空天母舰真的要来了?科学家已在设计超大航天器

本文来自微信公众号:SF 中文 (ID:kexuejiaodian),作者:埃兹・皮尔逊(Ezzy Pearson),译 :叶少红,编:赵佳明

▲ 科幻作品中计算机动画创作的巨型空间站

在国家自然科学基金委员会发布的“十四五”第一批重大项目指南中,有一个尺寸超过 1000 米的“超大型航天结构空间组装动力学与控制”的项目。

千米级大型超级航天器是个什么概念?

目前,人类建造的最大航天器是国际空间站,它的体量也只是长 110 米、宽 88 米,大致相当于两个足球场大小,总质量达 400 余吨。

而美国超级航母“福特”号全长约 330 米,也就是说中国未来规划建造的超大型航天器,相当于 10 个国际空间站或者 3 艘“福特”号航母那么长!

近年来,航天任务日益朝着大尺度、远距离、 高复杂度方向发展。

“希望号”、“天问一号”、“毅力号”相继奔向火星;“旅行者一号”成为首个冲出太阳系的人造飞行器;“隼鸟二号”完成了小行星采样返回。

与此同时,中国的空间站正在稳步推进,SpaceX 的星舰逐渐成型。伴随而来的是在轨航天器对功能、性能、环境适应能力的要求越来越高,大尺度的太阳能帆板、散热板和天线等的需求越来越大。

如 2010 年发射的 Skyterra-1 卫星天线口径达到 22m;2020 年发射的“实践 20 号”卫星太阳能帆板展开尺寸超过 40m 长。

然而,受火箭发射包络的限制,大尺度结构的航天器部件的折叠与在轨展开技术越来越引起各航天机构的重视和发展。

2022 年 8 月,NASA 原计划完成“阿尔忒弥斯”计划的首次发射,为未来的月球登陆任务做准备。但是,由于故障,这次发射一再推迟。

在接下来的 10 年里,NASA 将组建一个国际合作团队,建造“月球门户”空间站 (Lunar Gateway)――这是一座月球空间站,将作为登陆月球,甚至登陆火星的中转站。

“月球门户”空间站和国际空间站(ISS)、中国空间站一样,由多个模块组装而成,每个模块都要由火箭运送到固定轨道。但是要想实现星际旅行,还需要更大的宇宙飞船。

在零重力环境中,长期的太空飞行会导致宇航员出现肌肉萎缩、心功能失常、骨质疏松、视力退化、免疫力下降等健康问题。

要解决这些问题,就需要建造能够旋转,从而产生人造重力的航天器(就像《星际旅行》《2001 太空漫游》等科幻电影描绘的那样)。

可问题是,要让宇航员随着航天器旋转,又不能让他们恶心呕吐,就必须得有一艘加上各舱室,总长度至少达到 1 千米的航天器。

建造这样的航天器,需要数十次高成本的发射任务才能完成。但美国卡内基梅隆大学的机器人专家扎克・曼彻斯特(Zac Manchester)提出了一个新方案,可能只需一次发射即可。

我们的目标是设计出一种结构,可以搭载在单枚火箭的整流罩内。这个方案的挑战在于,整流罩只有几米宽,但大型航天器展开之后的长度,要达到 1 千米,”曼彻斯特说,“不过,这艘航天器只需要在太空运行,而在太空中,作用在航天器上的力非常微弱,因此不必非常坚固。只是在发射阶段,需要承受很大的力,因此航天器只需在折叠状态下足够坚固就行。”

曼彻斯特一直在研究由剪式连杆相互 连接组成的结构,这种结构呈现为复杂形状,而且大小可以扩展至原尺寸的 150 倍。

这样的结构需要数千个活动部件,但在航天器中,这样的设计通常不合适,因为如果这些部件出现问题,可能需要派出不止一位机械师去处理。

这是最困难的挑战之一,我们也非常担心航天器在展开过程中会出现机械卡阻,”曼彻斯特说,“我们正在想办法,通过工程学手段,让航天器的结构具有一定的柔韧性,以降低卡阻的风险。”曼彻斯特目前的工作主要是完善设计,最大程度地降低出现结构错误的风险。

或许,超大航天器很快就会从设计阶段进入验证阶段,并在不久的将来飞越地球近地轨道,飞往其他星球。

原文刊载于《科学焦点》2022.10 

部分内容参考资料:

  • 张元勋,徐莉萍,陈国辉,等.航天器大尺度部件折叠展开原理分析及应用 [J]. 中国空间科学技术,2022, 42 (4): 129-145.

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