一種新型千米級空間站概念設(shè)計研究

連 亮 李金喜 高 濤 楊傳福

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空與交通工程學(xué)院，江蘇 南通 226007）

目前在軌運行的空間站有兩座：國際空間站和中國的天宮空間站。前者總重420 噸，加壓容積915 立方米，主體結(jié)構(gòu)呈十字形，橫向是綜合桁架，縱向由多個太空艙對接而成。后者基本構(gòu)型呈丁字形，總重60 噸。橫向是兩個實驗艙，縱向是天和核心艙。天宮空間站未來擴展構(gòu)型呈十字形，總重180 噸。[1]國際空間站額定長期駐留6 名宇航員。天宮空間站現(xiàn)階段額定長期駐留3 名宇航員。由于國際空間站和天宮空間站內(nèi)部都是微重力環(huán)境，長期駐留會對人體造成嚴重的、不可逆的傷害。[2-5]出于身心健康方面的考慮，宇航員在現(xiàn)有空間站單次駐留時間在6 個月左右。為了克服太空環(huán)境對人體的負面影響，1969 年普林斯頓大學(xué)教授奧尼爾提出了名為奧尼爾圓筒的空間站方案，1975 年斯坦福大學(xué)提出了名為斯坦福圓環(huán)的空間站方案。奧尼爾圓筒和斯坦福圓環(huán)都計劃建造在地月系拉格朗日點上，并且都借由自轉(zhuǎn)的離心力來模擬重力的作用。因為月球在圍繞地球公轉(zhuǎn)的同時還隨著地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)，所以在地月系拉格朗日點上運行的空間站若是想利用太陽能作為主要能源，就必須不斷地改變方向以便接收太陽輻射。這會給空間站的姿態(tài)控制帶來很大的麻煩。奧尼爾圓筒雖然能給生活在其內(nèi)部的人類提供較為廣闊的活動空間，但其抗風(fēng)險能力較弱，一旦空間站內(nèi)部某一位置出現(xiàn)漏氣或火災(zāi)會影響到整個空間站的安全。斯坦福圓環(huán)計劃使用厚達1.7 米的月球土壤來抵擋太陽風(fēng)暴，月球土壤的重量占整個空間站總重的95%，大量月球土壤的開采和運輸會大大增加空間站建造成本。斯坦福圓環(huán)的軸線垂直于黃道面，其發(fā)電和采光要靠一個巨大的傾斜的平面鏡將陽光反射到發(fā)電區(qū)和圓環(huán)上，旋轉(zhuǎn)的圓環(huán)與靜止的平面鏡相互獨立，兩者如何配合是個大問題。

1 新型千米級空間站的結(jié)構(gòu)方案

本方案包括一個直徑1800 米的分段式環(huán)形艙，十二根長約900 米的輻條，一個對接艙，一個微重力實驗艙，一套蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，一套儲熱系統(tǒng)，一套集熱系統(tǒng)，一組陣列拋物鏡面。分段式環(huán)形艙內(nèi)部充有空氣，既可供動植物呼吸、植物光合作用，又能使充氣式艙室處于膨脹狀態(tài)。輻條安裝在分段式環(huán)形艙和軸線之間，十二根輻條兩兩間隔30°，用于提供向心力以克服空間站自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力；輻條內(nèi)部設(shè)電梯，用于運輸人員和物資往返于分段式環(huán)形艙與軸線上的艙室；輻條外部纏繞線圈通電后產(chǎn)生偶極磁場，用于屏蔽太陽風(fēng)暴和銀河宇宙射線；輻條頂端安裝有離子推進器，用于驅(qū)動空間站自轉(zhuǎn)、調(diào)整空間站姿態(tài)。對接艙分為旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)兩個模塊，其中旋轉(zhuǎn)模塊跟隨輻條及分段式環(huán)形艙一起旋轉(zhuǎn)，非旋轉(zhuǎn)模塊對接載人飛船或貨運飛船。微重力實驗艙可以為空間生物實驗和微重力物理實驗提供所需環(huán)境。陣列拋物鏡面由數(shù)千個柔性反射鏡組成，可將平行的太陽光線匯聚于旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點。集熱系統(tǒng)位于旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點，可將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能。儲熱系統(tǒng)位于旋轉(zhuǎn)拋物面的軸線上，可將熱能以熔鹽的形式儲存起來。蒸汽發(fā)電系統(tǒng)也位于旋轉(zhuǎn)拋物面的軸線上，可利用儲熱系統(tǒng)提供的熱能將水汽化用于驅(qū)動蒸汽輪機發(fā)電。

如圖1 所示，陣列拋物鏡面接受到的太陽輻射等于直徑1800 米的圓內(nèi)接受到的太陽輻射。地球距離太陽1.5 億公里，在這一距離上每平方米接受的太陽能功率為1353 瓦。塔式光熱電站的能量轉(zhuǎn)換效率η 約為17%。根據(jù)公式（1）計算得出：本空間站采用光熱發(fā)電方式可產(chǎn)生約585 兆瓦的電。這一發(fā)電能力高出國際空間站的110 千瓦三個數(shù)量級。

圖1 新型千米級空間站的側(cè)視圖

P=1353ηA=1353×0.17×2543400≈585000000W （1）

如圖2 所示，分段式環(huán)形艙分為十二段，每一段的端部都連接著輻條。輻條的另一端連接軸線。本空間站繞軸線旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生離心力，平衡該離心力的向心力由輻條提供。十二根輻條內(nèi)部設(shè)置電梯，可用于運輸人員和物資往返于分段式環(huán)形艙與軸線上的艙室。十二根輻條外部纏繞線圈。線圈通電后會產(chǎn)生偶極磁場。該磁場可以用于屏蔽太陽風(fēng)暴和銀河宇宙射線。本空間站運行于太陽同步軌道，不受天氣和日夜的影響，可長期接受太陽輻射，無需用核能作為能量來源。本空間站自轉(zhuǎn)時由于陀螺效應(yīng)會使軸線一直對準太陽，這為光熱發(fā)電系統(tǒng)（由陣列拋物鏡面、集熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)電系統(tǒng)組成）的工作提供了有利條件。因為熱能比電能更易儲存，所以光熱發(fā)電系統(tǒng)相比光伏發(fā)電系統(tǒng)具備更強的調(diào)峰能力。[6]即使因為某些原因使得本空間站的軌道發(fā)生漂移，進而導(dǎo)致陣列拋物鏡面不能一直接受太陽輻射，僅憑儲熱系統(tǒng)內(nèi)儲存的熱能也可使本空間站24 小時不間斷發(fā)電。陣列拋物鏡面由數(shù)千個柔性反射鏡組成，其制造和維護成本低于光伏板。這些柔性反射鏡可根據(jù)用電需求調(diào)節(jié)面積。當(dāng)用電量較少時可將部分鏡面沿周向收攏起來以減少集熱系統(tǒng)接受到的太陽輻射量。當(dāng)受到隕石和太空垃圾威脅時，可將全部鏡面沿周向收攏起來以規(guī)避被撞擊的風(fēng)險。

圖2 新型千米級空間站的主視圖

如圖3 所示，分段式環(huán)形艙的剖視圖被隔板分為上下兩層。上層即靠近軸線的一側(cè)，供人類居住生活以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。下層即遠離軸線的一側(cè)，用于儲存物資以及工業(yè)生產(chǎn)。之所以將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)和人類居住區(qū)布置在分段式環(huán)形艙上層，原因有二：一是人類呼出的二氧化碳可以參與植物的光合作用，植物產(chǎn)生的氧氣可以供人類呼吸；二是隔板上的重力加速度大小一致，便于灌溉。本空間站自轉(zhuǎn)速度為一分鐘一圈。根據(jù)公式（2）計算得出：站在隔板上，人感受到的加速度為9.86m/s2，近似地球表面重力加速度。

圖3 新型千米級空間站分段式環(huán)形艙的剖視圖

如圖3 所示，本空間站的軸線始終朝向太陽，分段式環(huán)形艙的左側(cè)一直接受太陽輻射，這為艙內(nèi)采光創(chuàng)造了有利條件。分段式環(huán)形艙上層朝向太陽的一側(cè)設(shè)有電致變色舷窗。該舷窗利用材料在電場作用下發(fā)生可逆光學(xué)變化的特性來模擬地球上的白天或黑夜。分段式環(huán)形艙朝陽面除了舷窗其他區(qū)域可布置柔性太陽能電池，用作本空間站備份電源。分段式環(huán)形艙背陰面設(shè)有散熱系統(tǒng)。該散熱系統(tǒng)先用熱對流方式把本空間站產(chǎn)生的廢熱搜集起來，然后用熱傳導(dǎo)方式把熱量傳給高發(fā)射率材料，最后用熱輻射方式把熱量散向太空。分段式環(huán)形艙有兩種結(jié)構(gòu)方案：一是傳統(tǒng)的剛性艙室，二是充氣式艙室。前者的外殼分為三層，由內(nèi)而外分別是鋁合金、凱夫拉、不銹鋼，這種剛性外殼抵抗隕石和太空垃圾的能力較強。后者主要由防輻射罩和耐壓阻燃蒙皮組成，其重量遠小于前者，并且放氣后的體積遠小于前者，因此便于運載火箭搭載。充氣后艙室體積可突破運載火箭整流罩的限制，達到數(shù)十米的艙室直徑。本空間站分段式環(huán)形艙由8 個充氣式艙室和4 個剛性艙室組成。每兩個剛性艙室之間設(shè)置兩個充氣式艙室。這樣既可以降低運輸難度和建造成本，又可以降低漏氣、火災(zāi)等風(fēng)險。當(dāng)某一艙室發(fā)生漏氣、火災(zāi)時，可關(guān)閉艙室間的閘門以防災(zāi)害升級。當(dāng)受到隕石和太空垃圾威脅時，人員可快速由充氣式艙室轉(zhuǎn)入相鄰的剛性艙室避險。

如圖3 所示，每根輻條頂端安裝有四個離子推進器，這些推進器的噴口在分段式環(huán)形艙的切線上。其中兩個離子推進器可使本空間站加速或減速自轉(zhuǎn)，另外兩個離子推進器可用于調(diào)整本空間站的姿態(tài)。離子推進器的原理是先將氣體電離，然后用電場力將帶電的離子加速后噴出從而獲得推進力。離子推進器的比沖遠大于固體火箭發(fā)動機和液體火箭發(fā)動機，因此更節(jié)省推進劑。離子推進器的缺點是推力小。但對于已經(jīng)在軌并且沒有空氣阻力的本空間站而言，離子推進器可以通過長時間的持續(xù)推進達到需要的自轉(zhuǎn)速度和運行姿態(tài)。

如圖4 所示，對接艙分為旋轉(zhuǎn)模塊和非旋轉(zhuǎn)模塊。旋轉(zhuǎn)模塊跟隨輻條及分段式環(huán)形艙一起旋轉(zhuǎn)。非旋轉(zhuǎn)模塊用于對接載人飛船或貨運飛船，通常不參與本空間站自轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)模塊與非旋轉(zhuǎn)模塊之間設(shè)有滑動軸承，以減少二者間的摩擦力。非旋轉(zhuǎn)模塊邊緣處安裝有兩對離子推進器，推進器的噴口在對接艙的切線上。當(dāng)宇宙飛船與非旋轉(zhuǎn)模塊完成對接后，啟動非旋轉(zhuǎn)模塊上的離子推進器使非旋轉(zhuǎn)模塊達到本空間站的自轉(zhuǎn)速度。然后宇宙飛船內(nèi)的人與貨即可進入本空間站。當(dāng)宇宙飛船與非旋轉(zhuǎn)模塊完成脫離后，啟動非旋轉(zhuǎn)模塊上的離子推進器使非旋轉(zhuǎn)模塊逆向旋轉(zhuǎn)達到非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖4 新型千米級空間站對接艙的示意圖

2 新型千米級空間站的建設(shè)方法

先用大型運載火箭將本空間站軸線上的五個艙室（對接艙、微重力實驗艙、蒸汽發(fā)電系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、集熱系統(tǒng)）發(fā)射至太陽同步軌道。再將環(huán)形艙和輻條分段送入軌道后與軸線上的五個艙室組裝為一個整體，使軸線朝向太陽。第三步將柔性反射鏡卷成筒狀送入軌道后安裝在剛性框架上即可展開為平面。數(shù)千個平面反射鏡布置在特定位置，共同擬合出一個巨大的旋轉(zhuǎn)拋物面。該旋轉(zhuǎn)拋物面能將平行的太陽光線反射到焦點上。位于焦點上的集熱系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能。與集熱系統(tǒng)相鄰的儲熱系統(tǒng)將熱能以熔鹽的形式儲存起來。接下來，蒸汽發(fā)電系統(tǒng)利用儲熱系統(tǒng)提供的熱能將水汽化用于驅(qū)動蒸汽輪機發(fā)電。發(fā)出來的電供給整個本空間站使用。

供電后，釋放一倍標準大氣壓的空氣（78%氮氣、21%氧氣、1%其他氣體）使充氣式艙室達到完全膨脹狀態(tài)，同時啟動輻條頂端的離子推進器使本空間站圍繞軸線自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)周期為60 秒。直徑1800 米的分段式環(huán)形艙在60 秒一圈的自轉(zhuǎn)速度下能產(chǎn)生與地表等同的重力加速度。然后再將水、土壤、動植物、微生物按照地球上的比例搬運至本空間站。當(dāng)貨運飛船與對接艙的非旋轉(zhuǎn)模塊完成對接后，啟動非旋轉(zhuǎn)模塊上的離子推進器使之達到旋轉(zhuǎn)模塊的旋轉(zhuǎn)速度。接下來，將物資經(jīng)由輻條內(nèi)的電梯送往分段式環(huán)形艙以模擬一個微縮的地球生物圈。最后，分批次將宇航員送入本空間站。宇航員可在本空間站內(nèi)長期生存和繁衍，并可開展一系列的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科研工作。其中工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要在分段式環(huán)形艙內(nèi)進行。需要微重力環(huán)境的科研工作可在微重力實驗艙內(nèi)進行。

當(dāng)需要模擬地球上的白天或黑夜時，調(diào)節(jié)電壓以改變分段式環(huán)形艙上的電致變色舷窗的光學(xué)屬性（反射率、透過率、吸收率）。當(dāng)本空間站的軌道發(fā)生漂移或姿態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，啟動輻條頂端的離子推進器使本空間站恢復(fù)設(shè)定的軌道和姿態(tài)。當(dāng)光熱發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，由貼附在分段式環(huán)形艙外表面的光伏發(fā)電系統(tǒng)為本空間站供電。當(dāng)有太陽風(fēng)暴發(fā)生時，給纏繞在十二根輻條外部的線圈通電以產(chǎn)生偶極磁場，利用磁場來屏蔽太陽風(fēng)暴。當(dāng)有隕石或太空垃圾來襲時，將全部柔性反射鏡沿周向收攏起來以規(guī)避被撞擊的風(fēng)險，同時將人員快速轉(zhuǎn)移至剛性艙室避險。除了與地球開展必要的信息交流，本空間站可實現(xiàn)完全的自給自足，建成后無需再從地球補給物資。

3 新型千米級空間站的效果

本方案的效果在于結(jié)合了斯坦福圓環(huán)和光熱發(fā)電站的優(yōu)點，克服了現(xiàn)有空間站失重以及對太陽風(fēng)暴防護能力不足的缺點，既可利用太陽輻射發(fā)電，又能產(chǎn)生人造重力以便宇航員長期生存，還可產(chǎn)生偶極磁場用以屏蔽太陽質(zhì)子事件與銀河宇宙射線。相較于地球這樣體量的行星，本空間站所產(chǎn)生的萬有引力要小得多。航天器往返本空間站所消耗的能量要遠小于往返地球。因此，本空間站適合用作太空旅行的中轉(zhuǎn)站。另外，除了光熱發(fā)電系統(tǒng)，本空間站還有貼附在分段式環(huán)形艙外表面的光伏發(fā)電系統(tǒng)。即使兩套發(fā)電系統(tǒng)中的一套發(fā)生故障，本空間站依然可以維持基本運轉(zhuǎn)不至于危及人員安全。本空間大量采用柔性反射鏡、柔性太陽能電池、充氣式艙室，大大減輕了運輸難度，減少了空間站建造成本。本空間建成后可實現(xiàn)生態(tài)循環(huán)，人員所需的食物、氧氣等物資可實現(xiàn)自給自足，無需再從地球補給。