魔方型深空探測飛行器

趙邦華　高升陽　張佳寧　李晶津

摘 要：隨著世界航天的發(fā)展，深空探測項目將越來越多。文章研究一種新型深空探測器--魔方型深空探測飛行器，即把魔方模塊化、可轉(zhuǎn)動的特點運用到航天器上，從而創(chuàng)造出功能更強大、運用范圍更廣、更廉價的航天器，以滿足未來世界航天發(fā)展的需要。研究這個探測器將為深空探測器的制造提供新的思路，甚至可以帶來航天器概念上的變革。文章將詳細描述該項目，并對其創(chuàng)新性、可行性、以及運用前景進行分析。

關鍵詞：深空探測；飛行器；魔方；模塊

1 背景及意義

隨著天宮一號和神舟八號對接成功，我國邁出了空間探索的又一大步，為了滿足以后深空探測的需要，以及為未來建造星際飛船打下基礎，現(xiàn)在設計一種模塊化、可轉(zhuǎn)動、多功能、多用途、可回收的深空探測飛行器：魔方型深空探測飛行器。

研究這個探測器將為深空探測器的制造提供新的思路，甚至可以帶來衛(wèi)星概念上的變革。

2 方案描述

2.1 總體描述

魔方，智力游戲界的三大不可思議之一，具有很多空間上的變化優(yōu)點，據(jù)專家估計一個三階魔方所有可能的圖案構成約為4.3×10^19種，所以，為什么不將魔方和衛(wèi)星結合起來，制造出功能更強大的衛(wèi)星？或深空探測器？

魔方型深空探測飛行器的創(chuàng)意靈感來源于魔方，將探測器設計成為3階魔方或者4階（或更高階）魔方的形狀，每個探測器由26個或56個方塊組成（可以更多），讓每個方塊各自分工，共同協(xié)調(diào)，從而高效的完成深空探測任務。

2.2 魔方介紹

為了便于后面描述方便，現(xiàn)在以三階魔方為例，補充魔方塊的概念。（如圖1魔方塊的概念）

中心塊：中心塊與中心軸連接在一起，共六個，中心塊的相對位子是不會改變的。

棱塊：塊的表面是兩個正方形，共十二個。

角塊：塊的表面是三個正方形，共八個。

圖1 魔方塊的概念

2.3 方案具體描述

魔方型深空探測飛行器由核裂變反應堆、推進系統(tǒng)、燃料存儲系統(tǒng)、應用系統(tǒng)和整體控制系統(tǒng)五大系統(tǒng)組成。（如 圖 2魔方型深空探測飛行器示意圖）

圖2 魔方型深空探測飛行器示意圖

核反應堆位于整個魔方型深空探測飛行器中心，成球形。推進系統(tǒng)的六個矢量噴口安裝在六個中心塊上。應用系統(tǒng)是八個角塊，角塊的里面或外面安放有應用載荷。剩下的十二個棱塊用于儲存燃料，形成燃料儲存系統(tǒng)。整體控制系統(tǒng)內(nèi)設于核反應堆周圍和各個塊之間，用于控制各個其他系統(tǒng)的工作，并形成封閉結構。

各個系統(tǒng)不同分工，相互協(xié)調(diào)，共同完成深空探測任務。下面簡要描述每個系統(tǒng)的分工。

核裂變反應堆：提供推進、飛行姿態(tài)控制、應用系統(tǒng)控制，魔方的變換和重組所需的所有能量。

推進系統(tǒng)：提供推力和一定的姿態(tài)控制。

燃料存儲系統(tǒng)：提供并儲存推進劑。

應用系統(tǒng)：安放所有應用載荷和實驗平臺。

整體控制系統(tǒng)：（1）控制核反應堆反應速度。（2）控制推進系統(tǒng)的推進方向和姿態(tài)控制。（3）控制燃料存儲系統(tǒng)提供的推進劑質(zhì)量。（4）控制應用系統(tǒng)載荷的釋放與收回。（5）完成魔方塊的轉(zhuǎn)動和模塊的重組，必要時分離魔方塊，并可以完成魔方塊的替換與組裝。

下面具體描述各個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。

深空飛行時，核反應堆中核子的裂變產(chǎn)生大量熱能，整體控制系統(tǒng)將燃料存儲系統(tǒng)儲存的推進劑（如液態(tài)氫）注入，推進劑會受熱迅速膨脹，然后從推進系統(tǒng)的矢量噴管尾部高速噴出，產(chǎn)生推力，整體控制系統(tǒng)的控制器通過計算機程序設定六個矢量噴管的噴出流量，用這種方法來控制飛行器在宇宙空間的飛行方向和前進加速度，而矢量噴管可以控制穩(wěn)定性，增加可控性。

燃料存儲系統(tǒng)有十二個棱塊，當有一個棱塊里的燃料用完時，這個棱塊就失去了作用，可以選擇分離該棱塊，從而減少飛行器重量；也可以選擇保留棱塊，等待飛行到下一個空間站補給燃料。

應用系統(tǒng)的八個角塊提供應用載荷和實驗平臺，如天線，照相機，探測器，機器人還有武器等等。飛行時，各種載荷收回在角塊里面，以保護載荷。執(zhí)行任務時，角塊的保護殼打開，放出各種載荷，并開始工作。必要時，可根據(jù)需要將載荷外置于角塊上，比如通訊系統(tǒng)。

整體控制系統(tǒng)實現(xiàn)最關鍵的操作步驟，也是魔方型深空探測飛行器最大的亮點，即魔方式的變換方式。整體操作系統(tǒng)由基礎支架、電傳操作平臺、超級計算機和耦合連接系統(tǒng)組成，超級計算機控制探測器的電傳操作平臺，電傳操作平臺控制基礎支架和耦合連接系統(tǒng)，使其轉(zhuǎn)動。各個魔方塊的位置受魔方的轉(zhuǎn)動而改變，這樣就能讓各種載荷移動到需要的工作位置上。必要時，整體控制系統(tǒng)可控制耦合連接系統(tǒng)向探測的星球發(fā)射角塊，來收集數(shù)據(jù)，而不必自己整個撞向星球（如：嫦娥2號），如果有的設備損壞，整體控制系統(tǒng)的超級計算機接收地面控制中心的命令，控制耦合連接系統(tǒng)，分離裝載該設備的角塊，從而減輕重量，也可以不分離，等待回到空間站修復。（如圖3整體控制系統(tǒng)工作圖）

2.4 具體任務

下面通過一個具體例子來說明魔方型深空探測飛行器的創(chuàng)新性和優(yōu)點。

在一次木星探測任務中，魔方型深空探測飛行器從空間站出發(fā)。在太空飛行過程中，除了通訊系統(tǒng)，其它載荷都收回在角塊里，從而避免了如宇宙射線、太陽風對載荷的破壞。飛行過程中有的棱塊的燃料已用完，這時探測器分離了該棱塊以減輕重量。雖然這次主要執(zhí)行木星任務，但當探測器飛過火星時，向火星分離發(fā)射了一個角塊，同時探測火星。到達木星后，探測器根據(jù)預先設定的程序，釋放出載荷并不斷轉(zhuǎn)動魔方塊，使載荷工作效率最大化。任務結束前，探測器向木星發(fā)射了幾個角塊用于收集數(shù)據(jù)，同時還分離了幾個角塊作為木星的衛(wèi)星，用于長期觀測。重量大幅度減輕了的探測器利用剩余的燃料飛回最近的空間站，準備下一個任務。

3 技術原理及可行性分析

魔方型深空探測飛行器對技術要求中等偏上，是現(xiàn)有的各種航空、航天技術的優(yōu)化排列組合，只有個別技術尚未成熟，整體技術可行，在未來應該能夠?qū)崿F(xiàn)。

3.1 總體技術原理和可行性分析

首先是最關鍵問題——整體控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，魔方型深空探測飛行器能不能實現(xiàn)其最大優(yōu)點，關鍵就是要設計出合理的整體控制系統(tǒng)。

整體操作系統(tǒng)由基礎支架、電傳操作平臺、超級計算機和耦合連接系統(tǒng)組成（如圖4整體操作系統(tǒng)）。

圖4 整體操作系統(tǒng)

基礎支架為六個連接在球形核反應堆上的桿，并在另一側(cè)連接六個中心塊。耦合連接系統(tǒng)使每個魔方塊與球形核反應堆連接，并通過機械設計使各個魔方塊之間有一定的連接。魔方塊與球形核反應堆通過電磁力或庫侖茲力耦合。連接時，核反應堆外殼通過電磁力或庫侖茲力吸引魔方塊的連接鍵。轉(zhuǎn)動時，核反應堆外殼上電磁場的分布改變，控制魔方塊的連接鍵移動，連接鍵通過電傳操作平臺帶動魔方塊轉(zhuǎn)動，完成魔方變換，而反應堆外殼上的電磁分布由超級計算機的程序控制，通過不同的程序設定不用的轉(zhuǎn)換。當需要分離魔方塊時，讓對應連接鍵的電磁力由吸引力變位排斥力，再切斷這個魔方塊與其他魔方塊之間的連接，即可分離該魔方塊。超級計算機內(nèi)置與魔方塊內(nèi)的空隙之間，并由基礎支架支撐和連接。電傳操作平臺在各個桿系的內(nèi)部，也由超級計算機控制，利用電傳操作平臺控制轉(zhuǎn)動基礎支架和耦合連接系統(tǒng)連接的魔方塊，可以實現(xiàn)對每個魔方塊的轉(zhuǎn)動，考慮只轉(zhuǎn)動探測器上的上層或下層會因為力矩作用而使探測器旋轉(zhuǎn)，所以每次轉(zhuǎn)動上層或下層的時候都是對稱操作的，即如果要讓最上層順時針轉(zhuǎn)動，則最下層要同時逆時針轉(zhuǎn)動，而中層轉(zhuǎn)動則由于對稱性不需要考慮這個問題。隨著納米技術和超級計算機的發(fā)展以及超導技術的應用，整體操作系統(tǒng)可以完成更加復雜的任務。

其次是重量問題，這種探測器重量設計在10～15噸左右，因為重量太小不能攜帶足夠的燃料，而重量太大對運載火箭的要求很高，我國正在研制的CZ-5運載火箭在將來正好滿足這個重量的載荷。設計該探測器將攜帶4噸的燃料，3噸的核反應堆和噴管，2噸的操作裝置以及1～5噸的應用載荷（魔方塊外殼的重量包括在內(nèi)）。考慮到宇宙核推進在未來的應用還需要一段時間，可以把核反應堆替換為常規(guī)發(fā)動機，雖然航程有所縮短，但這樣并沒有影響魔方型深空探測飛行器最大的優(yōu)點。

然后再考慮探測器的材料問題和噴管問題。這種探測器對于材料沒有太高的要求，利用現(xiàn)在的衛(wèi)星或深空探測器的材料即可，也可以用新型碳纖維材料制作，從而減小探測器的重量。而矢量噴管技術已成熟應用在戰(zhàn)斗機上，宇宙探測器也將會很快實現(xiàn)。

最后，是探測器核反應堆的實現(xiàn)。人類已經(jīng)在核潛艇和核航空母艦上應用了可控核裂變技術。但是太空探測器在外太空沒有介質(zhì)，只有利用自帶的物質(zhì)，多以采用液氫作為核動力火箭的工作物質(zhì)可能是很好的解決方案，液氫已是最常用的火箭燃料之一，火箭攜帶液氫基本上沒有技術難點，魔方塊攜帶液氫也一樣。前蘇聯(lián)已經(jīng)發(fā)射了很多成功的核動力衛(wèi)星，美國也成功發(fā)射了"新地平線"號核動力探測器，所以核動力探測器在未來將成為空間探測器的主流。但是核動力探測器還在研制但中，目前可以用常規(guī)火箭發(fā)動機代替核反應堆。

3.2 制造生產(chǎn)可行性分析

這種探測器將這樣設計制造：在全國各個地區(qū)負責專業(yè)生產(chǎn)核反應堆、操縱系統(tǒng)、各種載荷、噴管和魔方塊，然后集中運往裝配中心組合安裝。安裝時，將核反應堆和操縱系統(tǒng)組合形成基礎支架，再將超級計算機組裝在基礎支架上，最后將安裝了專屬系統(tǒng)的魔方塊，通過耦合連接系統(tǒng)把魔方組裝起來，形成具有封閉結構的魔方形狀。這樣的生產(chǎn)方式無需巨型起落架設施，操作簡單，可實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。運輸各個模塊將非常方便，利用火車可以把模塊運向我國任何一個裝配中心，將來可以利用飛機運輸。

4 應用前景分析

魔方型深空探測飛行器將是未來新型空間探測器，其兩大特點：模塊化、可變形，將改變傳統(tǒng)探測器或衛(wèi)星的概念，在未來的應用前景很大。

4.1 應用前景分析

這種高通用性和多功能的探測器可以滿足大部分深空探測任務。因為其模塊化特點，航天大國可以建立其流水生產(chǎn)線，將這種探測器標準化、工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，不同國家負責不同的模塊生產(chǎn)，然后出口其他國家，進一步增進國際航天合作，讓航天技術得以進一步發(fā)展，在未來擁有非常巨大的市場，其潛力是無法估量的。在未來，這種探測器的組裝和維護將非常方便，只要將其工業(yè)化生產(chǎn)，就能很成熟的組裝生產(chǎn)這種探測器。維護也是如此，因為其可以在空間站上更換模塊，因此其在未來可能將會引起空間站建造的熱潮，各國會為了爭奪第一個空間補給站而展開航天科技競賽，這對國際航天事業(yè)的發(fā)展有很大的促進作用（如圖5空間站補給）。

在技術成熟到一定階段后，這種探測器可組建成為多功能模塊化的空間站，這種新型空間站不僅擁有超強的續(xù)航能力，而且又具有更強的功能和靈活性，從而改變空間站的概念，發(fā)展出下一代空間站。

模塊化還有一個應用就是編隊飛行，可以讓每個模塊都是一個小衛(wèi)星，各自完成不同的功能。在探測器探測星球時，逐個分離出小衛(wèi)星，形成編隊飛行，各個小衛(wèi)星之間通過無線電緊密聯(lián)系，這樣可以模擬空間大規(guī)模的天線，實現(xiàn)遠距離通信，或則對地的相控陣掃描。這個概念也是國際上研究的熱點，如美國的F6項目。

圖5 空間站補給

如果利用好這種探測器可變形的特點，將帶來航天探測器概念上的改變。可變形的最大優(yōu)點是可以完成更加復雜的探測任務，因此魔方型深空探測飛行器可以取代很多特殊任務探測器。

首先其可以取代載人飛船和空間站，因為只要魔方塊足夠大，就可以利用魔方塊載人，并裝載實驗室，而魔方塊的轉(zhuǎn)動可以讓航天員根據(jù)需要選擇不同的實驗室，因為只需使裝載實驗室的魔方塊轉(zhuǎn)動到載人魔方塊旁邊。如果發(fā)生緊急情況，用于逃生的魔方塊將馬上轉(zhuǎn)動到載人魔方塊旁邊，提高逃逸成功率。

其次，這種探測器在未來可以取代一些未來新型深空探測器，比如太陽帆。試想，在某幾個魔方塊的內(nèi)部存放折疊的太陽能電池板，當有光照射探測器時，超級計算機可以通過分析光的入射角，設計出一種轉(zhuǎn)動程序，讓魔方經(jīng)轉(zhuǎn)動后，使存放折疊太陽能電池板的魔方塊集合于一個面上，然后打開外殼放出太陽能電池板，最后一同展開太陽能電池板，形成一個大平面，從而變成太陽帆，而平面的姿態(tài)控制是太陽帆不能實現(xiàn)的功能。

最后這種探測器在未來可能發(fā)展出一種新型軍事戰(zhàn)斗機器，因為每個魔方塊可以存放不同的武器，轉(zhuǎn)動魔方塊使裝載武器的魔方塊移動到發(fā)射位置，又可以分離釋放武器后的魔方塊或受損的魔方塊。甚至如果未來技術足夠強大，是魔方塊可以忽然拆分又重組，只要有導彈飛向探測器，魔方塊馬上分離擴散成為很多小模塊，導彈要么從間隙飛過，要么只擊中其中一小塊模塊，之后魔方塊再重組，還原為原來的形狀，實現(xiàn)其在軍事上的一個應用，這也可能成為未來太空戰(zhàn)爭的主要思想。

4.2 國外發(fā)展趨勢分析

這種探測器魔方式的變換方式在目前國際上還沒有出現(xiàn)，這種技術的出現(xiàn)將解決了很多空間探測器的弊端：不夠靈活、沒有模塊化和功能單一。如果這種技術能得到應用，將來其它國家將會發(fā)展出新型魔方探測器（如圖6未來魔方探測器設想圖），完成更復雜的變換方式。

圖6 未來魔方探測器設想圖

魔方型深空探測飛行器在國外在未來相當一段時間內(nèi)應該是非常完美的深空探測器。因為國際空間站已經(jīng)建成，以后還會有更多的空間驛站建成，如果魔方型深空探測飛行器得到應用，那么只要在空間站加注氫燃料，那么那種飛行器就可以重復使用，而且更可觀的是，只要空間站存儲有不同的模塊，魔方型深空探測飛行器就可以來更換這些模塊，完成各種任務，實現(xiàn)模塊化、多功能和多用途的特點。這樣不僅可以節(jié)省大量經(jīng)費，還可以縮短深空探測器的任務周期，是很多航天大國，如美國和蘇聯(lián)，夢寐以求的深空探測器。

現(xiàn)在國際上普遍認為下一代宇宙飛行器必須利用新能源，如：核能、反物質(zhì)和太陽能。研究魔方型深空探測飛行器也可以帶動核動力探測器的發(fā)展，發(fā)展核驅(qū)動技術，為未來建造宇宙飛船打下基礎。

4.3預期產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和社會效益

（1）縮短衛(wèi)星生產(chǎn)周期，減少生產(chǎn)成本，使其產(chǎn)業(yè)化。（2）使衛(wèi)星技術國際化和工業(yè)化，有利于管理。（3）普及衛(wèi)星技術，帶動航天技術的發(fā)展，造福于人類。

5 創(chuàng)意度分析

5.1 可變形

魔方型深空探測飛行器最大的創(chuàng)新點是可變形，魔方的轉(zhuǎn)變方式?jīng)Q定了其很適合完成復雜的空間探測任務，因為它的六個面是等價的，所以不受飛行姿態(tài)的影響，只要通過計算機設定的程序，就能變換出合適的飛行姿態(tài)，完成其它探測器不能完成的任務：（1）設備的移動：可以根據(jù)探測需要，將衛(wèi)星的不同模塊變化到同一個表面，來增強某一方向的能力。比如：在某一方向需要增強對地通信能力，可以將兩個模塊（可以更多）轉(zhuǎn)到同一個面上來。也可以根據(jù)探測需要，將衛(wèi)星的相同模塊變化到不同一個表面。比如：需要一個對地通信，一個對月通信，轉(zhuǎn)到兩個不同的表面。（2）設備的備份：由于魔方的結構可重構，就可以將備份的設備放在別的不重要的表面，如果需要的時候，再轉(zhuǎn)動到工作需要的位置。（3）姿態(tài)控制：由于魔方可以轉(zhuǎn)動，就能實現(xiàn)姿態(tài)控制，可以將六個面的發(fā)動機更換為只在一個面上設置發(fā)動機，如果其他面需要推力，轉(zhuǎn)動魔方就可以實現(xiàn)了。這樣可以節(jié)約成本和空間，而不需要一般的反作用輪了。

5.2 模塊化

模塊化的組裝方式在目前的深空探測器中算得上首創(chuàng)，模塊化也是魔方型深空探測飛行器最大的創(chuàng)新點之一，這個特點和可變形成為這種探測器最大的創(chuàng)新。模塊化有如下創(chuàng)新：（1）多功能：可以根據(jù)不同需要，選擇相應的功能模塊，集成在探測器上，完成以往需要不同衛(wèi)星或探測器來執(zhí)行的觀測制導任務，僅以一種探測器就能高效完成多種任務（如圖7在宇宙驛站更換模塊）。（2）標準化：模塊化的特點使得這種探測器可以工業(yè)標準化，這將提高航天探測器的生產(chǎn)率，使組裝和維護更容易，并帶動航天產(chǎn)業(yè)，增加航天器的聯(lián)系。比如，增加空間站的利用率。（3）可分離、可安裝：因為模塊化的創(chuàng)新，這種探測器可以分離無用魔方塊，減輕多于的重量；也可同時探測多顆星球，因為每個探測器上有八個不同的應用模塊（可以更多），也就可以向八個不同星球發(fā)射八個不同的應用模塊，實現(xiàn)多任務功能；可安裝，使種探測器可以隨時更換魔方塊，實現(xiàn)重復利用。

圖7 在宇宙驛站更換模塊

5.3 其他創(chuàng)新點

（1）八個角塊的設計巧妙的將儀器設備與宇宙空間隔離，延長了探測器的壽命。（2）驅(qū)動裝置（包括燃料儲備快）在整個航天器外圍，之間是應用模塊，這種封閉式的設計增加了主體安全系數(shù)。（3）利用核能作為能源，探測器不再需要太陽能面板，比傳統(tǒng)探測器更靈活。又因為不受陽光的限制，該探測器比傳統(tǒng)探測器探索的宇宙空間范圍更廣。（4）魔方型深空探測飛行器各個模塊可以在各個地區(qū)專業(yè)生產(chǎn)，然后集中在裝備中心組裝，無需巨型起落架設施，節(jié)省大量人物力。

5.4 魔方型深空探測飛行器與嫦娥二號的簡要比較

為了進一步分析魔方型深空探測飛行器的創(chuàng)新度，下面通過一個具體案例分析魔方型深空探測飛行器與嫦娥二號的簡要比較（如圖 8 魔方型深空探測飛行器與嫦娥二號的簡要比較）：

在執(zhí)行一次探月任務中，嫦娥二號由運載火箭運載到預定軌道，開始了奔月之旅，魔方型深空探測飛行器則在空間站加注燃料，更換探月模塊之后，直接從太空出發(fā)。經(jīng)過幾天的飛行，這兩個探測器終于都到達了月球軌道，嫦娥二號開始了工作：太陽能面板展開、天線對地通信、探測儀器對準月球表面，可是由于飛行環(huán)境的影響，以上功能同步進行的時間很少：到達月球背面的時候?qū)⒊霈F(xiàn)通訊中斷，而到了月球正面將不能接受光能，而魔方型深空探測飛行器通過適當?shù)淖儞Q延長了所有功能同步實現(xiàn)的時間，而且不需要光能。經(jīng)過幾天的月球探測探測之后，嫦娥二號最后撞擊月球，通過自我犧牲來獲得數(shù)據(jù)，而魔方型深空探測飛行器將安裝有數(shù)據(jù)采集器的幾個模塊朝向月球分離，分離的模塊完成了數(shù)據(jù)采集任務，探測器利用剩余的燃料飛向空間站補給，等待下一個深空探測任務。

圖8 魔方型深空探測飛行器與嫦娥二號的簡要比較

參考文獻

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