中國空間站為什么長成這樣?空間站系統總指揮為你詳解

發表于:2021-09-24 18:04:09

  

  中國人究竟應該建造一個什么樣的空間站?
  29年前載人航天工程立項的那個9月,空間站作為工程“三步走”戰略中的第三步,還只是遠景與目標。今天,它已經在地球之上日新月異地開枝生葉。
  過去幾天里,神舟十二號飛船攜三名航天員返回地面,天舟三號貨運飛船升空。等到神舟十三號上天,核心艙和靠泊飛船將共同呈現為一個小型的T字構型。明年兩個實驗艙發射升空后,整個中國空間站就是一個大寫的T字型了。


9月17日,神舟十二號載人飛船返回艙在東風著陸場成功著陸。新華社記者 任軍川攝

  構型,是指物體以特定的形式、圖案或組合構成某事物。自然科學和社會科學都有的這個概念投射至航天領域,特指航天器的形狀與結構型式——也就是說,它為什么長成這個模樣?
  大道有形,積厚成器。天宮家園的一磚一瓦,皆承載了屬于中國航天的思想與使命。今天,我們來聊聊蘊含在中國空間站T字構型之中的科學、技術與工程原理。
  航天器構型原則一:適配天地環境
  有人問:科幻電影里的宇宙飛船各種奇形怪狀,為什么現實中全世界的航天器有些看上去長得差不多而有些又大相徑庭?
  “看上去差不多”,是因為航天器作為飛出地球大氣層的空間探索平臺,面臨許多共同的約束條件。
  發射段,運載火箭通常以整流罩對航天器進行防護。在整流罩圓錐加圓柱形的空間約束下,航天器的發射狀態是相似的,連SpaceX的星鏈也得60顆一起組合成一根“大玉米”。
  在軌飛行段,沒有了大氣,航天器的各種設備就可以根據工作需要伸展出來,航天器也因此“大相徑庭”。但有一點是相通的:為了使航天器易于運動控制,構型要保證主結構和質量分布盡量對稱、緊湊,以獲得好的質量特性。
  到了著陸段,情況就不一樣了。對于地球、火星這樣擁有大氣層的星球,氣動控制、防熱等“剛需”決定了著陸飛行器長得比較像,比如神舟飛船和嫦娥返回器這樣典型的鐘罩加球形底。而對于月球這樣沒有大氣層的星球,仍然可以像嫦娥著陸器、阿波羅登月艙那樣,根據各自功能需求進行有棱有角的個性化設計。


2021年7月4日,在北京航天飛行控制中心大屏拍攝的航天員劉伯明在艙外工作場面。新華社記者 金立旺 攝

  航天器構型原則二:滿足功能性能要求
  航天器是要上天干活的,它所承擔的任務很大程度上決定了它的構型。
  以形賦意的這一邏輯,典型案例來自載人飛船。載人飛船通常有兩艙(密封的載人艙段+非密封的動力艙段)和三艙(密封的軌道艙或多功能艙+密封的返回艙+非密封的動力艙段)兩大類構型。作為三艙構型的代表,聯盟號飛船研制之初即是為頻繁執行天地往返任務進行的設計。
  在當時的研制條件下,正常及各種應急情況下的返回技術難度很大,氣動外形、熱防護、降落傘、著陸緩沖等技術的實現代價相對很大。最終,聯盟號采用的設計策略是:返回部分(實際也是應急救生時依賴的部分)盡可能小,以降低上述各項設計和產品實現的難度,提高返回著陸可靠性。因此,聯盟號飛船的返回艙是保證人生存環境、具備返回氣動外形及返回著陸基本功能的最小配置;飛行期間,航天員可以到軌道艙獲得更舒適的活動空間,交會對接測量設備、對接機構等只有在天上才使用的設備也都配置在軌道艙,返回之前就分離扔掉了,不再占用寶貴的返回重量。三艙構型體現了載人飛船設計的均衡優化,與早期兩艙設計的東方號、水星號等相比有很大進步。
  最近幾年,SpaceX的龍飛船、波音公司的Starliner、洛馬公司的Orion以及我國已開展一次試驗飛行的新一代載人飛船,構型又都是兩艙。不過,此兩艙非彼兩艙。這幾款新飛船都采用了重復使用設計,而在重復使用的前提下,返回部分占比越大越經濟。不僅如此,這幾款飛船也都兼顧無人飛行時的貨運返回,更大的返回艙空間也有利于貨物裝載。
  三艙還是兩艙、各艙占比多少,都取決于飛船的功能和性能要求;艙段布局,同樣體現了載人航天的設計思想。
  仍以聯盟飛船為例,三艙選擇“軌-返-推”還是“返-軌-推”構型?考慮飛船在地面和低空的逃逸需求,返回艙布局在船箭組合體的最頂端是有利的,即“返-軌-推”。但是,返回艙要保證航天員能夠進入軌道艙、且能夠與空間站對接,就得在兩端開門。返回大底上若開門,在保證密封及返回防熱等方面的安全性和可靠性遠不如封閉結構。因此,聯盟號定型為“軌-返-推”構型,同時將逃逸方案設計為逃逸火箭帶軌-返組合體一起飛行、之后以俗稱“下蛋”的方式將返回艙單獨分離扔下來。這樣做雖然增加了逃逸的重量和機構以及動作復雜性,但保證了每次返回時處于高溫迎風面大底的安全可靠。權衡利弊后取舍,代價是值得付出和可以接受的。
  航天器構型原則三:保障重要設備在軌工作
  天線、帆板、敏感器等重要設備,需要視場無遮擋。因此,在航天器的構型設計中,這些設備應當被布局在航天器幾何外形的端部或者其他對天、對地、對目標可視、無遮擋的部位,以便于設備的展開及工作。這是對航天器構型的硬約束。
  載人航天器還要為航天員和大型設備創造好的工作條件。因此,空間站上的密封艙通常采用大尺寸圓柱形作為主體構型,好為航天員提供盡可能大的有效活動空間,也可容納大型試驗設備。國際空間站甚至打破常規,以突出于艙段外表面、近似閣樓的形式設計了Cupola穹頂艙。今天,這個“閣樓”是航天員喜歡待的觀察地球的“全景窗”。又因其突出于主結構之外,對空間站自身的觀察條件也遠優于普通舷窗,Cupola艙在來訪飛行器對接空間站時也被用作站上飛行工程師觀察和輔助機械臂操作的工位。
  空間站特有的建造方式,讓三大原則更復雜
  空間站由多個飛行器或結構件拼接而成,既要設計單個飛行器的構型,又要統籌在軌組合的整體構型;既充分考慮站本身,還要顧及來訪飛行器各種可能的對接形式。
  對照前文所述三項原則以及空間站作為多艙段組合體的特殊性,人類歷史上的空間站有什么代表性的構型?這些構型成功嗎?
  蘇聯的和平號空間站,世界上第一個采用多模塊積木式構建方式的長期性空間站。整個空間站化整為零,各艙段功能各異、分期發射,在軌進行裝配,逐步擴展空間和功能,達到了單艙空間站無法企及的規模和能力。組成和平號的每個飛行器都有獨立飛行的能力,對接組裝后擁有既可獨立、亦可并網的電源。各艙段通過節點艙連接,最終的組合體構型呈輻射狀。
  和平號以多艙組合體提供了足夠大的設備安裝空間,通過分期上行配置了再生式的生保設備,解決了多種科學實驗及乘員長期駐站的需求;輻射狀構型保持了對稱緊湊的質量特性,且不影響交會對接和在軌飛行控制,進而保障了艙外天文和對地觀測設備的工作。
  但是,部分在單艙段階段正常工作的設備進入組合體狀態后,工作受到了影響。影響最顯著的是帆板。由于輻射狀艙段的相互遮擋,無論何種姿態下帆板的總受曬率都不高,導致整站的發電效率降低。有資料表明,由于相互遮擋,和平號組合體的帆板共損失了40%的發電能力。與帆板的工作條件類似,用于各艙段散熱的輻射器也因為幾何遮擋而效率降低。
  再把視線投向仍在天上飛行的國際空間站。它的前身從上個世紀80年代初即開始論證,各種方案均以桁架為構型主體,桁架的個數、規模、形態及組成方法有所差異。最終方案采用了單桁架掛艙結構,以109米長的桁架結構為承載主體,在其中間部位掛載并拼接所有的密封艙段,桁架與艙段組合體近似呈十字形,桁架兩端各配置兩對太陽電池翼。
  這一構型的優點是很多的:密封艙以飛行方向為主要的擴展拼接方向,有利于來訪飛行器的交會對接;桁架垂直于軌道面,兩端的太陽翼拉開了足夠距離,不僅安裝空間不受限,而且運行時相互之間、以及受艙段的遮擋影響很小,桁架上安裝的其他設備也能夠不受遮擋;桁架還實現了一個獨特的功能,配置了機械臂導軌,機械臂甚至航天員可以利用移動基座系統沿導軌運動,變換作業地點。
  前者像朵綻放的花,后者像多段圓柱體和長條拼接的積木,這兩個空間站為什么構型迥異?因為建設手段不同。


美國龍飛船攜充氣艙抵達國際空間站。新華社/路透


  和平號每個艙段要靠自己交會對接連上組合體,之后最多通過轉位機構改變對接口即在節點艙球體上的安裝角度,最終形成了輻射狀的構型。而國際空間站的主體部分是由航天飛機運輸上天,利用機械臂輔助進行組裝,因此能夠組裝安裝桁架結構,并擴展沒有飛行能力的艙段。
  2000年至2007年,航天飛機完成了9次專門運輸桁架組件的飛行——大多數單次上天的桁架組件重量在14至16噸。另有兩次飛行,分別運輸加拿大臂-2及其導軌。有了機械臂的輔助,空間站構型擴展的約束小了很多,而且能夠在運輸之后“改變”構型。前文提到的Cupola穹頂艙,就是與寧靜號節點艙-3串列布置在航天飛機貨艙中發射上天,再用機械臂單獨安裝在寧靜號側面,形成了“凸出”的構型。
  中國空間站三艙的模樣是怎么來的?
  中國空間站以三艙段組合形成基本構型。從各艙段到組合體,它們的“模樣”都是系統功能驅動的結果:每個艙段構型設計必須滿足發射和獨立在軌飛行的要求,組合體則要作為完整系統形成有利于在軌長期工作的構型,并要有可行的組裝手段。先看看每個艙段的構型。
  ——核心艙。
  天宮一號和貨運飛船都采用了大尺寸密封艙加小直徑資源艙的構型,資源艙外側安裝帆板和天線等需占據包絡空間的艙外設備。然而,中國空間站核心艙并沒有沿用這一思路,因為它有一個最重要的功能和約束條件——前后都得接納飛船和其他來訪飛行器對接。前端是節點艙,后端也要有對接口和人員通道,因此只能將資源艙設計為直徑達到包絡上限的環形,“套”在密封通道之外。而對于密封艙部分,設計師將其分為大小直徑兩個柱段,帆板、中繼天線、機械臂等大尺寸艙外設備都布置在小柱段,從而使其加上了各種“外掛”后的外包絡仍在火箭整流罩允許范圍內。小柱段內部則不能布置大尺寸設備,用于航天員生活休息。
  就這樣,核心艙演化出了大小尺寸密封艙加大直徑資源艙的模樣,同時各部分沿軸向形成節點艙-小柱段-大柱段-資源艙的順序?;谶@樣的排列順序及設備布局,發射時重量較輕的小柱段在上,有利于整體基頻和強度設計,減少結構重量;入軌后,航天員生活區能夠與工作區分開,相對安靜、私密并且離節點艙近,應急情況便于撤離。
  ——實驗艙。
  實驗艙沒有前后對接的需求,只在一端對接即可。因此,實驗艙的資源艙采用了傳統的小尺寸“實心”布局,外部布置帆板、天線。
  此外,兼顧到組合體構型,兩個實驗艙不僅尺寸、質量特性大體一致,從而獲得整體構型下較好的動力學特性,而且從布局上都采用了工作艙-氣閘艙-資源艙的順序。對接之后,氣閘艙成為所有密封艙組合的“端部”,意外時可以隔離而不影響其他艙段。



2021年4月29日11時23分,中國空間站天和核心艙在我國文昌航天發射場發射升空,準確進入預定軌道,任務取得成功。新華社記者 琚振華 攝


  我們的T字型:安全、效率與未來拓展
  各艙段的構型有理有據,艙段組合同樣不是隨意的。
  由于我國空間站采用運載火箭發射各艙段入軌、上天后交會對接的建設方式,整體構型仍然得在“以節點艙為球心的輻射狀”構型上做文章。但我們沒有走和平號的老路,而是設計了中國特色的T字型。
  三艙布于同一平面,形成T字;兩個尺寸、質量特性大體一致的實驗艙對向布置,形成T字的一橫;利用每個實驗艙自身近20米長的結構,結合各自資源艙末端配置的雙自由度太陽翼驅動機構,兩對大型太陽翼成為T字一橫遠端的兩個“大風車”,不管空間站以何種姿勢飛行,都能照上太陽從而獲得高效的發電效果;兩個實驗艙的氣閘艙分別位于T字一橫的端頭,正常工作泄壓或異常隔離時均不影響其他密封艙段構成連貫空間,保證了安全性。
  作為T字那一豎的核心艙,在這個對稱關系中仍然保持著前、后、下三向對接的能力。后向對接貨運飛船,使得組合體可以直接利用貨運飛船的發動機進行軌道機動;前向、徑向兩個對接口不僅可以接納兩艘載人飛船實現輪換,而且保持正常三軸穩定對地姿態時兩對接口都在軌道平面內,即可讓載人飛船在軌道面內沿飛行方向和沿軌道半徑方向直接對接,無需對接后再轉換對接口。
  對于航天任務流程而言,簡潔不僅美,更是安全。
  動態的構型與設計的智慧
  “設計不僅僅是外觀和感覺,設計就是其工作原理?!保ā癉esign is not just what it looks like and feels like. Design is how it works.”)美國蘋果公司聯合創始人史蒂夫·喬布斯的這句話,我非常贊成。
  像所有航天器、以及在地球上工作的設備和系統一樣,中國空間站的構型是設計出來的。設計,意味著它承載了特定的功能和使命,意味著它是在特定的眾多約束條件下取得的優化解,意味著它凝聚了航天設計師在現有條件下創造最大價值的智慧。
  當然,空間站的構型并非一成不變,而是在空間、時間兩個維度上動態發展:實驗艙I對接上核心艙之初,兩艙空間站將呈大一字構型;實驗艙I轉位而實驗艙II尚未對接時,兩艙空間站為L構型;實驗艙II剛對接上未轉位時,三艙空間站是橫向且不對稱的T字形……除去這些在建設過程中出現的臨時構型,中國空間站未來還可能在機械臂的輔助下進行擴展艙段的組裝,進而形成十字形、干字形等擴展構型。
  看上去,它像變形金剛一樣不斷改換構型。然而,變化的過程和結果都來自設計,萬變而不離其宗。
  人類空間站發展已歷四代。什么才是更好、更強大的空間站?簡單比較沒有意義,也沒有標準答案?;诋敶目茖W技術,滿足自身需求、契合自身能力,夠用、好用、安全、高效的空間站,就是我們中國人自主設計、正在建設的空間站。