新型载人航天飞行器设计大赛作品
作者： 陈志远 段毓 周航宁 周亮宇
学校： 北京航空航天大学
目录
- 1 背景 3
- 2 方案描述 5
- 2.1 组成模块 5
- 2.1.1 中心轴模块 5
- 2.1.2 外环模块 6
- 2.2 模块组装 8
- 2.3 关于修正 9
- 3 技术可行性分析 10
- 4 创意度分析 13
- 5 应用前景 14
- 6 总结与展望 15
- 参考文献 17
1 背景
自古代以来，人类就对茫茫夜空中这可猩红色的星球“火星”有过无数幻想，从中国的“荧惑”到西方的“战神阿瑞斯”，人们一直对其着迷不已。随着科技的发展，人类终于有机会得以接近火星，揭开她隔在人类面前数千年的神秘面纱，美国已经成功发射了两个火星登陆器和数个火星探测器，我国对火星的探测计划也逐步提上日程。但是目前尚且没有人登陆过火星，或许在火星轨道上建立空间实验室对火星进行长期的观察和科学探测是个不错的想法。建立环火星空间实验室可以作为登陆火星的前哨站和跳板，远道而来的宇航员可以在空间站内进行恢复性训练，然后再登陆火星；科学家可以在实验室中进行宇宙环境下的科学实验；同时空间实验室还可以作为火星表面探测的通讯中继站和指挥中心。
但是这个想法面临着诸多困难，其中之一便是，宇航员无法如此长时间的暴露在微重力环境下。长时间暴露在微重力环境下会对人体产生许多不利影响。例如骨质疏松、高血钙症、软组织钙化、肾结石等“空间骨丢失”疾病，还有失重肌萎缩、心血管功能降低等疾病都有微重力的原因。上个世纪，俄罗斯和美国的航天工作者都提出过通过旋转来产生人工重力的办法来防止微重力对宇航员的不利影响，但是由于经费和技术上的原因无法实现，但随着我国航天科技的发展和经济的繁荣，在不久的将来，我国将有能力实现这个伟大的设想。因此，本文将人工重力技术和我国的火星探索计划结合起来，大胆畅想了如何来实现在环火星空间实验室上实现人工重力的目标，希望能为将来的火星探索带来些许启发。
2 方案描述
2.1 组成模块
2.1.1 中心轴模块
图1 主轴模块示意图.jpg
中心轴模块，又叫主轴模块，是空间实验室的结构中心，它主要有三个作用：一是将其他模块（例如外环各模块）组合在一起，二是主轴中心的一部分作为登火准备室；三是作为外来飞船的对接入口。
在主轴模块的中间位置，有四个接口环绕主轴一周平均分布，当外环上的固定模块接近时，可以根据遥控指令与外环模块进行对接，这样就将外环模块和主轴固连起来，形成一个整体，对接完毕后，接口的闸门打开，主轴内部便和外环的内部连接为一体，完成空间站的部署。之后空间站就可以开始旋转了。
主轴的中心并不是空的，除了保障空间实验室各项系统正常运行所需要的设备之外，还有一个专用房间，宇航员在登陆火星之前要在这个房间里进行适应性训练，因为该房间位于主轴内部，因此人工重力几乎为零，宇航员在这里训练可以提前适应火星上的微重力环境，以期减轻登陆后的不适应症状，更快地适应火星上的环境，以利于展开工作。
在主轴的端部，有一个与主轴连接在一起的能够反转的模块，它的角速度与主轴大小相等，方向相反，因此该部分可以与外界保持相对静止，同时上面也有一个接口，便于和外来的飞船进行对接，通常对接时用于人员流动或者货物补给，此时该端部的作用就是空间站的星港。如果需要对空间站进行功能性扩展，可以在飞船对接完成之后，让端部模块的转速逐渐、缓慢地降低至零，最终做到飞船与主轴固连，飞船便成为空间站的一部分了。如果该飞船与空间站对接的另一端也有一个类似的反转对接模块，那么它将代替用于固连的那个模块作为新的对接模块执行功能。
这样看来，中心轴模块是一个扩展性很强的模块，同时也是空间站的交通枢纽。
2.1.2 外环模块
外圆环部分是三个部分中最重要的部分，即环火星空间实验室具有重力的部分，主要功能也就是为航天员提供一定的重力，使他们正常生活。
实现重力
外圆环部分方案如下：
外圆环由若干空心组件连接而成，空心组件分为主干组件与支干组件。主干组件有4个，分别用来与相应的连接部分相连，同时向顺时针或逆时针方向推动，产生力矩使空间站绕主轴旋转起来，产生指向圆环外侧的惯性力，在空间站中营造出模拟重力的环境。支干组件则互相连接，两侧与主干组件相连，同时也提供辅助动力，进行姿态调整与产生力矩。
主干组件先与连接部分对接完毕后，支干组件再依次对接。对接完毕后，通过指令打开各组件两侧闸门，最终使得外圆环部分完整贯通。该过程完成后，模拟重力即可就绪。
外圆环部分是航天员工作生活的场所，因此要重视各组件之间的气密性以及连接件强度。此外，在紧急情况发生时，组件可以关闭闸门使该段与其他部分分离，而航天员可以通过主干组件经过连接部分通道疏散至中心轴。相应的，在外圆环部分均布出舱口，用作紧急逃逸通道。
2.2 模块组装
图 2 支撑组件与中心轴对接.jpg
组装过程总体上分为四个步骤：
- 中心轴部分首先进行姿态调整，保持在轨道上的稳定；
- 连接部分第一批4个组件分别与中心轴部分的接口对接，剩余组件依次叠加对接；
- 外圆环部分主干组件与连接部分对接，支干组件再与主干组件对接；
- 整体对接完成后，外圆环部分产生力矩，实现人造重力的产生。
- 注：在以上步骤中逐段检查舱内安全性后，各部件闸门再依次打开，最终实现整个环火星空间实验室的贯通。
2.3 关于修正
长期运行难免会使得空间实验室的运动状态发生改变，为了不影响正常工作，需要对其运动状态进行适当的修正。这里的修正主要包括两个方面：轨道修正和转速修正。
首先是轨道修正，由于火星大气或者空间气团的摩擦等原因，空间实验室的轨道难免会发生偏移，如果不加修正，任其发展，就会造成灾难性的后果。所以我们要进行轨道修正，而这也正是我们每个模块上的推进装置的另一大作用，每个模块的推进装置在模块组装完成后都不会失效，而是接入空间站的中枢控制系统统一管理。当空间实验室的轨道或者航姿稍稍偏离预设值时，实验室的运动控制系统就会控制这些模块上面的推进装置精细地修复它的每一丝偏差，使得空间实验室的轨道始终保持不变。
其次是转速修正，空间实验室与外来停泊的飞船的每一次对接，都不可避免地会影响到实验室的转速，而适当而稳定的转速是实验室人工重力的保证，因此在每次对接之后都有必要进行转速修正。转速修正的原理与轨道修正基本相同，都是依靠模块上面的推进装置进行修正，不同的是转速修正时利用推进装置产生绕主轴的力偶来维持适当的转速，以保障人工重力的稳定。
图 3 组装完成后的空间实验室示意图.jpg
3 技术可行性分析
本方案中最难以实现的是如何解决“空间站体积不能过大”和“空间站旋转半径过小会引起重力梯度”这一对矛盾。
依靠空间站自身旋转产生重力，重力加速度的值多少才合适？最为理想化的方案自然是1个G，但是这要付出极大的代价。人工重力的值与旋转半径和角速度的二次方成正比，所以有三条途径来提高人造重力加速度的值：
单纯依靠提高角速度。这样能够将空间站设计得足够小，方案更容易实现，而且经济成本更低。但是这个解决办法的致命弱点在于科里奥利加速度对宇航员生理状态的影响。在地球表面，质量为质点的重力或重量可以表示为：
重力
式中，g代表地表附近的重力加速度，ω0为地球自转的角速度，R为地球的半径，r0为质点距离地心的距离，v为质点相对于地球表面的速度。上式的前两项分别表示地球的引力和自转离心力，为重量的静力学成分；第三项表示质点相对于地球运动时，产生的科里奥利力，为重量的动力学成分。在地球表面，一般情况下，第二三项的数值极小（相差3×10^4倍），可忽略不计，不论质点是否相对地球运动，其重量都基本取决于地球的引力[1]。然而在太空站中，由于角速度增大，科里奥利力增大，量级已经与静力学分量相当，其影响不可忽略，过大的科里奥利力可以是航天员罹患运动病，使航天员无法正常工作，甚至威胁生命安全。
单纯依靠提高旋转半径。这样就可以极大地降低旋转角速度，进而降低科里奥利力对航天员的不利影响。例如，将若想用1r/min的角速度产生1G的重力加速度，那么空间站的转动的半径至少需要893.7m，这种规模是无法接受的。因此单纯依靠增大旋转半径是很不现实的一个途径。
同时调整旋转半径和角速度。调整之前我们需要清楚一些前人提供的数据：○1最低有效人工重力（g_min）,○2旋转半径的下限（r_min）,○3旋转线速度的下限（ω_(r_min )）,○4角速度的上限（ωmax）。根据Sarkisov，shipov以及stone提出的人工重力设计的基本生物医学工程要求[2]，○1g_min≈0.3g,○2r_min≈12m（成员身高180cm），○3ω(r_min )≈12m/s（成员的移动速度1.2m/s），○4ω_max≈6r/min。我们假设12m是一个可以接受的旋转半径，旋转角速度定为6r/min，那么，能够产生的人工重力为
a=rω2=0.4834m∙s(-2)=0.48g
可见这种方法可以在代价比较小的情况下，满足人造重力的基本需求，以现在及技术和经济实力看来，这样的方案是可以实现的。
4 创意度分析
本方案对于环火星探测器有如下几个创造性突破：
- 目光更为远大，在探测火星过程中，建造环火星空间实验室，为长期勘测火星提供便利；
- 以人为本，将生物医学与航天相结合，更加注重航天员长期执行任务时的身体健康状况；
- 对接规模上，实现了大型航天器的分为若干部件的低成本组装方案，同时分段隔离措施可以提高航天器的安全可靠性以及后期维护的便利程度；
- 中心轴部分由两个分通过轴承连接而成，可以控制独立轴的旋转和静止，方便后期探火飞行器的对接。
总之，本方案为未来环火星探测器提供了若干创新突破点和思路，对将来航天飞行器的发展作出了一些设想和建议。并希望在未来人类航天技术发展到一定高度后，能够实现本方案中的一些设想，进一步完成人类探索宇宙的梦想。
5 应用前景
随着我国的太空探索逐渐向深空进发，宇航员在太空停留的时间也越来越长，类似于探测火星等远地行星的计划也被提上日程。太空中的微重力环境对于宇航员的健康有着极大的不利影响，例如，肌肉萎缩、骨骼老化加快、太空病等。人工重力补偿能够有效地降低宇航员罹患上述疾病的风险，延长宇航员在太空中停留的时间，为我国的深空探索做好准备。
6 总结与展望
在借鉴前人思想的基础之上，通过自己的独立思考，我们给出了人工重力补偿的环火星空间实验室的初步设计方案。
本方案解决了现在空间站所无法解决的太空微重力问题，同时也利用主轴端部的反转装置解决了由于空间站旋转所带来的对接困难问题，同时使得空间站可以继续利用主轴进行扩展，满足了空间站所需要的可扩展性。同时，由于该空间站位于火星轨道，在人类在火星上建立永久基地之前，该空间站都将成为人类探索火星的前哨站。在登陆火星之前，进过长时间太空旅行来到火星轨道的宇航员可以在人工重力的环境下恢复正常的身体和精神状态，同时在空间实验室主轴内的微重力室进行登陆前的适应性训练，以便以最好的身体和精神状态登陆火星，开展工作。如果登陆火星的人员身陷困境，无法继续进行陆上作业，或者返回器发生故障，无法返回地球，那么空间实验室可以派出救援飞船及时登陆火星，救回被困人员，避免悲剧的发生。总之，该空间实验室既可以为即将登陆火星的宇航员做适应性准备，又可以为登陆人员提供支援，增加了火星登陆的安全系数。随着我国航天技术的发展，在不远的将来，这种空间站一定能在火星的轨道上骄傲地旋转，带领中国的火星探测事业取得新胜利。
参考文献
[1] 张立藩. 人工重力的生物医学问题：以往工作回顾与面临的挑战. 航天医学与医学工程, 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
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