深空探測重力模擬飛行器方案設(shè)想

楊自鵬，張 群，東華鵬，杜大程，毛宇飛

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076;2.北京航天愛銳科技有限責(zé)任公司，北京 100176)

0 引言

隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，人類認(rèn)識太空的手段越來越豐富，探索宇宙奧秘的步伐穩(wěn)步推進(jìn)，不斷提升人類進(jìn)入太空的能力，有利于促進(jìn)對太陽系及宇宙的形成與演化等重大科學(xué)問題的研究，有利于推動(dòng)空間技術(shù)的跨越式可持續(xù)發(fā)展。載人深空探測的未來發(fā)展包括4個(gè)可能的發(fā)展方向：探索火星、加速太空旅行、月球定居和星際航行探索。上述發(fā)展方向中，深空探測飛行器復(fù)雜程度將越來越高，規(guī)模也越來越大，天基系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)需要人參與的程度越來越深，譬如航天員參與完成大型航天器的在軌組裝，負(fù)責(zé)航天器日常打理等服務(wù)支持等。而航天員在零重力環(huán)境下的工作、操作是難點(diǎn)，航天員生理健康狀況將嚴(yán)重制約其在軌服務(wù)時(shí)間。為解決零重力環(huán)境對航天員生理健康的影響，建立適應(yīng)人類生理的天基系統(tǒng)則是航天技術(shù)下一步發(fā)展的大戰(zhàn)略。本文提出了一種通過人造重力來模擬地球重力場環(huán)境的深空探測飛行器，重力模擬系統(tǒng)的建立將使得人在天基系統(tǒng)中的工作、生活與地面無異，大大延長在軌駐守時(shí)間，為更遠(yuǎn)的深空探測提供必要保障。

1 重力模擬飛行器研究背景

1.1 失重環(huán)境對人的影響

載人深空探測任務(wù)中失重環(huán)境是最重要的環(huán)境因素之一，對長期在軌航天員生理的影響一直是航天醫(yī)學(xué)重要的研究方向，地面上為研究失重對人機(jī)體的影響一般通過彈射座椅、升降梯或飛機(jī)快速俯沖后立即拉升等方式實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。失重將對航天員的健康產(chǎn)生一系列影響，例如頭痛、心臟收縮、骨密度下降、肌肉退化、眩暈和視力下降等。根據(jù)從國際空間站返回的航天員身上提取的數(shù)據(jù)，肌肉和骨骼退化是航天員在太空面臨的最大問題之一。美國國家航空航天局(NASA)的記錄顯示，有的航天員在抵達(dá)國際空間站的短短11天內(nèi)，肌肉質(zhì)量萎縮約20%。此外，航天員生活在失重環(huán)境中，他們的體液也會(huì)受到顯著影響，體液會(huì)重新分布，血壓調(diào)節(jié)變小將導(dǎo)致心臟功能退化；失重還會(huì)導(dǎo)致骨骼內(nèi)的鈣流失，骨重大概損失1%/月，免疫系統(tǒng)也將受到一定程度減弱，不再積極應(yīng)對感染。直觀上可以看出，這一切對人體的不利影響均是由于失重的影響，因此可尋求消除失重、模擬地球重力的策略來幫助航天員保持身體健康。

圖1 利用飛機(jī)制造失重環(huán)境Fig.1 Created weightlessness by airplane

1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展

為了能夠讓航天員長期健康地執(zhí)行空間站在軌服務(wù)或深空探測任務(wù)，國外在重力模擬飛行器方面有著大量而廣泛的研究。NASA在1953年設(shè)計(jì)了一個(gè)76 m長、采用尼龍材料的可充氣圓環(huán)形空間站，飛行器以3 r/min的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)可以產(chǎn)生0.3的人造重力，在1975年人造重力測試報(bào)告中認(rèn)為半徑為1.8 km的Stanford圓環(huán)形結(jié)構(gòu)最具有可行性，如圖2所示。NASA曾設(shè)計(jì)過通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生人造重力飛行器的雛形——六邊形可充氣旋轉(zhuǎn)空間站設(shè)想，于1989年提出了火星探測自旋空間飛行器概念，如圖3所示。1969年的空間站概念，從阿波羅計(jì)劃的各個(gè)階段組裝到軌道上，空間站在其中心軸上旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生人造重力，如圖4所示。Kent Joosten設(shè)計(jì)了56 m半徑的人造重力飛行器，以核電為動(dòng)力進(jìn)行推進(jìn)，當(dāng)飛行器以4 r/min的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，飛行器生活艙可產(chǎn)生1重力，如圖5所示。1971 年英國行星學(xué)會(huì)的報(bào)告提到由一系列圓柱形太空艙構(gòu)成的“太空基地”，人造重力可達(dá)地球重力的1/2，如圖6所示。之后Zach Barbeau提出了基于可充氣梁(Arm-strong)的重力模擬概念飛行器，圖7所示為宇航員乘坐重力模擬飛行器探索火星的效果圖。

圖2 可充氣圓環(huán)形空間站Fig.2 Inflatable circular space station

圖3 火星探測自旋飛行器Fig.3 Spin spacecraft of Mars exploration

圖4 NASA重力模擬空間站Fig.4 Gravity simulated space station of NASA

圖5 核電推進(jìn)旋轉(zhuǎn)飛行器Fig.5 Nuclear powered rotating spacecraft

圖6 太空基地重力模擬艙Fig.6 Gravity simulator in space base

圖7 重力飛行器火星探測Fig.7 Mars explorationby gravity simulator

2011年開始，Oklahoma State University 開展了基于充氣式支撐臂結(jié)構(gòu)的人造重力模擬系統(tǒng)研究，并進(jìn)行縮比模型的地面試驗(yàn)，如圖8所示。美國的Space Island Group(太空島集團(tuán))打算利用美國航天飛機(jī)的12個(gè)大型外置燃料罐(每個(gè)直徑8.4 m，長48 m)連接成環(huán)狀的太空旅館，以1.7 r/min的轉(zhuǎn)速模擬1/3的地球引力，計(jì)劃在600 km 高的近地軌道上建設(shè)，如圖9所示。

圖8 地面失重環(huán)境縮比試驗(yàn)Fig.8 Shrinkage test in weightless environment on the ground

圖9 微重力體驗(yàn)太空旅館計(jì)劃Fig.9 Microgravity experience of the space hotel program

我國已完成神舟飛船與天宮飛行器的載人交會(huì)對接飛行試驗(yàn)，全面突破和掌握了交會(huì)對接飛行技術(shù)，標(biāo)志著神舟載人飛船實(shí)現(xiàn)了載人天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的全部功能，具備了為載人近地軌道飛行器運(yùn)送航天員的能力，開始進(jìn)入應(yīng)用服務(wù)階段。交會(huì)對接技術(shù)可為重力模擬飛行器的在軌組裝提供技術(shù)支撐。國內(nèi)針對空間飛行器重力模擬系統(tǒng)的研究較少，關(guān)于零重力環(huán)境對儀器設(shè)備，對航天員生理健康、飲食起居等的影響已開展適應(yīng)性的研究。

國外重力模擬飛行器方案基本都有圍繞中央軸旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)體由繩系柔性連接或桁架結(jié)構(gòu)剛性連接,通過自旋或互旋的方式產(chǎn)生一定的離心加速度模擬地球重力環(huán)境。隨著論證的深入，國內(nèi)外加強(qiáng)了人造重力對人機(jī)體影響及生物再生生命保障系統(tǒng)的研究，預(yù)計(jì)未來重力飛行器功能越來越健全，規(guī)模也越來越大，將滿足長期在空間生活、科研需要，更適合人類生活居住，是航天向深空化發(fā)展的必經(jīng)之路。

2 重力模擬飛行器方案設(shè)想

2.1 重力模擬原理及意義

深空探測重力模擬飛行器基本原理是通過多個(gè)飛行器單獨(dú)發(fā)射入軌,利用交會(huì)對接技術(shù)完成在軌組裝后，通過動(dòng)力系統(tǒng)工作使其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心加速度，從而實(shí)現(xiàn)地球重力的模擬。為了方便表述，以兩個(gè)飛行器自旋模式為例進(jìn)行闡述。

重力模擬飛行器系統(tǒng)至少需要兩個(gè)飛行器通過連桿組裝成自旋飛行器。單個(gè)飛行器通過運(yùn)載器發(fā)射至指定軌位，兩個(gè)飛行器通過其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行近程機(jī)動(dòng)、交會(huì)逼近、姿態(tài)調(diào)整及對接，之后兩飛行器相向運(yùn)動(dòng)至沿連桿完全展開。在兩個(gè)飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的作用下做自旋運(yùn)動(dòng)，角速度由0逐漸加速到設(shè)計(jì)值后停止加速，此時(shí)重力模擬飛行器做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，艙內(nèi)形成離心力來模擬重力場環(huán)境，自旋產(chǎn)生的向心力由輕質(zhì)化連桿連接裝置承受，自旋中心沿慣性軌道飛行。自旋運(yùn)動(dòng)學(xué)符合向心力公式為

==

(1)

式中，為產(chǎn)生的離心力，為單個(gè)飛行器質(zhì)量，為自旋運(yùn)動(dòng)角速度，(=1,2)為飛行器內(nèi)外壁距旋轉(zhuǎn)中心的距離，(=1,2)為飛行器內(nèi)外壁產(chǎn)生的離心加速度。重力模擬飛行器飛行基本原理示意如圖10所示。

圖10 自旋運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.10 Schematic of spin motion

人在人造重力下感受到的舒適度與科氏力的大小有關(guān)，科氏力公式為

=2(×)

(2)

式中，為科氏力，為相對轉(zhuǎn)動(dòng)系的運(yùn)動(dòng)速度向量，為旋轉(zhuǎn)角速度向量?？剖狭μ髮?huì)引起頭暈和運(yùn)動(dòng)病，由式(2)可知并不只與旋轉(zhuǎn)半徑或旋轉(zhuǎn)角速度有關(guān)。在維持所需重力水平的情況下，唯有增大旋轉(zhuǎn)半徑，降低轉(zhuǎn)速，才能降低科氏力水平，如圖11所示。通過通過大量試驗(yàn)研究表明，當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑較小，人工重力加速度在0.17～0.3時(shí)，人在旋轉(zhuǎn)環(huán)境中行動(dòng)舒適感最好；如果在0.3～0.5，行走時(shí)將感覺下身沉重，甚至難以行走。在星際航行任務(wù)中，將人工重力調(diào)節(jié)在舒適區(qū)內(nèi)，人在空間環(huán)境生活與地面差異相對較小，對人機(jī)體的影響較小，一定程度上大幅延長了航天員在軌執(zhí)行任務(wù)的周期。人工模擬重力舒適度如圖12所示，經(jīng)初步分析可知“舒適區(qū)”旋轉(zhuǎn)角速度最大不要超過4 r/min時(shí)最為適合，此角速度處在人可承受的舒適范圍內(nèi)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)交叉耦合效應(yīng)對人的影響不劇烈。

圖11 科氏力隨半徑的變化規(guī)律Fig.11 The variation of Coriolis force with radius

圖12 人工重力舒適度圖表Fig.12 Aritificial gravity comfort profile

為使得人員在飛行器艙內(nèi)感受舒適，設(shè)計(jì)載人飛行器內(nèi)外側(cè)離心加速度相差不大于0.1(為地球表面重力加速度)，利用離心力表達(dá)式計(jì)算可得

(3)

求解可得載人飛行器自旋所需旋轉(zhuǎn)半徑及旋轉(zhuǎn)角速度。重力模擬過程如下：兩個(gè)飛行器通過連桿系統(tǒng)完成組合體對接后共同飛行，在兩個(gè)飛行器動(dòng)力系統(tǒng)控制力協(xié)同作用下，兩飛行器相向運(yùn)動(dòng)至連桿展開鎖緊后，飛行器組合體開始勻加速自旋運(yùn)動(dòng)，最終動(dòng)力系統(tǒng)停止工作，兩飛行器做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其中根據(jù)飛行器動(dòng)力矩定理可得出達(dá)到地球表面重力加速度時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的工作時(shí)間。

2.2 實(shí)施規(guī)劃

重力模擬飛行器系統(tǒng)的實(shí)施規(guī)劃可采用與載人航天工程類似的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，重力模擬飛行器從總體方案設(shè)計(jì)到飛行演示驗(yàn)證為項(xiàng)目實(shí)施的小三步規(guī)劃，即重力模擬飛行器平臺的第一階段；第二階段為重力飛行器飛行演示驗(yàn)證成功后，重力系統(tǒng)的組網(wǎng)建設(shè);第三階段為重力模擬飛行器平臺拓展為在軌有人值守的空間實(shí)驗(yàn)室或執(zhí)行深空探測任務(wù)。第一階段開展分為以下4步：

第一步：重力模擬飛行器概念體系建立及總體方案設(shè)計(jì)，構(gòu)建飛行器原理模型及仿真分析；

第二步：重力模擬飛行器原理樣機(jī)生產(chǎn)、總裝，開展地面交會(huì)對接演示，建立大型旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺進(jìn)行地面自旋試驗(yàn)驗(yàn)證；

第三步：運(yùn)載器將飛行器運(yùn)送到指定軌位分離后，開展飛行器在軌組裝，組裝成整體后通過動(dòng)力系統(tǒng)作用相向運(yùn)動(dòng)至伸展機(jī)構(gòu)展開鎖定，并自旋加速完成重力模擬飛行演示驗(yàn)證。

為降低第一階段重力模擬飛行器的研制成本，可基于天宮飛行器進(jìn)行加裝大型構(gòu)架式空間伸展臂或側(cè)裝交會(huì)對接機(jī)構(gòu)等改制，以滿足演示驗(yàn)證任務(wù)需要，下文以此為基礎(chǔ)開展方案設(shè)計(jì)工作。

2.3 總體方案

兩個(gè)飛行器入軌后通過集成對接機(jī)構(gòu)的大型構(gòu)架式空間伸展臂(與美國空間伸展臂類似)實(shí)現(xiàn)在軌組裝，其中一個(gè)飛行器配置主動(dòng)可伸展對接機(jī)構(gòu)(與空間伸展臂一體化集成)，如圖13所示；另一個(gè)飛行器艙壁中間設(shè)置8個(gè)快速連接裝置，實(shí)現(xiàn)與對接機(jī)構(gòu)的在軌快速組裝(配置被動(dòng)對接機(jī)構(gòu))，如圖14所示；其他均采用模塊化設(shè)計(jì)。飛行器前后均還設(shè)置與其他飛行器的交會(huì)對接機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)飛行器的連接，進(jìn)行功能拓展。參考天宮二號總體參數(shù)，重力飛行器由長征二號F火箭發(fā)射，全長10.4 m，最大直徑3.35 m，太陽翼展寬約18.4 m，質(zhì)量為8.5 t，兩個(gè)飛行器系統(tǒng)的總體方案直徑約為41 m，整體總質(zhì)量約為18 t。多個(gè)飛行器組裝完成全連通系統(tǒng)的總體方案直徑約為82 m，整體總質(zhì)量約為500 t，其規(guī)模將遠(yuǎn)大于國際空間站(370 t左右)。

圖13 主動(dòng)對接飛行器Fig.13 Active docking spacecraft

圖14 被動(dòng)對接飛行器Fig.14 Passive docking spacecraft

2.4 在軌組裝流程

重力模擬飛行器系統(tǒng)空間交會(huì)對接與傳統(tǒng)的交會(huì)對接技術(shù)相同，不同之處在于可以將重力模擬飛行器拓展為重力模擬飛行器系統(tǒng)，其流程如下：

第一步：建立由兩個(gè)飛行器及伸展臂組成的重力模擬飛行器系統(tǒng)，其中一個(gè)飛行器作為平臺核心艙，用于與其他飛行器的在軌交會(huì)對接，如圖15所示；

圖15 兩個(gè)飛行器組裝示意Fig.15 Two spacecrafts assembled state

第二步：進(jìn)行第三個(gè)飛行器與核心艙的在軌交會(huì)對接，完成3個(gè)飛行器組裝后，外側(cè)飛行器旋轉(zhuǎn)90°并鎖定形成三體重力模擬飛行器，如圖16所示；

圖16 3個(gè)飛行器組裝示意Fig.16 Three spacecrafts assembled state

第三步：完成多組飛行器與核心艙的交會(huì)對接，過程與第三個(gè)飛行器的在軌組裝相同，如圖17所示，同時(shí)為適應(yīng)多種對接模式的需要，完成交會(huì)轉(zhuǎn)移對接機(jī)械臂系統(tǒng)的搭建；

圖17 飛行器系統(tǒng)初步建立示意Fig.17 Preliminary establishment of multiple spacecrafts system

第四步：依次完成核心艙外飛行器(重力模擬艙)與核心艙的交會(huì)對接，通過之前搭建的交會(huì)轉(zhuǎn)移對接機(jī)械臂系統(tǒng)將重力模擬艙沿徑向移動(dòng)與外側(cè)重力模擬飛行器進(jìn)行交會(huì)對接，最終目標(biāo)建立封閉的天基重力模擬飛行器系統(tǒng)，如圖18所示。

圖18 全連通重力系統(tǒng)示意Fig.18 A fully connected gravity system

2.5 技術(shù)難點(diǎn)

在太空中通過自旋加速產(chǎn)生向外的、近似重力的離心力進(jìn)行地球重力模擬的飛行器系統(tǒng)的研究存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

1)全連通重力系統(tǒng)存在系統(tǒng)復(fù)雜、規(guī)模龐大、在軌組裝難度大等特點(diǎn)，與其相比3個(gè)或多個(gè)飛行器組成的重力模擬系統(tǒng)較為容易，為增大重力艙空間、連桿半徑，降低飛行器轉(zhuǎn)速要求，需大力發(fā)展重型運(yùn)載火箭或智能在軌組裝技術(shù)；

2)為適應(yīng)載人重力模擬飛行器系統(tǒng)需研制多功能集成、特殊的交會(huì)對接系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)接合裝置和密封裝置，技術(shù)將非常復(fù)雜、繁重，研制費(fèi)用需要將非常巨大；

3)重力模擬飛行器系統(tǒng)的建設(shè)可采用靜止對接或旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)對接兩種空間對接方案，但當(dāng)重力飛行器系統(tǒng)組裝較大規(guī)模時(shí)，若選擇靜止對接方式，需重力系統(tǒng)減速保持相對靜止予以配合，對接后再次起旋加速至設(shè)計(jì)狀態(tài)，將耗費(fèi)大量能源予以保障；若選擇旋轉(zhuǎn)對接方式，需研制適應(yīng)旋轉(zhuǎn)條件下進(jìn)行對接的新型交會(huì)對接機(jī)構(gòu)及對接策略，對接技術(shù)將面臨新的挑戰(zhàn)，因此需充分論證適應(yīng)重力系統(tǒng)不同建設(shè)時(shí)期所需的空間對接方案；

4)自旋運(yùn)動(dòng)的空間飛行器對物體的不平衡是極其敏感的，就像汽車輪胎需進(jìn)行動(dòng)平衡標(biāo)定一樣，一旦不平衡水平較高，汽車行駛中將搖晃不穩(wěn)定，自旋飛行器與之相似，為了防止搖晃必須增加附加的載荷或開展在線質(zhì)量特性辨識等工作予以配平，對于飛行器參數(shù)識別與算法控制將具有較大挑戰(zhàn)；

5)人造重力僅是模擬地球重力，但對人體的適應(yīng)性仍需開展大量研究，需充分認(rèn)識重力環(huán)境對物理、化學(xué)和生物過程不同階段所起的作用。

3 結(jié)論

本文初步調(diào)研了國內(nèi)重力飛行器的研究現(xiàn)狀，分析了空間失重環(huán)境對人體的不利影響?；谥亓δM飛行器的原理及人造重力舒服度的影響因素，提出了一種通過自旋產(chǎn)生人造重力的飛行器總體方案，并給出了重力模擬飛行器的實(shí)施規(guī)劃及在軌組裝流程，分析了存在的技術(shù)難點(diǎn)。深空探測重力模擬系統(tǒng)的建立可為深空探測提供在軌?？?、補(bǔ)給、健康療養(yǎng)等服務(wù)，還可為航天員提供更加符合人體需要的重力場環(huán)境，有助于執(zhí)行更深更遠(yuǎn)星球的深空探測任務(wù)。重力飛行器還可為太空旅行者提供休息、休整的“太空旅館”服務(wù)，也將為月球定居或太空移民計(jì)劃提供技術(shù)支持。