CN114408217B - 一种用于空间站货物运输的货运飞船以及货运方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于空间站货物运输的货运飞船以及货运方法。用于空间站货物运输的货运飞船包括：货舱、飞行器、法兰对接机械锁紧机构、动力***、空间站对接机构、气动控制襟翼以及着陆回收机构，法兰对接机械锁紧机构安装在飞行器和货舱的对接面上，货舱通过法兰对接机械锁紧机构可拆卸地安装在飞行器的对接面上，动力***、空间站对接机构、气动控制襟翼以及着陆回收机构均安装在飞行器中，动力***以及着陆回收机构安装在飞行器的侧壁上，空间站对接机构安装在飞行器的尾部，气动控制襟翼对应安装在飞行器的头部和尾部。

Description

一种用于空间站货物运输的货运飞船以及货运方法
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种用于空间站货物运输的货运飞船以及货运方法。
背景技术
空间站是人类迈向深空的跳板，并对国家安全具有重要意义。中国空间站将于2022年底前后全面建成，之后进入常态化运营与应用阶段，提出了灵活高效、形式多样、成本低廉的货物运输体系需求。目前，中国仅有天舟货运飞船为空间站进行货物运输、物资补给，但是天舟货运飞船不可重复使用，货运成本较高，难以满足空间站低成本货物运输需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于空间站货物运输的货运飞船以及货运方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于空间站货物运输的货运飞船，其包括：货舱、飞行器、用于连接货舱和飞行器的法兰对接机械锁紧机构、动力***、用于与空间站对接的空间站对接机构、用于调整再入过程的飞行姿态的气动控制襟翼以及着陆回收机构，所述法兰对接机械锁紧机构安装在飞行器和货舱的对接面上，所述货舱通过所述法兰对接机械锁紧机构可拆卸地安装在所述飞行器的对接面上，所述动力***、所述空间站对接机构、所述气动控制襟翼以及所述着陆回收机构均安装在所述飞行器中，所述动力***以及所述着陆回收机构安装在所述飞行器的侧壁上，所述空间站对接机构安装在所述飞行器的尾部，所述气动控制襟翼对应安装在所述飞行器的头部和尾部。
本发明的有益效果是：通过将法兰对接机械锁紧机构、动力***、用于与空间站对接的空间站对接机构、用于调整再入过程的飞行姿态的气动控制襟翼以及着陆回收机构安装在飞行器中，飞行器可返回且可重复使用，一次性使用的货舱，降低货舱成本，降低空间站货运成本，货舱为一次性使用，具备为空间站上行货物、带离废弃物的功能，并受控再入大气烧毁，不产生空间碎片，满足上行运输、下行返回、带离废弃物的需求。
进一步地，所述动力***包括：多个用于动力下降减速及轨道转移机动的主发动机、多个用于轨道和姿态的修正控制的姿轨控发动机、多个用于末段对接和站船分离的交会对接发动机，多个主发动机、多个姿轨控发动机以及多个交会对接发动机分别对应安装在所述飞行器的两侧。
采用上述进一步方案的有益效果是：多个主发动机、多个姿轨控发动机以及多个交会对接发动机的设置，使得飞行器的动力***具备三级推力控制能力，分别对应实现动力下降减速及轨道转移机动、轨道和姿态的修正控制和末段对接和站船分离功能，便于安装以及维护，降低发动机深度调节要求，方案简单，成本低。
进一步地，所述空间站对接机构外侧安装有用于保护空间站对接机构的对接保护舱盖。
采用上述进一步方案的有益效果是：空间站对接机构为机械式周边式对接机构，用于货运飞船与空间站的对接，支持航天员搬运以及转移货物。机械式周边式对接机构安置于对接保护舱盖内侧，在货运飞船临近空间站后，对接保护舱盖开启，货运飞船与空间站对接；而在货运飞船发射与返回过程中，对接保护舱盖处于关闭状态，可有效保护机械式周边式对接机构，从而实现重复使用。
进一步地，所述气动控制襟翼包括：一对尾翼以及一对鸭翼，一对尾翼可伸缩地安装在所述飞行器的尾部，一对鸭翼可伸缩地安装在所述飞行器的头部两侧。
采用上述进一步方案的有益效果是：尾翼与鸭翼共同用于调整再入过程的飞行姿态，同时也起到气动减速的作用。飞行器采用小襟翼升力体气动外形和可控尾翼以及鸭翼方式降低气动设计难度，实现飞行器水平姿态的垂直回收，通过水平姿态的垂直着陆方案降低安全软着陆的技术难度。小襟翼升力体气动外形减缓最大过载、热流，降低结构、材料技术难度和制造成本，气动控制襟翼增加可控性。垂直着陆方式支持精确着陆，降低地面搜寻代价，着陆区无特殊要求，可在陆地、海上着陆；水平姿态不易倾覆，能够提高着陆稳定性；并且水平姿态的垂直着陆方式在大气再入、下降着陆段无需大幅调整姿态，降低姿态控制技术难度。
进一步地，所述着陆回收机构包括：缓冲吸能结构层以及多个着陆腿，所述缓冲吸能结构层为吸能点阵结构，所述缓冲吸能结构层包覆在所述飞行器的底部，多个所述着陆腿可伸展地安装在所述飞行器的两侧，所述着陆腿为折展机构。
采用上述进一步方案的有益效果是：缓冲吸能结构层的设置，用于承担再入过程中大部分的气动载荷以及着陆瞬间的冲击载荷。着陆腿为可折展机构，着陆阶段前均收拢在飞行器内部，着陆时展开以承担部分冲击载荷，并起到调整稳定飞行器姿态的作用。
进一步地，所述法兰对接机械锁紧机构包括：对接密封舱门、气压与环境控制***的对接接口以及电力与信息传输线路的对接接口，所述对接密封舱门、所述气压与环境控制***的对接接口以及所述电力与信息传输线路的对接接口呈品字形安装在所述飞行器和货舱的对接面上。
采用上述进一步方案的有益效果是：对接密封舱门、气压与环境控制***的对接接口以及电力与信息传输线路的对接接口的设置，便于货舱与飞行器连接并进行信息交互，便于飞行器控制货舱，提高货运飞船的稳定性以及可靠性。
进一步地，所述法兰对接机械锁紧机构为卡爪式锁紧机构，所述货舱为密封加压式货舱、半开放式货舱或开放式货舱。
采用上述进一步方案的有益效果是：法兰对接机械锁紧机构为卡爪式锁紧机构，实现在货舱与飞行器之间的可自主操控的锁紧与脱离。所述货舱采用模块化设计，支持运输加压、非加压货物并进行灵活配比，针对不同种类货物，可更换不同货舱模块，适应多种多样的空间站货物运输任务，同时模块化设计的货舱支持同批次加工，降低生产加工成本。
此外，本发明还提供了一种用于空间站货物运输的货运方法，基于上述任意一项所述的一种用于空间站货物运输的货运飞船，货运方法包括：
S1、货运飞船在再入点再入地球大气层；
S2、货舱与飞行器分离并烧毁；
S3、飞行器着陆，循环使用飞行器。
进一步地，步骤S1之前包括：
货运飞船从入轨点转移至空间站交会轨道；
货运飞船与空间站进行对接；
货运飞船执行空间站货物上行、载荷下行以及废弃物带离任务；
货运飞船与空间站分离；
货运飞船从空间站轨道转移至地球再入点。
本发明的有益效果是：通过设计可返回且可循环使用飞行器的货运方法，飞行器可返回且可重复使用，一次性使用的货舱，降低货舱成本，降低空间站货运成本，货舱为一次性使用，具备为空间站上行货物、带离废弃物的功能，并受控再入大气烧毁，不产生空间碎片，满足上行运输、下行返回、带离废弃物的需求。
进一步地，飞行器着陆为飞行器以水平姿态的垂直着陆方式安全软着陆至着陆场。
采用上述进一步方案的有益效果是：飞行器采用小襟翼升力体气动外形和可控尾翼以及鸭翼方式降低气动设计难度，通过水平姿态的垂直着陆方案降低安全软着陆的技术难度。垂直着陆方式支持精确着陆，降低地面搜寻代价，着陆区无特殊要求，可在陆地、海上着陆；水平姿态不易倾覆，能够提高着陆稳定性；并且水平姿态的垂直着陆方式在大气再入、下降着陆段无需大幅调整姿态，降低姿态控制技术难度。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之一。
图2为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之二。
图3为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之三。
图4为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之四。
图5为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之五。
图6为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之六。
图7为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之七。
图8为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之八。
图9为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之九。
图10为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之十。
图11为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之十一。
图12为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之十二。
图13为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之十三。
图14为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之十四。
图15为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之十五。
图16为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之十六。
图17为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之十七。
图18为本发明实施例提供的货运飞船的结构示意图之十八。
图19为本发明实施例提供的货运方法的示意性流程框图。
图20为本发明实施例提供的货运方法的示意性流程图。
附图标号说明：1、货舱；2、飞行器；3、法兰对接机械锁紧机构； 4、动力***；5、空间站对接机构；6、气动控制襟翼；7、着陆回收机构；8、主发动机；9、姿轨控发动机；10、交会对接发动机；11、对接保护舱盖；12、尾翼；13、鸭翼；14、缓冲吸能结构层；15、着陆腿； 16、对接密封舱门；17、气压与环境控制***的对接接口；18、电力与信息传输线路的对接接口；19、对接面；20、密封加压式货舱；21、半开放式货舱；22、开放式货舱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图18所示，本发明实施例提供了一种用于空间站货物运输的货运飞船，其包括：货舱1、飞行器2、用于连接货舱1和飞行器2的法兰对接机械锁紧机构3、动力***4、用于与空间站对接的空间站对接机构5、用于调整再入过程的飞行姿态的气动控制襟翼6以及着陆回收机构7，所述法兰对接机械锁紧机构3在安装飞行器2和货舱1的对接面 19上，所述货舱1通过所述法兰对接机械锁紧机构3可拆卸地安装在所述飞行器2的对接面19上，所述动力***4、所述空间站对接机构5、所述气动控制襟翼6以及所述着陆回收机构7均安装在所述飞行器2中，所述动力***4以及所述着陆回收机构7安装在所述飞行器2的侧壁上，所述空间站对接机构5安装在所述飞行器2的尾部，所述气动控制襟翼6 对应安装在所述飞行器2的头部和尾部。
本发明的有益效果是：通过将法兰对接机械锁紧机构、动力***、用于与空间站对接的空间站对接机构、用于调整再入过程的飞行姿态的气动控制襟翼以及着陆回收机构安装在飞行器中，飞行器可返回且可重复使用，一次性使用的货舱，降低货舱成本，降低空间站货运成本，货舱为一次性使用，具备为空间站上行货物、带离废弃物的功能，并受控再入大气烧毁，不产生空间碎片，满足上行运输、下行返回、带离废弃物的需求。
其中，所述飞行器的头部以及动力***的输出端采用陶瓷隔热瓦材料制作，所述飞行器的对接面采用酚醛耐烧蚀复合材料制作，所述气动控制襟翼采用碳或碳化硅复合材料制作。货舱为一次性货舱，飞行器为可循环使用的飞行器。
法兰对接机械锁紧机构3的结构可以为现有技术，例如：专利六：CN202110357851.1-一种可实现组合体飞行器之间的锁紧分离机构及其工作方法，公开日20210907；专利七：CN201811080928.X-一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构及其工作方法，授权公告日20200424。
空间站对接机构5的结构可以为现有技术，例如：专利四： CN201811347636.8-一种航天器低冲击空间对接密封装置，授权公告日 20201218；专利五：CN201811101932.X-一种联动式空间对接锁紧与分离装置及方法，公开日20190308。
货舱和飞行器拼接组成锥体结构，货舱以及飞行器分别为半锥体结构，货舱以及飞行器的头部分别为半抛物线旋成体结构，货舱头部临近交接面的两侧分别设置有凸起，飞行器头部临近交接面的两侧分别设置有内凹槽，凸起安装在内凹槽中。
飞行器可回收，货运飞船的气动外形改进设计，采用小襟翼升力体气动外形，配置了可动鸭翼和尾翼进行气动控制；动力***配置采用了三级动力***；增加了着陆回收机构；增加再入热防护***。
货运飞船包括：一次性使用的货舱和可重复使用返回的飞行器，货舱与飞行器之间通过法兰对接机械锁紧机构紧密连接为一个整体，货舱采用模块化设计，支持运输加压、非加压货物并进行灵活配比；飞行器采用小襟翼升力体气动外形和可控尾翼/鸭翼方式降低气动设计难度，通过水平姿态的垂直着陆方案降低安全软着陆的技术难度。实现了低成本的空间站货物运输，满足上行运输、下行返回、带离废弃物的需求。最大效益的可重复使用、水平姿态的垂直回收。对于各部组件的设计可以尽可能采用成熟的方案，使得货船方案更具工程可行性。
用于空间站货物运输的货运飞船包括：货舱和飞行器，货舱与飞行器之间通过法兰对接机械锁紧机构紧密连接为一个整体。法兰对接机械锁紧机构对接密封舱门、气压与环境控制***的对接接口以及电力与信息传输线路的对接接口，呈品字形分布于货舱与飞行器和货舱的对接面，三处均具有主动控制卡爪式锁紧机构，由此实现在货舱与飞行器之间的可自主操控的锁紧与脱离。货舱为一次性使用，仅部署必要的货架结构、供电线缆和热控管路等，尽可能降低货舱的制造成本。货舱所需的密封加压支持***、能源和热控支持设备均部署在飞行器上。飞行器为可重复使用，部署昂贵的、可重复使用的部组件，包括动力***、空间站对接机构等。货运飞船通过效益最大化的可重复使用方案降低空间站货运成本。
所述货舱采用模块化设计，包括：密封加压式货舱、半开放式货舱、开放式货舱，其中：密封加压式货舱用于运输加压货物；半开放式货舱同时支持运输加压货物和非加压货运，并且可以灵活配置加压货物和非加压货物的比例；开放式货舱用于运输非加压货物。即针对不同种类货物，可更换不同货舱模块，货舱模块包括密封加压式货舱、半开放式货舱和开放式货舱。对于非加压货物，可安置于半开放式货舱的开放部分或开放式货舱内部。对于加压货物，可安置在密封加压式货舱或半开放式货舱的密封加压部分。半开放式货舱的开放部分以及开放式货舱的舱壁可以受控开启，利用空间站机械臂将货舱内货物取走，然后放置空间站的废弃物。密封加压式货舱或半开放式货舱的密封加压部分通过空间站对接机构与空间站相连，支持航天员进入搬运货物。
飞行器包括：动力***、空间站对接机构、气动控制襟翼、热防护***、着陆回收机构等，其中：动力***包括：主发动机、姿轨控发动机、交会对接发动机共三级推进发动机；主发动机采用四氧化二氮/甲基肼双组元发动机，用于动力下降减速及轨道转移机动，贮箱设计为低压贮箱，通过电动泵进行增压。姿轨控发动机采用四氧化二氮/甲基肼双组元发动机，用于轨道和姿态的修正控制，贮箱设计为高压贮箱，采用冷气恒压挤压式增压方案。交会对接发动机采用冷气推进器，用于末段对接、站船分离，配置冷气瓶。贮箱用于存储燃料，发动机与贮箱之间有增压***。
飞行器部署了动力***、空间站对接机构、气动控制襟翼、热防护***、着陆回收机构。具体的，飞行器的动力***包括主发动机、姿轨控发动机、交会对接发动机；飞行器的空间站对接机构为机械式周边式对接机构；飞行器的气动控制襟翼包括尾翼和鸭翼；飞行器的热防护***包括陶瓷隔热瓦、酚醛耐烧蚀复合材料、碳/碳化硅复合材料；飞行器的着陆回收机构包括缓冲吸能结构层和着陆腿。
优选的，主发动机配置14台，在飞行器左右两侧对称部署，采用四氧化二氮/甲基肼双组元发动机，用于动力下降减速及轨道转移机动，贮箱设计为低压贮箱，通过电动泵进行增压。所述姿轨控发动机配置12台，在飞行器左右两侧对称部署，采用四氧化二氮/甲基肼双组元发动机，用于轨道和姿态的修正控制，贮箱设计为高压贮箱，采用冷气恒压挤压式增压方案。所述交会对接发动机配置台，在飞行器左右两侧对称部署，采用冷气推进器，用于末段对接、站船分离，采用冷气瓶供气。
空间站对接结构为标准的机械式周边式对接机构，按照中国空间站标准接口规范进行设计，用于货运飞船与空间站的对接，支持航天员搬运以及转移货物。机械式周边式对接机构安置于对接保护舱盖内侧，在所述货运飞船临近空间站后，对接保护舱盖开启，货运飞船与空间站对接；而在货运飞船发射与返回过程中，对接保护舱盖处于关闭状态，可有效保护机械式周边式对接机构，从而实现重复使用。空间站对接机构按照标准设计，为现有技术。
气动控制襟翼包括：尾翼以及鸭翼；鸭翼位于飞行器的头部，当飞行器再入大气层后，鸭翼由收缩状态变为伸出状态；尾翼位于飞行器的尾部，尾翼与鸭翼共同用于调整再入过程的飞行姿态，同时也起到气动减速的作用。
优选的，尾翼配置2块，均位于飞行器的尾部，当飞行器再入大气后，由收缩状态变为伸出状态，可以进行摆动。所述鸭翼配置2块，分别位于飞行器的头部左右两侧，当飞行器再入大气层后，由收缩状态变为伸出状态，与尾翼共同用于调整再入过程的飞行姿态，同时也起到气动减速的作用。两套可动襟翼增加了气动控制的能力，降低了飞行器的气动外形设计难度，同时有利于提高精确下降与着陆。
飞行器还包括热防护***，热防护***采用陶瓷隔热瓦材料和酚醛耐烧蚀复合材料相结合的方法；在飞行器前缘、迎风面和发动机喷嘴处，采用陶瓷隔热瓦材料，与内部冷结构通过室温硫化硅橡胶胶接；气动控制襟翼采用碳/碳化硅复合材料；飞行器背部采用酚醛耐烧蚀复合材料。
优选的，在飞行器的前缘、迎风面和发动机喷嘴，采用陶瓷隔热瓦材料，与内部冷结构通过室温硫化硅橡胶胶接；飞行器背部采用酚醛耐烧蚀复合材料；气动控制襟翼，采用碳/碳化硅复合材料。热防护***按使用温度要求分区设计，同时兼顾低成本、多次可重复使用的设计原则。
着陆回收机构包括：缓冲吸能结构层和着陆腿；缓冲吸能结构层由吸能点阵结构组成，用于承担再入过程中大部分的气动载荷以及着陆瞬间的冲击载荷；着陆腿为可折展机构，着陆阶段前均收拢在飞行器内部，着陆时展开以承担部分冲击载荷，并起到调整稳定飞行器姿态的作用。
如图1至图18所示，进一步地，所述动力***4包括：多个用于动力下降减速及轨道转移机动的主发动机8、多个用于轨道和姿态的修正控制的姿轨控发动机9、多个用于末段对接和站船分离的交会对接发动机 10，多个主发动机8、多个姿轨控发动机9以及多个交会对接发动机10 分别对应安装在所述飞行器2的两侧。
采用上述进一步方案的有益效果是：多个主发动机、多个姿轨控发动机以及多个交会对接发动机的设置，使得飞行器的动力***具备三级推力控制能力，分别对应实现动力下降减速及轨道转移机动、轨道和姿态的修正控制和末段对接和站船分离功能，便于安装以及维护，降低发动机深度调节要求，方案简单，成本低。
主发动机8的结构可以为现有技术，例如，专利十： CN201811528869.8-一种用于运载火箭上面级及轨道转移飞行器的动力***，公开日20190416。
姿轨控发动机9的结构可以为现有技术，例如，专利八： CN201510046713.6-一种转动控制固体姿轨控发动机，授权公告日 20160302；专利九：CN201610970965.2-一种基于发动机预摆的大质心横移下的姿轨控耦合控制***与方法，授权公告日20190809。
交会对接发动机10的结构可以为现有技术，例如，专利十一： CN202110205749.X-一种可携带和传递月球样品的上升器，公开日 20210713。
其中，所述主发动机以及所述姿轨控发动机均为四氧化二氮/甲基肼双组元发动机，所述交会对接发动机为冷气推进器。
如图1至图18所示，进一步地，所述空间站对接机构5外侧安装有用于保护空间站对接机构5的对接保护舱盖11。
采用上述进一步方案的有益效果是：空间站对接机构为机械式周边式对接机构，用于货运飞船与空间站的对接，支持航天员搬运以及转移货物。机械式周边式对接机构安置于对接保护舱盖内侧，在货运飞船临近空间站后，对接保护舱盖开启，货运飞船与空间站对接；而在货运飞船发射与返回过程中，对接保护舱盖处于关闭状态，可有效保护机械式周边式对接机构，从而实现重复使用。
如图1至图18所示，进一步地，所述气动控制襟翼6包括：一对尾翼12以及一对鸭翼13，一对尾翼12可伸缩地安装在所述飞行器2的尾部，一对鸭翼13可伸缩地安装在所述飞行器2的头部两侧。
采用上述进一步方案的有益效果是：尾翼与鸭翼共同用于调整再入过程的飞行姿态，同时也起到气动减速的作用。飞行器采用小襟翼升力体气动外形和可控尾翼以及鸭翼方式降低气动设计难度，实现飞行器水平姿态的垂直回收，通过水平姿态的垂直着陆方案降低安全软着陆的技术难度。小襟翼升力体气动外形减缓最大过载、热流，降低结构、材料技术难度和制造成本，气动控制襟翼增加可控性。垂直着陆方式支持精确着陆，降低地面搜寻代价，着陆区无特殊要求，可在陆地、海上着陆；水平姿态不易倾覆，能够提高着陆稳定性；并且水平姿态的垂直着陆方式在大气再入、下降着陆段无需大幅调整姿态，降低姿态控制技术难度。
其中，尾翼12的结构可以为现有技术，例如：专利二： CN201810310026.4-一种高速混合布局垂直起降飞行器，公开日 20180810。鸭翼13的结构可以为现有技术，例如：专利三： CN201810191684.6-一种基于鸭翼的飞行控制方法、飞行控制***及飞机，授权公告日20200908。
如图1至图18所示，进一步地，所述着陆回收机构7包括：缓冲吸能结构层14以及多个着陆腿15，所述缓冲吸能结构层14为吸能点阵结构，所述缓冲吸能结构层14包覆在所述飞行器2的底部，多个所述着陆腿15可伸展地安装在所述飞行器2的两侧，所述着陆腿15为折展机构。
采用上述进一步方案的有益效果是：缓冲吸能结构层的设置，用于承担再入过程中大部分的气动载荷以及着陆瞬间的冲击载荷。着陆腿为可折展机构，着陆阶段前均收拢在飞行器内部，着陆时展开以承担部分冲击载荷，并起到调整稳定飞行器姿态的作用。
其中，着陆腿15的结构可以为现有技术，例如专利一： CN202110091987.2-一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿，公开日20210430；
如图1至图18所示，进一步地，所述法兰对接机械锁紧机构3包括：对接密封舱门16、气压与环境控制***的对接接口17以及电力与信息传输线路的对接接口18，所述对接密封舱门16、所述气压与环境控制***的对接接口17以及所述电力与信息传输线路的对接接口18呈品字形安装在所述飞行器2和所述货舱1的对接面19上。
采用上述进一步方案的有益效果是：对接密封舱门、气压与环境控制***的对接接口以及电力与信息传输线路的对接接口的设置，便于货舱与飞行器连接并进行信息交互，便于飞行器控制货舱，提高货运飞船的稳定性以及可靠性。
对接密封舱门16的结构可以为现有技术，例如专利十二： CN201420815937.X-一种密封形式，授权公告日20150701。
法兰对接机械锁紧机构3的控制方法可以为现有技术，例如专利十三：CN201811101446.8-一种物流飞行器及货舱，公开日20190329。
如图1至图18所示，进一步地，所述法兰对接机械锁紧机构3为卡爪式锁紧机构，所述货舱1为密封加压式货舱20、半开放式货舱21或开放式货舱22。
采用上述进一步方案的有益效果是：法兰对接机械锁紧机构为卡爪式锁紧机构，实现在货舱与飞行器之间的可自主操控的锁紧与脱离。所述货舱采用模块化设计，支持运输加压、非加压货物并进行灵活配比，针对不同种类货物，可更换不同货舱模块，适应多种多样的空间站货物运输任务，同时模块化设计的货舱支持同批次加工，降低生产加工成本。
其中，货舱的结构可以为现有技术，例如：专利十四： CN201810246432.9-一种用于制造在飞行器的货舱中可采用的集装箱的多功能集装箱***，公开日20181009；专利十五：CN201821541733.6- 一种物流运输***，授权公告日20190910。
本发明实施例提供了一种用于空间站货物运输的货运飞船，通过最大效益的可重复使用技术有效降低货物运输任务成本。
一种用于空间站货物运输的货运飞船包括：货舱和飞行器，货舱与飞行器之间通过法兰对接机械锁紧机构紧密连接为一个整体。货舱为一次性使用，仅部署必要的货架结构、供电线缆和热控管路等，尽可能降低货舱的制造成本。飞行器为可重复使用，部署昂贵的、可重复使用的部组件，包括动力***、空间站对接机构等。
本发明的货运飞船，将价值高昂的、可重复使用的部组件部署在飞行器上，再入大气返回地球，实现最大效益的可重复使用，降低空间站货物运输任务成本；同时，一次性使用的货舱可用于装载空间站废弃物，并受控再入大气烧毁，不产生空间碎片。
进一步，货舱采用模块化设计，包括：密封加压式货舱、半开放式货舱、开放式货舱，其中：密封加压式货舱用于运输加压货物；半开放式货舱同时支持运输加压货物和非加压货运，并且可以灵活配置加压货物和非加压货物的比例；开放式货舱用于运输非加压货物。
采用上述进一步方案的有益效果是：货运飞船可灵活装载加压、非加压货物，适应多种多样的空间站货物运输任务；同时模块化设计的货舱支持同批次加工，降低生产加工成本。
进一步，飞行器的动力***包括主发动机、姿轨控发动机、交会对接发动机共三级推进发动机；主发动机采用四氧化二氮/甲基肼双组元发动机，用于动力下降减速及轨道转移机动，贮箱设计为低压贮箱，通过电动泵进行增压。姿轨控发动机采用四氧化二氮/甲基肼双组元发动机，用于轨道和姿态的修正控制，贮箱设计为高压贮箱，采用冷气恒压挤压式增压方案。交会对接发动机采用冷气推进器，用于末段对接、站船分离，配置冷气瓶。
采用上述进一步方案的有益效果是：飞行器的动力***具备三级推力控制能力，降低发动机深度调节要求；四氧化二氮/甲基肼为常温推进剂，易保存；电动泵增压方案有利于调节推力大小，方案简单，成本低。
进一步，飞行器配置了空间站对接结构，按照中国空间站标准接口规范设计的机械式周边式对接机构。
采用上述进一步方案的有益效果是：货运飞船可以与空间站进行对接，支持航天员搬运以及转移货物。
进一步，飞行器采用小襟翼升力体气动外形和可控尾翼/鸭翼的气动控制襟翼。
采用上述进一步方案的有益效果是：小襟翼升力体气动外形减缓最大过载、热流，降低结构、材料技术难度和制造成本；气动控制襟翼增加可控性，降低气动设计难度。
进一步，天地往返的飞行器的着陆回收机构包括缓冲吸能结构层和着陆腿；缓冲吸能结构层由吸能点阵结构组成；着陆腿为可折展机构，着陆阶段前均收拢在所述飞行器内部，着陆时展开。
采用上述进一步方案的有益效果是：缓冲吸能结构层用于承担再入过程中大部分的气动载荷以及着陆瞬间的冲击载荷；着陆腿用于承担着陆时部分冲击载荷，并起到调整稳定飞行器姿态的作用。
进一步，飞行器采用水平姿态的垂直着陆方式。
采用上述进一步方案的有益效果是：垂直着陆方式支持精确着陆，降低地面搜寻代价，着陆区无特殊要求，可在陆地、海上着陆；水平姿态不易倾覆，能够提高着陆稳定性；并且水平姿态的垂直着陆方式在大气再入、下降着陆段无需大幅调整姿态，降低姿态控制技术难度。
如图19至图20所示，此外，本发明还提供了一种用于空间站货物运输的货运方法，基于上述任意一项所述的一种用于空间站货物运输的货运飞船，货运方法包括：
S1、货运飞船在再入点再入地球大气层；
S2、货舱与飞行器分离并烧毁；
S3、飞行器着陆，循环使用飞行器。
进一步地，步骤S1之前包括：
货运飞船从入轨点转移至空间站交会轨道；
货运飞船与空间站进行对接；
货运飞船执行空间站货物上行、载荷下行以及废弃物带离任务；
货运飞船与空间站分离；
货运飞船从空间站轨道转移至地球再入点。
本发明的有益效果是：通过设计可返回且可循环使用飞行器的货运方法，飞行器可返回且可重复使用，一次性使用的货舱，降低货舱成本，降低空间站货运成本，货舱为一次性使用，具备为空间站上行货物、带离废弃物的功能，并受控再入大气烧毁，不产生空间碎片，满足上行运输、下行返回、带离废弃物的需求。
货运方法可以包括以下步骤：
S11，调相交会，货运飞船从入轨点转移至空间站交会轨道；
S21，站船对接，货运飞船与空间站完成对接；
S31，货物转运，货运飞船完成空间站货物上行、载荷下行、废弃物带离任务；
S41，站船分离，货运飞船与空间站分离；
S51，返回转移，货运飞船从空间站轨道转移至地球再入点；
S61，大气再入，货运飞船再入地球大气层，择机分离货舱，货舱再入大气烧毁，飞行器气动减速飞行；
S71，下降着陆，飞行器以水平姿态的垂直着陆方式安全软着陆至着陆场。
本发明的货运飞船，其货舱为一次性使用，具备为空间站上行货物、带离废弃物的功能，并受控再入大气烧毁，不产生空间碎片；其飞行器再入返回支持可重复使用，具备为空间站上行货物、下行载荷的功能，并通过可重复使用技术途径有效降低空间站货物运输成本，有望推动空间站的可持续发展。
进一步地，飞行器着陆为飞行器以水平姿态的垂直着陆方式安全软着陆至着陆场。
采用上述进一步方案的有益效果是：飞行器采用小襟翼升力体气动外形和可控尾翼以及鸭翼方式降低气动设计难度，通过水平姿态的垂直着陆方案降低安全软着陆的技术难度。垂直着陆方式支持精确着陆，降低地面搜寻代价，着陆区无特殊要求，可在陆地、海上着陆；水平姿态不易倾覆，能够提高着陆稳定性；并且水平姿态的垂直着陆方式在大气再入、下降着陆段无需大幅调整姿态，降低姿态控制技术难度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种用于空间站货物运输的货运飞船，其特征在于，包括：货舱(1)、飞行器(2)、用于连接货舱(1)和飞行器(2)的法兰对接机械锁紧机构(3)、动力***(4)、用于与空间站对接的空间站对接机构(5)、用于调整再入过程的飞行姿态的气动控制襟翼(6)以及着陆回收机构(7)，所述法兰对接机械锁紧机构(3)安装在飞行器(2)和货舱(1)的对接面(19)上，所述货舱(1)通过所述法兰对接机械锁紧机构(3)可拆卸地安装在所述飞行器(2)的对接面(19)上，所述动力***(4)、所述空间站对接机构(5)、所述气动控制襟翼(6)以及所述着陆回收机构(7)均安装在所述飞行器(2)中，所述动力***(4)以及所述着陆回收机构(7)安装在所述飞行器(2)的侧壁上，所述空间站对接机构(5)安装在所述飞行器(2)的尾部，所述气动控制襟翼(6)对应安装在所述飞行器(2)的头部和尾部；所述动力***(4)包括：多个用于动力下降减速及轨道转移机动的主发动机(8)、多个用于轨道和姿态的修正控制的姿轨控发动机(9)、多个用于末段对接和站船分离的交会对接发动机(10)，多个主发动机(8)、多个姿轨控发动机(9)以及多个交会对接发动机(10)分别对应安装在所述飞行器(2)的两侧；所述气动控制襟翼(6)包括：一对尾翼(12)以及一对鸭翼(13)，一对尾翼(12)可伸缩地安装在所述飞行器(2)的尾部，一对鸭翼(13)可伸缩地安装在所述飞行器(2)的头部两侧。
2.根据权利要求1所述的一种用于空间站货物运输的货运飞船，其特征在于，所述空间站对接机构(5)外侧安装有用于保护空间站对接机构(5)的对接保护舱盖(11)。
3.根据权利要求1所述的一种用于空间站货物运输的货运飞船，其特征在于，所述着陆回收机构(7)包括：缓冲吸能结构层(14)以及多个着陆腿(15)，所述缓冲吸能结构层(14)为吸能点阵结构，所述缓冲吸能结构层(14)包覆在所述飞行器(2)的底部，多个所述着陆腿(15)可伸展地安装在所述飞行器(2)的两侧，所述着陆腿(15)为折展机构。
4.根据权利要求1所述的一种用于空间站货物运输的货运飞船，其特征在于，所述法兰对接机械锁紧机构(3)包括：对接密封舱门(16)、气压与环境控制***的对接接口(17)以及电力与信息传输线路的对接接口(18)，所述对接密封舱门(16)、所述气压与环境控制***的对接接口(17)以及所述电力与信息传输线路的对接接口(18)呈品字形安装在所述飞行器(2)和所述货舱(1)的对接面(19)上。
5.根据权利要求1所述的一种用于空间站货物运输的货运飞船，其特征在于，所述法兰对接机械锁紧机构(3)为卡爪式锁紧机构，所述货舱(1)为密封加压式货舱(20)、半开放式货舱(21)或开放式货舱(22)。
6.一种用于空间站货物运输的货运方法，其特征在于，基于上述权利要求1至5任意一项所述的一种用于空间站货物运输的货运飞船，货运方法包括：
S1、货运飞船在再入点再入地球大气层；
S2、货舱与飞行器分离并烧毁；
S3、飞行器着陆，循环使用飞行器；
步骤S1之前包括：
货运飞船从入轨点转移至空间站交会轨道；
货运飞船与空间站进行对接；
货运飞船执行空间站货物上行、载荷下行以及废弃物带离任务；
货运飞船与空间站分离；
货运飞船从空间站轨道转移至地球再入点；
飞行器着陆为飞行器以水平姿态的垂直着陆方式安全软着陆至着陆场。
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