新型載人航天飛行器設(shè)計(jì)大賽作品

作者： 陳志遠(yuǎn) 段毓 周航寧 周亮宇
學(xué)校： 北京航空航天大學(xué)

目錄

• 1 背景 3
• 2 方案描述 5
• 2.1 組成模塊 5
• • 2.1.1 中心軸模塊 5
• • 2.1.2 外環(huán)模塊 6
• 2.2 模塊組裝 8
• 2.3 關(guān)于修正 9
• 3 技術(shù)可行性分析 10
• 4 創(chuàng)意度分析 13
• 5 應(yīng)用前景 14
• 6 總結(jié)與展望 15
• 參考文獻(xiàn) 17

1 背景

自古代以來(lái)，人類(lèi)就對(duì)茫茫夜空中這可猩紅色的星球“火星”有過(guò)無(wú)數(shù)幻想，從中國(guó)的“熒惑”到西方的“戰(zhàn)神阿瑞斯”，人們一直對(duì)其著迷不已。隨著科技的發(fā)展，人類(lèi)終于有機(jī)會(huì)得以接近火星，揭開(kāi)她隔在人類(lèi)面前數(shù)千年的神秘面紗，美國(guó)已經(jīng)成功發(fā)射了兩個(gè)火星登陸器和數(shù)個(gè)火星探測(cè)器，我國(guó)對(duì)火星的探測(cè)計(jì)劃也逐步提上日程。但是目前尚且沒(méi)有人登陸過(guò)火星，或許在火星軌道上建立空間實(shí)驗(yàn)室對(duì)火星進(jìn)行長(zhǎng)期的觀察和科學(xué)探測(cè)是個(gè)不錯(cuò)的想法。建立環(huán)火星空間實(shí)驗(yàn)室可以作為登陸火星的前哨站和跳板，遠(yuǎn)道而來(lái)的宇航員可以在空間站內(nèi)進(jìn)行恢復(fù)性訓(xùn)練，然后再登陸火星；科學(xué)家可以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行宇宙環(huán)境下的科學(xué)實(shí)驗(yàn)；同時(shí)空間實(shí)驗(yàn)室還可以作為火星表面探測(cè)的通訊中繼站和指揮中心。

但是這個(gè)想法面臨著諸多困難，其中之一便是，宇航員無(wú)法如此長(zhǎng)時(shí)間的暴露在微重力環(huán)境下。長(zhǎng)時(shí)間暴露在微重力環(huán)境下會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生許多不利影響。例如骨質(zhì)疏松、高血鈣癥、軟組織鈣化、腎結(jié)石等“空間骨丟失”疾病，還有失重肌萎縮、心血管功能降低等疾病都有微重力的原因。上個(gè)世紀(jì)，俄羅斯和美國(guó)的航天工作者都提出過(guò)通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生人工重力的辦法來(lái)防止微重力對(duì)宇航員的不利影響，但是由于經(jīng)費(fèi)和技術(shù)上的原因無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但隨著我國(guó)航天科技的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的繁榮，在不久的將來(lái)，我國(guó)將有能力實(shí)現(xiàn)這個(gè)偉大的設(shè)想。因此，本文將人工重力技術(shù)和我國(guó)的火星探索計(jì)劃結(jié)合起來(lái)，大膽暢想了如何來(lái)實(shí)現(xiàn)在環(huán)火星空間實(shí)驗(yàn)室上實(shí)現(xiàn)人工重力的目標(biāo)，希望能為將來(lái)的火星探索帶來(lái)些許啟發(fā)。

2 方案描述

2.1 組成模塊

2.1.1 中心軸模塊

圖1 主軸模塊示意圖.jpg

中心軸模塊，又叫主軸模塊，是空間實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)中心，它主要有三個(gè)作用：一是將其他模塊（例如外環(huán)各模塊）組合在一起，二是主軸中心的一部分作為登火準(zhǔn)備室；三是作為外來(lái)飛船的對(duì)接入口。

在主軸模塊的中間位置，有四個(gè)接口環(huán)繞主軸一周平均分布，當(dāng)外環(huán)上的固定模塊接近時(shí)，可以根據(jù)遙控指令與外環(huán)模塊進(jìn)行對(duì)接，這樣就將外環(huán)模塊和主軸固連起來(lái)，形成一個(gè)整體，對(duì)接完畢后，接口的閘門(mén)打開(kāi)，主軸內(nèi)部便和外環(huán)的內(nèi)部連接為一體，完成空間站的部署。之后空間站就可以開(kāi)始旋轉(zhuǎn)了。

主軸的中心并不是空的，除了保障空間實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)系統(tǒng)正常運(yùn)行所需要的設(shè)備之外，還有一個(gè)專(zhuān)用房間，宇航員在登陸火星之前要在這個(gè)房間里進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練，因?yàn)樵摲块g位于主軸內(nèi)部，因此人工重力幾乎為零，宇航員在這里訓(xùn)練可以提前適應(yīng)火星上的微重力環(huán)境，以期減輕登陸后的不適應(yīng)癥狀，更快地適應(yīng)火星上的環(huán)境，以利于展開(kāi)工作。

在主軸的端部，有一個(gè)與主軸連接在一起的能夠反轉(zhuǎn)的模塊，它的角速度與主軸大小相等，方向相反，因此該部分可以與外界保持相對(duì)靜止，同時(shí)上面也有一個(gè)接口，便于和外來(lái)的飛船進(jìn)行對(duì)接，通常對(duì)接時(shí)用于人員流動(dòng)或者貨物補(bǔ)給，此時(shí)該端部的作用就是空間站的星港。如果需要對(duì)空間站進(jìn)行功能性擴(kuò)展，可以在飛船對(duì)接完成之后，讓端部模塊的轉(zhuǎn)速逐漸、緩慢地降低至零，最終做到飛船與主軸固連，飛船便成為空間站的一部分了。如果該飛船與空間站對(duì)接的另一端也有一個(gè)類(lèi)似的反轉(zhuǎn)對(duì)接模塊，那么它將代替用于固連的那個(gè)模塊作為新的對(duì)接模塊執(zhí)行功能。

這樣看來(lái)，中心軸模塊是一個(gè)擴(kuò)展性很強(qiáng)的模塊，同時(shí)也是空間站的交通樞紐。

2.1.2 外環(huán)模塊

外圓環(huán)部分是三個(gè)部分中最重要的部分，即環(huán)火星空間實(shí)驗(yàn)室具有重力的部分，主要功能也就是為航天員提供一定的重力，使他們正常生活。

實(shí)現(xiàn)重力

外圓環(huán)部分方案如下：
外圓環(huán)由若干空心組件連接而成，空心組件分為主干組件與支干組件。主干組件有4個(gè)，分別用來(lái)與相應(yīng)的連接部分相連，同時(shí)向順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛲苿?dòng)，產(chǎn)生力矩使空間站繞主軸旋轉(zhuǎn)起來(lái)，產(chǎn)生指向圓環(huán)外側(cè)的慣性力，在空間站中營(yíng)造出模擬重力的環(huán)境。支干組件則互相連接，兩側(cè)與主干組件相連，同時(shí)也提供輔助動(dòng)力，進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整與產(chǎn)生力矩。

主干組件先與連接部分對(duì)接完畢后，支干組件再依次對(duì)接。對(duì)接完畢后，通過(guò)指令打開(kāi)各組件兩側(cè)閘門(mén)，最終使得外圓環(huán)部分完整貫通。該過(guò)程完成后，模擬重力即可就緒。

外圓環(huán)部分是航天員工作生活的場(chǎng)所，因此要重視各組件之間的氣密性以及連接件強(qiáng)度。此外，在緊急情況發(fā)生時(shí)，組件可以關(guān)閉閘門(mén)使該段與其他部分分離，而航天員可以通過(guò)主干組件經(jīng)過(guò)連接部分通道疏散至中心軸。相應(yīng)的，在外圓環(huán)部分均布出艙口，用作緊急逃逸通道。

2.2 模塊組裝

圖 2 支撐組件與中心軸對(duì)接.jpg

組裝過(guò)程總體上分為四個(gè)步驟：

1. 中心軸部分首先進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，保持在軌道上的穩(wěn)定；
2. 連接部分第一批4個(gè)組件分別與中心軸部分的接口對(duì)接，剩余組件依次疊加對(duì)接；
3. 外圓環(huán)部分主干組件與連接部分對(duì)接，支干組件再與主干組件對(duì)接；
4. 整體對(duì)接完成后，外圓環(huán)部分產(chǎn)生力矩，實(shí)現(xiàn)人造重力的產(chǎn)生。

• 注：在以上步驟中逐段檢查艙內(nèi)安全性后，各部件閘門(mén)再依次打開(kāi)，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)環(huán)火星空間實(shí)驗(yàn)室的貫通。

2.3 關(guān)于修正

長(zhǎng)期運(yùn)行難免會(huì)使得空間實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，為了不影響正常工作，需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚＿@里的修正主要包括兩個(gè)方面：軌道修正和轉(zhuǎn)速修正。

首先是軌道修正，由于火星大氣或者空間氣團(tuán)的摩擦等原因，空間實(shí)驗(yàn)室的軌道難免會(huì)發(fā)生偏移，如果不加修正，任其發(fā)展，就會(huì)造成災(zāi)難性的后果。所以我們要進(jìn)行軌道修正，而這也正是我們每個(gè)模塊上的推進(jìn)裝置的另一大作用，每個(gè)模塊的推進(jìn)裝置在模塊組裝完成后都不會(huì)失效，而是接入空間站的中樞控制系統(tǒng)統(tǒng)一管理。當(dāng)空間實(shí)驗(yàn)室的軌道或者航姿稍稍偏離預(yù)設(shè)值時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)就會(huì)控制這些模塊上面的推進(jìn)裝置精細(xì)地修復(fù)它的每一絲偏差，使得空間實(shí)驗(yàn)室的軌道始終保持不變。

其次是轉(zhuǎn)速修正，空間實(shí)驗(yàn)室與外來(lái)停泊的飛船的每一次對(duì)接，都不可避免地會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)室的轉(zhuǎn)速，而適當(dāng)而穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速是實(shí)驗(yàn)室人工重力的保證，因此在每次對(duì)接之后都有必要進(jìn)行轉(zhuǎn)速修正。轉(zhuǎn)速修正的原理與軌道修正基本相同，都是依靠模塊上面的推進(jìn)裝置進(jìn)行修正，不同的是轉(zhuǎn)速修正時(shí)利用推進(jìn)裝置產(chǎn)生繞主軸的力偶來(lái)維持適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，以保障人工重力的穩(wěn)定。

圖 3 組裝完成后的空間實(shí)驗(yàn)室示意圖.jpg

3 技術(shù)可行性分析

本方案中最難以實(shí)現(xiàn)的是如何解決“空間站體積不能過(guò)大”和“空間站旋轉(zhuǎn)半徑過(guò)小會(huì)引起重力梯度”這一對(duì)矛盾。

依靠空間站自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生重力，重力加速度的值多少才合適？最為理想化的方案自然是1個(gè)G，但是這要付出極大的代價(jià)。人工重力的值與旋轉(zhuǎn)半徑和角速度的二次方成正比，所以有三條途徑來(lái)提高人造重力加速度的值：

單純依靠提高角速度。這樣能夠?qū)⒖臻g站設(shè)計(jì)得足夠小，方案更容易實(shí)現(xiàn)，而且經(jīng)濟(jì)成本更低。但是這個(gè)解決辦法的致命弱點(diǎn)在于科里奧利加速度對(duì)宇航員生理狀態(tài)的影響。在地球表面，質(zhì)量為質(zhì)點(diǎn)的重力或重量可以表示為：

重力

式中，g代表地表附近的重力加速度，ω0為地球自轉(zhuǎn)的角速度，R為地球的半徑，r0為質(zhì)點(diǎn)距離地心的距離，v為質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于地球表面的速度。上式的前兩項(xiàng)分別表示地球的引力和自轉(zhuǎn)離心力，為重量的靜力學(xué)成分；第三項(xiàng)表示質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的科里奧利力，為重量的動(dòng)力學(xué)成分。在地球表面，一般情況下，第二三項(xiàng)的數(shù)值極?。ㄏ嗖?×10^4倍），可忽略不計(jì)，不論質(zhì)點(diǎn)是否相對(duì)地球運(yùn)動(dòng)，其重量都基本取決于地球的引力[1]。然而在太空站中，由于角速度增大，科里奧利力增大，量級(jí)已經(jīng)與靜力學(xué)分量相當(dāng)，其影響不可忽略，過(guò)大的科里奧利力可以是航天員罹患運(yùn)動(dòng)病，使航天員無(wú)法正常工作，甚至威脅生命安全。

單純依靠提高旋轉(zhuǎn)半徑。這樣就可以極大地降低旋轉(zhuǎn)角速度，進(jìn)而降低科里奧利力對(duì)航天員的不利影響。例如，將若想用1r/min的角速度產(chǎn)生1G的重力加速度，那么空間站的轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑至少需要893.7m，這種規(guī)模是無(wú)法接受的。因此單純依靠增大旋轉(zhuǎn)半徑是很不現(xiàn)實(shí)的一個(gè)途徑。

同時(shí)調(diào)整旋轉(zhuǎn)半徑和角速度。調(diào)整之前我們需要清楚一些前人提供的數(shù)據(jù)：○1最低有效人工重力（g_min）,○2旋轉(zhuǎn)半徑的下限（r_min）,○3旋轉(zhuǎn)線(xiàn)速度的下限（ω_(r_min )）,○4角速度的上限（ωmax）。根據(jù)Sarkisov，shipov以及stone提出的人工重力設(shè)計(jì)的基本生物醫(yī)學(xué)工程要求[2]，○1g_min≈0.3g,○2r_min≈12m（成員身高180cm），○3ω(r_min )≈12m/s（成員的移動(dòng)速度1.2m/s），○4ω_max≈6r/min。我們假設(shè)12m是一個(gè)可以接受的旋轉(zhuǎn)半徑，旋轉(zhuǎn)角速度定為6r/min，那么，能夠產(chǎn)生的人工重力為

a=rω^2=0.4834m?s(-2)=0.48g

可見(jiàn)這種方法可以在代價(jià)比較小的情況下，滿(mǎn)足人造重力的基本需求，以現(xiàn)在及技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力看來(lái)，這樣的方案是可以實(shí)現(xiàn)的。

4 創(chuàng)意度分析

本方案對(duì)于環(huán)火星探測(cè)器有如下幾個(gè)創(chuàng)造性突破：

1. 目光更為遠(yuǎn)大，在探測(cè)火星過(guò)程中，建造環(huán)火星空間實(shí)驗(yàn)室，為長(zhǎng)期勘測(cè)火星提供便利；
2. 以人為本，將生物醫(yī)學(xué)與航天相結(jié)合，更加注重航天員長(zhǎng)期執(zhí)行任務(wù)時(shí)的身體健康狀況；
3. 對(duì)接規(guī)模上，實(shí)現(xiàn)了大型航天器的分為若干部件的低成本組裝方案，同時(shí)分段隔離措施可以提高航天器的安全可靠性以及后期維護(hù)的便利程度；
4. 中心軸部分由兩個(gè)分通過(guò)軸承連接而成，可以控制獨(dú)立軸的旋轉(zhuǎn)和靜止，方便后期探火飛行器的對(duì)接。

總之，本方案為未來(lái)環(huán)火星探測(cè)器提供了若干創(chuàng)新突破點(diǎn)和思路，對(duì)將來(lái)航天飛行器的發(fā)展作出了一些設(shè)想和建議。并希望在未來(lái)人類(lèi)航天技術(shù)發(fā)展到一定高度后，能夠?qū)崿F(xiàn)本方案中的一些設(shè)想，進(jìn)一步完成人類(lèi)探索宇宙的夢(mèng)想。

5 應(yīng)用前景

隨著我國(guó)的太空探索逐漸向深空進(jìn)發(fā)，宇航員在太空停留的時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)，類(lèi)似于探測(cè)火星等遠(yuǎn)地行星的計(jì)劃也被提上日程。太空中的微重力環(huán)境對(duì)于宇航員的健康有著極大的不利影響，例如，肌肉萎縮、骨骼老化加快、太空病等。人工重力補(bǔ)償能夠有效地降低宇航員罹患上述疾病的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)宇航員在太空中停留的時(shí)間，為我國(guó)的深空探索做好準(zhǔn)備。

6 總結(jié)與展望

在借鑒前人思想的基礎(chǔ)之上，通過(guò)自己的獨(dú)立思考，我們給出了人工重力補(bǔ)償?shù)沫h(huán)火星空間實(shí)驗(yàn)室的初步設(shè)計(jì)方案。

本方案解決了現(xiàn)在空間站所無(wú)法解決的太空微重力問(wèn)題，同時(shí)也利用主軸端部的反轉(zhuǎn)裝置解決了由于空間站旋轉(zhuǎn)所帶來(lái)的對(duì)接困難問(wèn)題，同時(shí)使得空間站可以繼續(xù)利用主軸進(jìn)行擴(kuò)展，滿(mǎn)足了空間站所需要的可擴(kuò)展性。同時(shí)，由于該空間站位于火星軌道，在人類(lèi)在火星上建立永久基地之前，該空間站都將成為人類(lèi)探索火星的前哨站。在登陸火星之前，進(jìn)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間太空旅行來(lái)到火星軌道的宇航員可以在人工重力的環(huán)境下恢復(fù)正常的身體和精神狀態(tài)，同時(shí)在空間實(shí)驗(yàn)室主軸內(nèi)的微重力室進(jìn)行登陸前的適應(yīng)性訓(xùn)練，以便以最好的身體和精神狀態(tài)登陸火星，開(kāi)展工作。如果登陸火星的人員身陷困境，無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行陸上作業(yè)，或者返回器發(fā)生故障，無(wú)法返回地球，那么空間實(shí)驗(yàn)室可以派出救援飛船及時(shí)登陸火星，救回被困人員，避免悲劇的發(fā)生?？傊?，該空間實(shí)驗(yàn)室既可以為即將登陸火星的宇航員做適應(yīng)性準(zhǔn)備，又可以為登陸人員提供支援，增加了火星登陸的安全系數(shù)。隨著我國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，這種空間站一定能在火星的軌道上驕傲地旋轉(zhuǎn)，帶領(lǐng)中國(guó)的火星探測(cè)事業(yè)取得新勝利。

參考文獻(xiàn)

[1] 張立藩. 人工重力的生物醫(yī)學(xué)問(wèn)題：以往工作回顧與面臨的挑戰(zhàn). 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程, 2001, 14(1): 70~74
[2] Shipov AA. Artificial Gravity [M]. In: Nicogossian AE et al, eds: Space Biology and Medicine: Humans in Spaceflight, vol III, Book two, Reston, VA, USA: AIAA, 1996: 349~363