一种轨道服务飞行器系统及其货物运输方法与流程

本发明涉及航天器设计领域，具体涉及一种轨道服务飞行器系统及其货物运输方法。

背景技术：

1、以载人空间站为代表的空间轨道大型航天器，需要定期或不定期进行补给、维修维护，以维持这些大型航天器在轨的正常运行。

2、补给货物运输方面，传统的方式，所有的补给货物均由运载火箭发射具备独立飞行能力的货运飞船(或航天飞机)与空间站交会对接进行运输。由于货运飞船系统复杂，成本高昂，空间站货物补给的经济性不佳。为降低成本，一般采用定期集中发射补给的方式，使得灵活性不高。空间轨道的货物运输，真正需要的是补给货物，而上述方式运输货物的货运飞船的成本远高于货物。因此，如果简化补给货物由地面发射至空间轨道的系统模式，尽量简化补给货物运输的硬件配置，是降低空间轨道运输服务成本的有效手段。

3、航天器在轨维修维护方面，一般载人空间站具备一定的自行维修维护能力，而其它无人的轨道站或大型卫星并不具备自行维修维护能力。目前，国内外已经提出一些在轨维护机器人卫星的概念，具备在轨道上机动，对需要服务的卫星进行抓捕及维修维护作业。

技术实现思路

1、本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种轨道服务飞行器系统及其货物运输方法，同时满足空间轨道航天器补给货物运输和在轨维修维护需求。

2、本发明的技术方案是：一种轨道服务飞行器系统，该系统包括多功能服务飞行器、密封型货舱、非密封型货舱三个独立模块；

3、密封型货舱，用于为被服务航天器提供增压环境下货物补给，通过运载火箭发射至货舱交接轨道并进行姿态控制，由多功能服务飞行器捕获后通过多功能服务飞行器与被服务航天器对接，由航天员将其中的货物补给搬运搬运至被服务航天器密封舱；

4、非密封型货舱，用于为被服务航天器提供暴露在空间环境下的货物，通过运载火箭发射至货舱交接轨道并进行姿态控制；

5、多功能服务飞行器，发射后长期在轨待命，根据服务需求进行轨道机动靠近被服务航天器、密封型货舱或者非密封型货舱，通过机械臂实施抓捕，将密封型货舱或者非密封型货舱与被服务航天器连接之后，进行服务作业。

6、优选地，所述多功能服务飞行器包括功能舱、机械臂、第一对接停靠机构、推进舱、太阳翼、第二对接停靠机构；其中：

7、功能舱上设置机械臂用于抓捕密封型货舱或者非密封型货舱，以及对被服务航天器进行维修维护；第一对接停靠机构用于与密封型货舱或者非密封型货舱进行对接，推进舱用于为多功能服务飞行器提供动力以进行轨道机动和姿态控制，太阳翼用于为整星供电，第二对接停靠机构用于与运载火箭或者被服务航天器对接。

8、优选地，所述功能舱为中心承力筒结合箱板式构型，内设密封型中心承力筒；推进舱为内外双承力筒构型，内设密封型内承力筒；

9、功能舱上密封型中心承力筒一端设置密封舱门，另一端与货物舱的密封型内承力筒一端密封连接，推进舱的内密封型内承力筒另一端也设置密封舱门；仪器舱的密封型中心承力筒与功能舱的内密封型内承力筒密封对接后，形成一个密封空间，能够供航天员进出；

10、第一对接停靠机构与仪器舱上密封型中心承力筒的密封舱门相通；

11、第二对接停靠机构与推进舱上密封型内承力筒的密封舱门相通；

12、星箭分离前，第二对接停靠机构与运载火箭连接，作为整个多功能服务航天器的主承载传力结构；

13、当多功能服务航天器与密封型货舱对接时，由第一对接停靠机构与密封型货舱对接，第二对接停靠机构与被服务航天器对接，被服务航天器内航天员通过功能舱的密封型中心承力筒与推进舱内的密封型承力筒形成的密封空间，进入密封型货舱进行货物搬运；

14、当多功能服务航天器与密封型货舱对接时，由第一对接停靠机构与非密封型货舱对接，第二对接停靠机构与被服务航天器对接。

15、优选地，所述功能舱的密封型中心承力筒与推进舱内的密封型承力筒的密封端面上各设有一个倒t形密封槽，槽内安装有蕾形密封件，两者对接之后通过螺接固连，蕾形密封件受压变形，形成双道密封。

16、优选地，所述功能舱的密封型中心承力筒和推进舱的密封型内承力筒内部直径不小于.米，以保证能够通过一名航天员。

17、优选地，所述功能舱上还设有推进剂补加装置，用于对被服务航天器提供在轨推进剂补给服务。

18、优选地，所述密封型货舱包括密封型货舱主体结构、第一对接停靠机构被动端、第一抓捕适配器以及第一星箭对接框；其中：

19、密封型货舱主体结构，用于存储增压环境下货物补给，第一对接停靠机构被动端和第一星箭对接框分别位于密封型货舱主体结构两端端部；第一抓捕适配器位于密封型货舱主体结构侧面；第一对接停靠机构被动端用于与多功能服务飞行器上的第一对接停靠机构主动端对接，第一抓捕适配器用于被多功能服务飞行器抓捕，第一星箭对接框用于与运载火箭末子级连接。

20、优选地，所述非密封型货舱包括非密封型货舱主体结构、第二对接停靠机构被动端、第二抓捕适配器、货包、货包连接机构、第二星箭对接框；第二对接停靠机构被动端、第二星箭对接框分别位于非密封型货舱主体结构两端端部；其中：

21、第二对接停靠机构被动端用于与多功能服务飞行器上的第一对接停靠机构对接；

22、第二抓捕适配器用于被多功能服务飞行器抓捕；

23、货包通过货包连接机构固定在非密封型货舱主体结构上；所述货包包括空间试验装置、推进剂、维修备件及设备；

24、第二星箭对接框用于与运载火箭末子级连接。

25、本发明的另一个技术方案是：上述轨道服务飞行器系统的货物运输方法，该方法包括如下步骤：

26、通过运载火箭将多功能服务飞行器发射至待命轨道独立飞行，等待服务任务指令；

27、根据空间轨道服务需求内容，地面配置相应的货物，由密封型货舱或非密封型货舱装载，通过运载火箭发射至货舱交接轨道，等待多功能服务飞行器交会；

28、多功能服务飞行器接到服务任务指令，由待命轨道降轨至货舱交接轨道，与已在货舱交接轨道的密封型货舱或非密封型货舱实施交会对接，形成多功能服务飞行器与密封型货舱或非密封型货舱的组合体；

29、多功能服务飞行器与货舱组合体在多功能服务飞行器推进下转移至被服务航天器的轨道，与被服务航天器实施交会对接，形成新的组合体；

30、密封型货舱内的增压型货物由航天员直接搬运至服务航天器密封舱内，非密封型货舱装载的暴露型货物由空间站上的机械臂搬运至服务航天器上指定位置，多功能服务飞行器通过携带的机械臂、末端工具，根据需要对服务航天器进行相应的服务作业；

31、完成服务作业后，多功能服务飞行器同货舱的组合体与服务航天器分离，通过轨道机动转移至弃置轨道；

32、多功能服务飞行器在弃置轨道将密封型货舱或非密封型货舱分离，使之再入大气层烧毁；

33、多功能服务飞行器重新机动至待命轨道，等待下一次服务任务指令。

34、优选地，所述多功能服务飞行器与已在货舱交接轨道的密封型货舱或非密封型货舱实施交会对接的具体过程如下：

35、密封型货舱或非密封型货舱与运载火箭末子级组合体由运载火箭进行姿态控制；

36、多功能服务飞行器通过密封型货舱或非密封型货舱上的合作靶标进行引导不断逼近，直至多功能服务飞行器上携带的机械臂通过对密封型货舱或非密封型货舱上的抓捕适配器实现捕获；

37、多功能服务飞行器通过自身及密封型货舱或非密封型货舱上的对接停靠机构，实现与密封型货舱或非密封型货舱的连接；

38、密封型货舱或非密封型货舱与运载火箭末子级解锁分离，形成多功能服务飞行器与密封型货舱或非密封型货舱的组合体，该组合体由多功能服务飞行器进行姿态控制。

39、与现有相近技术相比，本发明的有益技术效果是：

40、(1)、相比传统补给运输每次需要发射系统复杂、功能完备的货运飞船，本发明每次仅需发射系统大大简化的密封型货舱或非密封型货舱，补给运输成本可显著降低；

41、(2)、本发明多功能服务飞行器除进行货物接驳转运功能外，还可以对在轨航天器进行维修维护服务，相比传统货运飞船大大扩展了功能；

42、(3)、低成本的密封型货舱或非密封型货舱为一次性使用，而多功能服务飞行器具备长期在轨服务能力，可以多次往复进行货物接驳转运，通过推进剂在轨补加后，可进一步延长使用寿命。

43、(4)、本发明的轨道服务飞行器系统，具有任务功能多样、灵活性强、综合经济性好的优点，可应用于载人空间站、近地轨道站或其它大型航天器的在轨服务。