一种新型的火星飞行器组合推进系统的制作方法

本发明涉及一种新型的火星飞行器组合推进系统，涉及火星探测与火星飞行器动力技术领域。

背景技术：

随着人类进入空间能力的提升和航天技术的发展，深空已成为人类的重要探索领域之一。火星探测成为近几年来人类深空探测的一个热点。推进技术不断发展为载人火星探测及返回式火星探测等高难度空间任务提供了可能性，随着载人航天、登月计划的不断成功，各个国家的太空角逐目标已经慢慢转向火星。中国的火星探测计划已于2016年1月份正式立项，该计划将在“为人类社会的持续发展服务”的总目标下，探索火星的起源与演化、地形地貌、自然环境以及生命活动信息等一系列科学问题，最终对火星的长期改造与今后大量移民建立人类第二个栖息地的可能性做出评估。作为本发明的背景技术，火星飞行器将在输运物资、转移人员等方面发挥重要作用。

火星飞行器的运行，离不开先进的推进系统。推进系统将在起飞、爬升、巡航等各个阶段为火星飞行器提供推力。按照不同的氧化剂获取方式，可将现有的航空航天推进系统分为吸气式发动机和火箭发动机两大类，前者所需的氧化剂从地球大气中获得，而后者所需氧化剂由其自身携带。两者无论是哪一种，如果将其直接用在火星飞行器上，则会面临两个问题：1.火星大气的主要成分是二氧化碳，现有的吸气式发动机将无法使用；2.火箭发动机的使用寿命受所燃料数量限制，若在火星上使用现有的火箭发动机，则势必要从地球携带大量能源，这将使得任务成本大大增加。

飞行器在大气中飞行，靠的是机翼和空气相对运动产生的升力，以及推进系统提供的推力。火星飞行器的特殊性在于，不同阶段的飞行任务对发动机推力的要求存在巨大差异。一方面，受火星大气低密度的制约，机翼所能提供的升力十分有限，所以推进系统需要在起飞阶段提供较大推力，才能将飞行器加速至离地起飞；另一方面，飞行器在巡航阶段的推力需求相比起飞阶段要小得多，而对推进系统的经济性有较高的要求。

因此，仅仅依靠一种发动机难以完成全阶段的飞行任务，有必要发展一种新型的火星飞行器组合推进系统，既能解决推进系统的能源需求，能够在火星环境下正常工作而无需从地球上输送大量燃料，又能满足在不同阶段下飞行器的推力、效率需求。

技术实现要素：

本发明为了解决现有推进系统需要从地球上携带大量燃料，并无法满足火星飞行器全阶段飞行任务的问题，提供了一种新型的火星飞行器组合推进系统，采用的技术方案是：

一种新型的火星飞行器组合推进系统，包括螺旋桨和火箭发动机，所述螺旋桨和火箭发动机安装在飞行器的机翼上，所述火箭发动机包括氧化剂贮箱，燃料贮箱，氧化剂泵，燃料泵，燃烧室，尾喷管和流量调节阀；

所述氧化剂贮箱和燃料贮箱的输出端分别与氧化剂泵和燃料泵的输入端对应相连；在所述氧化剂贮箱与氧化剂泵相连的管路上，以及燃料贮箱与燃料泵相连的管路上均设有流量调节阀；氧化剂贮箱和燃料贮箱内的燃料分别通过氧化剂泵和燃料泵输送至燃烧室内进行燃烧，所述燃烧室的末端与尾喷管的首端相连。

进一步限定，所述推进系统还包括蓄电池动力系统，蓄电池动力系统包括蓄电池，功率转换器和电动机；所述氧化剂泵、燃料泵和螺旋桨的驱动端分别设有电动机，通过所述电动机实现氧化剂泵、燃料泵和螺旋桨的驱动；蓄电池的直流电信号输出端与功率变换器的直流信号输入端相连，功率变换器功率的交流电信号输出端分别与三个电动机的交流信号输入端对应相连。

本发明的有益效果：本发明所述的一种新型的火星飞行器组合推进系统，该推进系统中的火箭发动机在飞行器起飞、爬升阶段工作，借助火箭发动机提供的较大推力，飞行器可在短距离内加速至起飞所需的离地速度；螺旋桨发动机在飞行器爬升、巡航、下降和着陆阶段工作，提供推力来平衡飞行过程中的阻力；着陆阶段螺旋桨采用反向旋转的工作方式，提供飞行器制动所需的反推力。整个组合推进系统可在飞行任务的各个阶段为火星飞行器提供正常工作所必须的推力；

本发明中火箭发动机的推进剂利用火星的可用资源直接制备，蓄电池所储存的电能可通过光伏发电或核能发电的方式获得，因此无需从地球上携带多余的推进剂，有助于降低整个火星探测任务的成本。

附图说明

图1是本发明所述一种新型的火星飞行器组合推进系统结构示意图；

图2是本发明所述火箭发动机的实施方式示意图；

图3是本发明所述蓄电池动力系统的实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

具体实施方式：结合图1至图3来说明本实施方式：本实施方式提所述的一种新型的火星飞行器组合推进系统，包括螺旋桨1和火箭发动机2，所述螺旋桨1和火箭发动机2安装在飞行器3的机翼上，所述火箭发动机2包括氧化剂贮箱4，燃料贮箱5，氧化剂泵6，燃料泵7，燃烧室8，尾喷管9和流量调节阀11；所述氧化剂贮箱4和燃料贮箱5的输出端分别与氧化剂泵6和燃料泵7的输入端对应相连；在所述氧化剂贮箱4与氧化剂泵6相连的管路上，以及燃料贮箱5与燃料泵7相连的管路上均设有流量调节阀11；氧化剂贮箱4和燃料贮箱5内的燃料分别通过氧化剂泵6和燃料泵7输送至燃烧室8内进行燃烧，所述燃烧室8的末端与尾喷管9的首端相连。所述推进系统还包括蓄电池动力系统，蓄电池动力系统包括蓄电池12，功率转换器13和电动机10；所述氧化剂泵6、燃料泵7和螺旋桨1的驱动端分别设有电动机10，通过所述电动机10实现氧化剂泵6、燃料泵7和螺旋桨1的驱动；蓄电池12的直流电信号输出端与功率变换器13的直流信号输入端相连，功率变换器功率13的交流电信号输出端分别与三个电动机10的交流信号输入端对应相连。

参见图1，在火星飞行器完成起飞前准备后，启动火箭发动机2，依靠火箭发动机2所提供的推力，飞行器3加速至离地起飞所需要的速度；当飞行器3离地并进入爬升阶段后，启动螺旋桨发动机，并在螺旋桨发动机达到设计转速后关闭火箭发动机2，飞行器3在爬升、巡航和下降阶段所需推力由螺旋桨发动机提供；当飞行器3着陆后，螺旋桨发动机采用反转的工作方式，提供飞行器3制动所需的部分反推力。

参见图2，火箭发动机所需氧化剂和燃料分别贮存在氧化剂贮箱4和燃料贮箱5中，并分别通过氧化剂泵6和燃料泵7输送至燃烧室8内参与燃烧；燃烧产物在尾喷管9内膨胀作功产生推力；氧化剂泵6和燃料泵7均由电动机10驱动；进入燃烧室8的燃料和氧化剂流量通过流量调节阀11进行控制。

参见图3，功率转换器13用于将蓄电池12提供的直流电，转换成特定频率的交流电以控制电动机10转速；蓄电池12，功率转换器13与电动机10直接安装在蓄电池动力系统中其他部件上，用于维持各部件的温度恒定；螺旋桨1、氧化剂泵6和燃料泵7均由电动机10驱动。

本发明所述的一种新型的火星飞行器组合推进系统不局限与上述各个实施方式所描述的具体结构，还可以是上述各个实施方式所描述的特征的合理组合。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种新型的火星飞行器组合推进系统，涉及火星探测与火星飞行器动力技术领域。为了解决现有推进系统需要从地球上携带大量燃料，并无法满足火星飞行器全阶段飞行任务的问题。所述氧化剂贮箱和燃料贮箱的输出端分别与氧化剂泵和燃料泵的输入端对应相连；在所述氧化剂贮箱与氧化剂泵相连的管路上，以及燃料贮箱与燃料泵相连的管路上均设有流量调节阀；氧化剂贮箱和燃料贮箱内的燃料分别通过氧化剂泵和燃料泵输送至燃烧室内进行燃烧，所述燃烧室的末端与尾喷管的首端相连。本发明可以利用火星的可用资源直接制备飞行器所需的推进剂。

技术研发人员：秦江;吕传文;程昆林;郭发福;章思龙;鲍文
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2018.05.14
技术公布日：2018.11.20