，能够有效降低着陆时的过载，提高航天员的舒适性，降低着陆缓冲机构的强度要求和结构重量。

（4）空中吊车式下降级还可携带摄像机或其他设备，也可用于向月面运送其他货物或月面设备的吊挂安放，添加燃料后还可重复使用，从而降低成本。

（5）采用空中吊车式下降级着陆时还可避免月面上月尘扰动，减小月尘飞溅对上升级及下降级敏感器的不利影响。

附图说明

图1为空中吊车式载人登月飞行器的载人飞船示意图。

图2为空中吊车式载人登月飞行器的登月飞船示意图。

图3为采用空中吊车系统的登月飞船下降级示意图。

图4为登月飞船上升级示意图。

图5为登月飞船着陆缓冲机构示意图。

图6为载人飞船与登月飞船在环月轨道对接示意图。

图7为登月飞船下降级通过绳索吊挂系统将登月舱放置到月面示意图。

图8为空中吊车式下降级将月面基地舱段或移动式月球舱放置在月面示意图。

图中，载人飞船返回舱1，载人飞船服务舱2，服务舱主发动机3，太阳能电池板4，姿态控制发动机5，主动式对接机构6，登月飞船下降级7，上升级8，着陆缓冲结构9，制动级10，有效载荷11，下降级姿态控制发动机12，下降级主发动机13，下降级与上升级连接杆14，缆绳15，上升级密封舱16，上升级燃料箱17，通讯天线18，出舱舱门19，上升级主发动机20，上升级姿态控制发动机21，发动机羽流防护机构22，交回对接传感器23，被动式对接机构24，舱门25，手动对接十字靶标26，着陆腿27，梯子28，着陆腿的足垫29。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

实施例1

本实用新型提供一种空中吊车式载人登月飞行器，所述登月飞行器包括载人飞船与登月飞船，二者分别发射，并在环月轨道上进行对接；

其中，所述登月飞船为三级结构，第一级为制动级，用于近月减速制动，位于登月飞船的最下部；第二级为上升级，用于月面上升，位于登月飞船中部；第三级为下降级，用于动力下降，位于登月飞船的最上部；其中上升级与制动级之间为登月舱的着陆缓冲机构；

下降级采用空中吊车模式，整体为圆柱体，圆周安装有若干台发动机用于动力下降，且底部设有缆绳，通过驱动缆绳伸缩将登月舱放到月面上。

所述载人飞船包括载人飞船服务舱与载人飞船返回舱，载人飞船返回舱顶部安装有主动式对接机构和交会对接雷达设备，载人飞船服务舱尾部安装有发动机，侧面有姿态控制发动机，两侧安装有可展开的太阳能电池板。

所述下降级外侧面圆周安装有4台或8台发动机用于动力下降，底部安装有绞车，通过4根缆绳将登月舱放到月面上；下降级底部通过爆炸螺栓与登月舱连接，侧面安装有多个姿态控制发动机，用于轨道飞行时的姿态调整和动力下降过程中的机动飞行控制。

所述上升级中包含一密封舱，所述密封舱为卧式构型，一端为航天员月面出舱的舱门，另一端为被动式对接机构，用于与载人飞船的对接；

所述密封舱靠近出舱舱门一端为气闸舱，上升级底部安装有上升级主发动机，用于月面起飞进入环月轨道，左右两侧安装有姿态控制发动机、燃料箱和发动机羽流防护机构，密封舱顶部安装有通讯天线。

所述登月舱着陆缓冲机构中设有若干条着陆腿，用于保持登月舱的着陆稳定性，支撑着登月舱上升级，同时为上升级从月表起飞提供发射平台，具有调整水平姿态的能力；

其中靠近出舱舱门的一条着陆腿上安装有梯子，用于航天员到达月面，着陆缓冲机构下部安装有无线电高度测量仪，用于测得的高度数据传输给下降级。

实施例2

基于上述登月飞行器，本实用新型还提供一种登月飞行器下降级的应用，采用空中吊车系统的下降级也可用于月球基地建设、向月面运送补给设备、月面居住舱段、非密封开放式载人着陆器等。通过补充燃料，下降级在完成月球着陆任务后仍可重复使用，用于月面货物的吊挂运输等。

实施例3

基于上述登月飞行器，本实用新型还提供基于环月轨道交会对接的空中吊车式登月方法，所述登月方法过程如下：

（1）登月飞船和载有航天员的载人飞船由运载火箭分别发射，送入地月转移轨道；

（2）登月飞船到达月球附近，由登月飞船制动级进行制动减速进入环月轨道，随后抛弃制动级；

（3）载人飞船随后到达月球附近，由服务舱发动机进行制动减速进入环月轨道；

（4）载人飞船与登月飞船在环月轨道进行首次交会并对接，航天员从载人飞船返回舱进入登月飞船的上升级登月舱中；

（5）登月飞船与载人飞船分离，然后启动登月飞船下降级发动机进行动力下降；

（6）登月飞船下降过程中对月面地形进行分析，自主寻找平坦区域并机动飞行至着陆点上方特定高度进行悬停；

（7）登月飞船的下降级与登月舱断开刚性连接，通过绳索吊挂系统将登月舱放置到月面上；

（8）当登月舱四个着陆腿与月面都接触且承载时，绳索与登月舱断开，然后下降级水平方向机动飞行至着陆点附近位置并进行软着陆；

（9）月面着陆过程完成，航天员出舱进行月面活动。

进一步的，动力下降过程中要终止登月过程时，登月舱抛掉着陆缓冲结构，然后启动上升级发动机，与下降级发动机同时工作，返回环月轨道。下降级通过绳索吊挂系统将登月舱放置到月面后，下降级水平方向机动飞行至着陆点附近位置并进行软着陆，下降级上携带摄像机对航天员的月面活动进行拍摄。

本实用新型所提供的登月方法，除了可应用于月球以外的其他天体着陆。

实施例4

空中吊车式载人登月飞行器由图1所示的载人飞船和图2所示的登月飞船组成。其中载人飞船由载人飞船返回舱1和载人飞船服务舱2组成。载人飞船返回舱1顶部安装有主动式对接机构6，载人飞船服务舱2两侧安装有可展开的太阳能电池板4，侧面安装有姿态控制发动机5，尾部为服务舱主发动机3。

登月飞船采用三级方案，第一级为制动级10，用于近月制动，第二级为上升级8，用于月面上升，第三级为登月飞船下降级7，用于动力下降。下降级采用空中吊车模式，整体为圆柱体，圆周安装有4台下降级主发动机13用于动力下降。底部安装有绞车，通过四根缆绳15将登月舱放到月面上。同时下降级底部的连接杆14通过爆炸螺栓与登月舱连接。下降级侧面安装有多个下降级姿态控制发动机12，用于轨道飞行时的姿态调整和动力下降过程中的机动飞行控制，顶部携带有效载荷11。

上升级密封舱16主结构形式为卧式构型，其一端为航天员月面出舱舱门19，另一端为被动式对接机构24，用于与载人飞船的对接。密封舱16靠近出舱舱门一端为气闸舱。上升级底部安装有上升级主发动机20，用于月面起飞进入环月轨道。左右两侧安装有多个上升级姿态控制发动机21、上升级燃料箱17和发动机羽流防护机构22。顶部安装通讯天线18。

着陆缓冲结构如图5所示，包括4个着陆腿27，支撑着登月舱上升级，为上升级从月表起飞提供发射平台，具有调整水平姿态的能力，着陆腿在着陆缓冲过程中吸收全部或大部分能量，保证登月舱不受任何损坏。着陆腿底部为着陆腿的足垫29，在着陆缓冲过程中吸收部分能量，增大与月球表面的接触面积，减小着陆时对月面的压强，避免着陆腿过深的陷入月表。航天员通过梯子28到达月面。

实施例5

如图8所示，将登月舱上升级及着陆腿换成月面基地舱段、可移动式舱段或者其他设备，仍可以使用空中吊车下降级将其从环月轨道运送到月面。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种空中吊车式载人登月飞行器，其特征在于：所述登月飞行器包括载人飞船与登月飞船，二者分别发射，并在环月轨道上进行对接；

其中，所述登月飞船为三级结构，第一级为制动级，用于近月减速制动，位于登月飞船的最下部；第二级为上升级，用于月面上升，位于登月飞船中部；第三级为下降级，用于动力下降，位于登月飞船的最上部；其中上升级与制动级之间为登月舱的着陆缓冲机构；

下降级采用空中吊车模式，整体为圆柱体，圆周安装有若干台发动机用于动力下降，且底部设有缆绳，通过驱动缆绳伸缩将登月舱放到月面上。

2.根据权利要求1所述的一种空中吊车式载人登月飞行器，其特征在于：所述载人飞船包括服务舱与返回舱，返回舱顶部安装有主动式对接机构和交会对接雷达设备，服务舱尾部安装有发动机，侧面有姿态控制发动机，两侧安装有可展开的太阳能电池板。

3.根据权利要求2所述的一种空中吊车式载人登月飞行器，其特征在于：所述下降级外侧面圆周安装有4台或8台发动机用于动力下降，底部安装有绞车，通过4根缆绳将登月舱放到月面上；下降级底部通过爆炸螺栓与登月舱连接，侧面安装有多个姿态控制发动机，用于轨道飞行时的姿态调整和动力下降过程中的机动飞行控制。

4.根据权利要求2所述的一种空中吊车式载人登月飞行器，其特征在于：所述上升级中包含一密封舱，所述密封舱为卧式构型，一端为航天员月面出舱的舱门，另一端为被动式对接机构，用于与载人飞船的对接；

所述密封舱靠近出舱舱门一端为气闸舱，上升级底部安装有上升级主发动机，用于月面起飞进入环月轨道，左右两侧安装有姿态控制发动机、燃料箱和发动机羽流防护机构，密封舱顶部安装有通讯天线。

5.根据权利要求2所述的一种空中吊车式载人登月飞行器，其特征在于：所述登月舱着陆缓冲机构中设有若干条着陆腿，用于保持登月舱的着陆稳定性，支撑着登月舱上升级，同时为上升级从月表起飞提供发射平台，具有调整水平姿态的能力；

其中靠近出舱舱门的一条着陆腿上安装有梯子，用于航天员到达月面，着陆缓冲机构下部安装有无线电高度测量仪，用于测得的高度数据传输给下降级。

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