中国空间站T字构型:约束条件下的最优解

小青爱吃草2021-09-25  64

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本文作者:中国载人航天工程空间站系统总指挥王翔

过不了多久,神舟十三号飞船上天,中国空间站的核心舱和靠泊飞船将共同呈现为一个小型的T字构型。明年两个实验舱发射升空后,整个中国空间站就是一个大大的T字型。昔日远景目标,今天正在开枝生叶。

构型,是指物体以特定的形式、图案或组合构成某事物。这个在自然科学和社会科学里都有的概念,投射至航天领域,特指航天器的形状与结构型式。

大道有形,积厚成器。中国空间站为什么长成这样,T字构型中蕴藏了哪些科学、技术与工程原理?❓❓驱动这个庞然大物的设计思想和使命又是什么?❓❓

今天我们推送的,是继《1+1=1:中国空间站建设的原点》✨后,中国载人航天工程空间站系统总指挥王翔的第二篇专栏。五千字长文,娓娓道来天宫一砖一瓦上凝聚的智慧。

航天器构型原则一:适配天地环境

有人问:科幻电影里的宇宙飞船各种奇形怪状,为什么现实中全世界的航天器有些看上去长得差不多而有些又大相径庭?❓❓

“看上去差不多”,是因为航天器作为飞出地球大气层的空间探索平台,面临许多共同的约束条件。

发射段,运载火箭通常以整流罩对航天器进行防护。在整流罩圆锥加圆柱形的空间约束下,航天器的发射状态是相似的,连SpaceX的星链也得60颗一起组合成一根“大玉米”。

在轨飞行段,没有了大气,航天器的各种设备就可以根据工作需要伸展出来,航天器也因此“大相径庭”。但有一点是相通的:为了使航天器易于运动控制,构型要保证主结构和质量分布尽量对称、紧凑,以获得好的质量特性。

到了着陆段,情况就不一样了。对于地球、火星这样拥有大气层的星球,气动控制、防热等“刚需”决定了着陆飞行器长得比较像,比如神舟飞船和嫦娥返回器这样典型的钟罩加球形底。而对于月球这样没有大气层的星球,仍然可以像嫦娥着陆器、阿波罗登月舱那样,根据各自功能需求进行有棱有角的个性化设计。

航天器构型原则二:满足功能性能要求

航天器是要上天干活的,它所承担的任务很大程度上决定了它的构型。

以形赋意的这一逻辑,典型案例来自载人飞船。载人飞船通常有两舱(密封的载人舱段+非密封的动力舱段)⭐和三舱(密封的轨道舱或多功能舱+密封的返回舱+非密封的动力舱段)⭐两大类构型。作为三舱构型的代表,联盟号飞船研制之初即是为频繁执行天地往返任务进行的设计。

在当时的研制条件下,正常及各种应急情况下的返回技术难度很大,气动外形、热防护、降落伞、着陆缓冲等技术的实现代价相对很大。

最终,联盟号采用的设计策略是:返回部分(实际也是应急救生时依赖的部分)⭐尽可能小,以降低上述各项设计和产品实现的难度,提高返回着陆可靠性。因此,联盟号飞船的返回舱是保证人生存环境、具备返回气动外形及返回着陆基本功能的最小配置;飞行期间,航天员可以到轨道舱获得更舒适的活动空间,交会对接测量设备、对接机构等只有在天上才使用的设备也都配置在轨道舱,返回之前就分离扔掉了,不再占用宝贵的返回重量。三舱构型体现了载人飞船设计的均衡优化,与早期两舱设计的东方号、水星号等相比有很大进步。

最近几年,SpaceX的龙飞船、波音公司的Starliner、洛马公司的Orion以及我国已开展一次试验飞行的新一代载人飞船,构型又都是两舱。不过,此两舱非彼两舱。这几款新飞船都采用了重复使用设计,而在重复使用的前提下,返回部分占比越大越经济。不仅如此,这几款飞船也都兼顾无人飞行时的货运返回,更大的返回舱空间也有利于货物装载。

中国新一代载人飞船试验船返回舱样貌。图片来自航天科技集团五院

三舱还是两舱、各舱占比多少,都取决于飞船的功能和性能要求;舱段布局,同样体现了载人航天的设计思想。

仍以联盟飞船为例,三舱选择“轨-返-推”还是“返-轨-推”构型?❓❓考虑飞船在地面和低空的逃逸需求,返回舱布局在船箭组合体的最顶端是有利的,即“返-轨-推”。

但是,返回舱要保证航天员能够进入轨道舱、且能够与空间站对接,就得在两端开门。返回大底上若开门,在保证密封及返回防热等方面的安全性和可靠性远不如封闭结构。因此,联盟号定型为“轨-返-推”构型,同时将逃逸方案设计为逃逸火箭带轨-返组合体一起飞行、之后以俗称“下蛋”的方式将返回舱单独分离扔下来。

这样做虽然增加了逃逸的重量和机构以及动作复杂性,但保证了每次返回时处于高温迎风面大底的安全可靠。权衡利弊后取舍,代价是值得付出和可以接受的。

航天器构型原则三:保障重要设备在轨工作

天线、帆板、敏感器等重要设备,需要视场无遮挡。因此,在航天器的构型设计中,这些设备应当被布局在航天器几何外形的端部或者其他对天、对地、对目标可视、无遮挡的部位,以便于设备的展开及工作。这是对航天器构型的硬约束。

载人航天器还要为航天员和大型设备创造好的工作条件。因此,空间站上的密封舱通常采用大尺寸圆柱形作为主体构型,好为航天员提供尽可能大的有效活动空间,也可容纳大型试验设备。国际空间站甚至打破常规,以突出于舱段外表面、近似阁楼的形式设计了Cupola穹顶舱。

今天,这个“阁楼”是航天员喜欢待的观察地球的“全景窗”。又因其突出于主结构之外,对空间站自身的观察条件也远优于普通舷窗,Cupola舱在来访飞行器对接空间站时也被用作站上飞行工程师观察和辅助机械臂操作的工位。

空间站特有的建造方式,让三大原则更复杂

空间站由多个飞行器或结构件拼接而成,既要设计单个飞行器的构型,又要统筹在轨组合的整体构型;既充分考虑站本身,还要顾及来访飞行器各种可能的对接形式。

对照前文所述三项原则以及空间站作为多舱段组合体的特殊性,人类历史上的空间站有什么代表性的构型?❓❓这些构型成功吗?❓❓

苏联的和平号空间站,世界上第一个采用多模块积木式构建方式的长期性空间站。整个空间站化整为零,各舱段功能各异、分期发射,在轨进行装配,逐步扩展空间和功能,达到了单舱空间站无法企及的规模和能力。组成和平号的每个飞行器都有独立飞行的能力,对接组装后拥有既可独立、亦可并网的电源。各舱段通过节点舱连接,最终的组合体构型呈辐射状。

和平号以多舱组合体提供了足够大的设备安装空间,通过分期上行配置了再生式的生保设备,解决了多种科学实验及乘员长期驻站的需求;辐射状构型保持了对称紧凑的质量特性,且不影响交会对接和在轨飞行控制,进而保障了舱外天文和对地观测设备的工作。

但是,部分在单舱段阶段正常工作的设备进入组合体状态后,工作受到了影响。影响最显著的是帆板。由于辐射状舱段的相互遮挡,无论何种姿态下帆板的总受晒率都不高,导致整站的发电效率降低。有资料表明,由于相互遮挡,和平号组合体的帆板共损失了40%的发电能力。与帆板的工作条件类似,用于各舱段散热的辐射器也因为几何遮挡而效率降低。

再把视线投向仍在天上飞行的国际空间站。它的前身从上个世纪80年代初即开始论证,各种方案均以桁架为构型主体,桁架的个数、规模、形态及组成方法有所差异。最终方案采用了单桁架挂舱结构,以109米长的桁架结构为承载主体,在其中间部位挂载并拼接所有的密封舱段,桁架与舱段组合体近似呈十字形,桁架两端各配置两对太阳电池翼。

这一构型的优点是很多的:密封舱以飞行方向为主要的扩展拼接方向,有利于来访飞行器的交会对接;桁架垂直于轨道面,两端的太阳翼拉开了足够距离,不仅安装空间不受限,而且运行时相互之间、以及受舱段的遮挡影响很小,桁架上安装的其他设备也能够不受遮挡;桁架还实现了一个独特的功能,配置了机械臂导轨,机械臂甚至航天员可以利用移动基座系统沿导轨运动,变换作业地点。

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