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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- “太空驛站”系統(tǒng)的構(gòu)想設(shè)計(jì)說明書
- 小類：
- 數(shù)理
- 簡介：
- 針對(duì)深空探測研究，基于太空穩(wěn)定拉格朗日點(diǎn)和星際高速公路，提出了“太空驛站”系統(tǒng)的構(gòu)想，并從地面監(jiān)控系統(tǒng)、驛站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、能量補(bǔ)給系統(tǒng)和維護(hù)升級(jí)系統(tǒng)方面詳細(xì)分析了各分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，同時(shí)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)建設(shè)和穩(wěn)定運(yùn)行的管理機(jī)制，解決了深空通信、空間物資補(bǔ)給以及衛(wèi)星故障維護(hù)的問題。根據(jù)深空探測的發(fā)展，設(shè)想了未來星際物資運(yùn)輸和觀光旅游等的模式，并給出了我國深空探測工程發(fā)展的建議。
- 詳細(xì)介紹：
- “太空驛站”系統(tǒng)的構(gòu)想設(shè)計(jì)說明書 易正陽 魚凡超 楊樂 李萌 西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院 聯(lián)系電話：15109247968 摘 要： 針對(duì)深空探測研究，基于太空穩(wěn)定拉格朗日點(diǎn)和星際高速公路，提出了“太空驛站”系統(tǒng)的構(gòu)想，并從地面監(jiān)控系統(tǒng)、驛站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、能量補(bǔ)給系統(tǒng)和維護(hù)升級(jí)系統(tǒng)方面詳細(xì)分析了各分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，同時(shí)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)建設(shè)和穩(wěn)定運(yùn)行的管理機(jī)制，解決了深空通信、空間物資補(bǔ)給以及衛(wèi)星故障維護(hù)的問題。根據(jù)深空探測的發(fā)展，設(shè)想了未來星際物資運(yùn)輸和觀光旅游等的模式，并給出了我國深空探測工程發(fā)展的建議。 關(guān)鍵詞： 深空探測 太空驛站 星際高速公路 拉格朗日點(diǎn) 研究背景與意義 2004年美國公布了“新探索”計(jì)劃，宣稱在2018年——2020年讓美國宇航員重返月球，爭取在2030年之前登上火星，歐空局、俄羅斯、印度、日本也相繼發(fā)布深空探測計(jì)劃。二十一世紀(jì)上半葉，深空探測技術(shù)是航天技術(shù)向高級(jí)階段發(fā)展最為關(guān)鍵的技術(shù)，將成為各航天大國的主要目標(biāo)，深空通訊和太空物資補(bǔ)給技術(shù)必將成為各國搶占深空探測先機(jī)的戰(zhàn)略性關(guān)鍵技術(shù)。 深空探測如同自駕車旅游，需要在沿途補(bǔ)充物資。為了使人類能觸及到更遙遠(yuǎn)的未知宇宙，我們構(gòu)想在太空建立“太空驛站”系統(tǒng)，為途經(jīng)的深空探測器提供能源和物資補(bǔ)給。同時(shí)隨著深空探測的逐步深入，探測器與地球之間的通信信號(hào)也將隨著距離的增大而逐漸衰減，通過在每個(gè)驛站衛(wèi)星上裝載通信系統(tǒng)，使其如同地面上的移動(dòng)信號(hào)塔一樣，完成太空信號(hào)的逐級(jí)傳輸。由于“太空驛站”系統(tǒng)能夠很好的解決太空物資補(bǔ)給和深空通信的技術(shù)難題，所以我們可以在該系統(tǒng)的幫助下打開深空探測的大門。 1、設(shè)計(jì)方案 1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)概述 “太空驛站”系統(tǒng)主要由“天眼”、“天網(wǎng)”、“天泉”、“天盾”四個(gè)分系統(tǒng)組成，其中 “天眼”是地面監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于各驛站衛(wèi)星傳回信息的接收和分析處理；“天網(wǎng)”在整個(gè)驛站衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行通信信號(hào)的傳遞，為深空探測器提供燃料補(bǔ)給；“天泉”是驛站衛(wèi)星使用過程中能源儲(chǔ)備的補(bǔ)給系統(tǒng)；“天盾”是對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。 系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況示例如下： 深空探測器沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的“星際高速公路”，或其他比較快捷的路線飛行，途中與地面控制系統(tǒng)的通信聯(lián)系以及地面系統(tǒng)發(fā)來的控制指令，通過驛站衛(wèi)星網(wǎng)路一級(jí)一級(jí)地在它們之間傳輸，衛(wèi)星系統(tǒng)能根據(jù)探測器與地球的位置關(guān)系，設(shè)計(jì)出一條最快的傳輸路徑，每一級(jí)驛站衛(wèi)星會(huì)以最小的附加噪聲和失真以及盡可能高的放大量來轉(zhuǎn)發(fā)無線信號(hào)，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離通訊。 在進(jìn)行遠(yuǎn)距離物資運(yùn)送過程中可以利用“星際高速公路”以最低的成本將其運(yùn)送到目的地。途中驛站衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)會(huì)間接地對(duì)其軌道變換進(jìn)行調(diào)控，同時(shí)探測器也可與驛站衛(wèi)星對(duì)接補(bǔ)充能源。載人探測器返回地球時(shí)也可選取適當(dāng)?shù)娘w行路線，在途中與驛站衛(wèi)星對(duì)接，獲取能源和一些生活物資，保障宇航員的生活以及探測器的順利返航。 1.2各分系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)與功能 1.2.1“天眼”地面監(jiān)控系統(tǒng) “天眼”系統(tǒng)顧名思義，像長在宇宙中的眼睛一樣，能夠及時(shí)接受和傳送信號(hào)。它能夠?qū)骰氐孛娴男畔⑦M(jìn)行及時(shí)的處理，了解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。然后分析處理系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的問題，并向驛站衛(wèi)星或探測器發(fā)出控制指令，使其做出迅速反應(yīng)，從而調(diào)度整個(gè)系統(tǒng)的安全順利運(yùn)行。地面控制系統(tǒng)主要依靠地面衛(wèi)星觀測站和遠(yuǎn)洋測量船接受和傳送信息。 由于深空通信受到距離限制，按照現(xiàn)有空間信息傳送模式進(jìn)行深空通信時(shí)，到達(dá)衛(wèi)星和地面的信號(hào)都非常微弱。“天眼”系統(tǒng)，在傳輸信號(hào)前先根據(jù)收發(fā)信息雙方的位置關(guān)系，設(shè)計(jì)出信號(hào)傳送的最佳（最快、最可靠）路線，再將信號(hào)像傳接力棒一樣，通過事先設(shè)計(jì)好的路線上一個(gè)個(gè)驛站衛(wèi)星逐級(jí)“低噪、高保真”的將信號(hào)放大處理后傳到目的地，解決了深空通信信號(hào)隨距離衰減的問題。 1.2.2“天網(wǎng)”整體網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行系統(tǒng) “天網(wǎng)恢恢，疏而不漏”，驛站分散在各行星、恒星之間，彼此相距遙遠(yuǎn)，但通過整個(gè)“天網(wǎng)”系統(tǒng)又能建立起相互之間的聯(lián)系?！疤炀W(wǎng)”系統(tǒng)就是在“天眼”系統(tǒng)的調(diào)控下運(yùn)行的傳輸系統(tǒng)。這里的“傳輸”不僅僅是指深空通訊信號(hào)的相互傳輸，也指各種物資、能源物質(zhì)的傳送。 所有的驛站衛(wèi)星通過相互聯(lián)系組成空間網(wǎng)狀形態(tài)。雖然各驛站衛(wèi)星會(huì)隨著天體的運(yùn)轉(zhuǎn)而改變空間位置，但是在整個(gè)“天眼”系統(tǒng)的精確調(diào)控下，他們能夠按照指令迅速準(zhǔn)確的做出相應(yīng)的動(dòng)作，完成空間位置的變動(dòng)、臨近天體上能源物質(zhì)的采集以及驛站衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能源物質(zhì)的重新分配等指令。當(dāng)探測器飛行過程中出現(xiàn)物資匱乏時(shí)，可以與就近的驛站衛(wèi)星進(jìn)行對(duì)接，從衛(wèi)星上獲得一定量的物資補(bǔ)給。“天眼”與“天網(wǎng)”系統(tǒng)組合，共同完成信息和物資的運(yùn)輸。 1.2.3“天泉”系統(tǒng) 物資補(bǔ)給系統(tǒng) “天泉”系統(tǒng)是系統(tǒng)的能源補(bǔ)給系統(tǒng)如同泉眼源源不斷得輸送清泉，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星輸送物資。 2001年美國發(fā)射的“起源號(hào)”探測器已經(jīng)嘗試了采用星際高速公路——“起源號(hào)”探測器大部分時(shí)間都停留在距離地球150萬公里的L1拉格朗日點(diǎn)附近，利用星際高速公路，“起源號(hào)”探測器所消耗的燃料節(jié)省了90%。這一實(shí)際經(jīng)驗(yàn)就為我們低成本的向指定驛站拉格朗日點(diǎn)發(fā)射物資補(bǔ)給提供了強(qiáng)有力的試驗(yàn)技術(shù)支持，在未來建立驛站衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的過程中，利用星際高速公路將衛(wèi)星自身及后續(xù)的物資以最節(jié)省的方式，運(yùn)送到指定位置，只是利用星際高速公路將使物資補(bǔ)給的飛行時(shí)間增加，不過對(duì)于高能耗的深空物資運(yùn)輸來說，減少運(yùn)送成本，提高單次運(yùn)送量才是關(guān)鍵。 由于在太空航行需要燃料，而在發(fā)射時(shí)攜帶大量能源會(huì)很大程度上限制太空活動(dòng)，“天泉”系統(tǒng)采取“就近取能、相互補(bǔ)給”的原側(cè)，選取距離驛站最近的行星，建立太空能源開發(fā)站，驛站衛(wèi)星根據(jù)需要前往獲取能源，然后通過“天網(wǎng)”系統(tǒng)，將各驛站衛(wèi)星收集的能源進(jìn)行合理分配。例如在月球建立能源站，將He3等轉(zhuǎn)化成可用燃料，再通過運(yùn)輸飛行器輸送給近行星驛站，這些近行星驛站再通過“天網(wǎng)”系統(tǒng)，輸送給其他遠(yuǎn)行星驛站。最后將從就近星球上獲得的能源通過如圖4所示的對(duì)接輸送給探測器。 1.2.4“天盾”系統(tǒng) “天盾”系統(tǒng)像無堅(jiān)不摧的盾牌一樣，維護(hù)整個(gè)驛站系統(tǒng)?！疤於堋毕到y(tǒng)的最大特點(diǎn)就是，將驛站衛(wèi)星各個(gè)功能組件模塊化。當(dāng)某個(gè)組件工作出現(xiàn)異常時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)也利于拆卸、更換等維護(hù)。在集成驛站中，當(dāng)某個(gè)驛站不能執(zhí)行任務(wù)時(shí)，也可輕易將該驛站替換，而不影響整個(gè)集成驛站的功效。 就像組裝電腦一樣，把驛站內(nèi)部的構(gòu)件大小，各個(gè)插口、尺寸，都制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮到組件升級(jí)和兼容性的需要。這樣標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化各個(gè)組件，不僅可以節(jié)省太空探索高昂的費(fèi)用，還有利于延展組件的功用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，可以不斷在驛站上安裝新的組件以達(dá)到更好的使用效果。 在驛站外部，為組建更加龐大的“集成驛站”，實(shí)現(xiàn)無限對(duì)接。驛站的前后對(duì)接口應(yīng)能與任意同系列驛站相互匹配，驛站之間可以隨意對(duì)接擴(kuò)大規(guī)模。 1.3太空驛站的構(gòu)型與功能 1.3.1 造型設(shè)計(jì) 由于球形飛行器在各個(gè)自由度上的飛行更為靈活，所以驛站采用類球體設(shè)計(jì)以適應(yīng)復(fù)雜的飛行環(huán)境。將驛站設(shè)計(jì)成正12面體形狀，有的面為統(tǒng)一的對(duì)接接口，方便各種飛行器的對(duì)接工作，也便于組建集成驛站；有的面為發(fā)動(dòng)機(jī)噴射裝置。每個(gè)面的邊緣處設(shè)小型可旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，類似與衛(wèi)星上的發(fā)動(dòng)機(jī)，用于在飛行中調(diào)整姿態(tài)。 1.3.2 各主要功能組件設(shè)計(jì) （1）發(fā)動(dòng)機(jī)及噴管 驛站本身為一可獨(dú)立飛行的飛行器，其中一個(gè)面內(nèi)嵌發(fā)動(dòng)機(jī)，外部向外延伸。 （2）折疊式太陽能帆板 升入太空后，折疊式帆板迅速張開，借助太陽粒子飛行，當(dāng)進(jìn)入拉格朗日點(diǎn)時(shí)，將帆板與太陽垂直，以便獲得最多的太陽能。并利用其自身設(shè)備將光能轉(zhuǎn)化成電能，其中一小部分電能用于支持自身系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)和與地球即時(shí)通訊，其余將被貯存起來，為后續(xù)飛行器輸送能量。 （3）燃料倉 燃料倉內(nèi)嵌在發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)面，并與臨近的兩個(gè)面接通，方便臨近面與其他驛站對(duì)接后組件更大型的燃料倉。 （4）天線 在每個(gè)驛站的3個(gè)頂點(diǎn)架設(shè)天線，建立立體通訊網(wǎng)絡(luò)。配合“天眼”系統(tǒng)隨時(shí)與地面聯(lián)系。以便從地面發(fā)射并進(jìn)入預(yù)定軌道，并通過姿態(tài)調(diào)整進(jìn)入拉格朗日點(diǎn)。 1.4 系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)行 1.4.1 “星際高速公路”路線的設(shè)定 由“萬有引力”定律知任何兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間都存在著一定的相互吸引力，天體之間因?yàn)槠潺嫶蟮馁|(zhì)量，這種吸引力顯得更為突出。因此，在進(jìn)行深空探測時(shí)可以通過制定出合理的飛行路線來利用天體對(duì)于飛行器的引力，達(dá)到節(jié)省燃料的目的。 伴隨著深空探測和天文事業(yè)的進(jìn)一步深入，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，我們不難對(duì)現(xiàn)已知的太陽系天體運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行整理，從而篩選出對(duì)于路線的設(shè)計(jì)具有價(jià)值的信息；然后利用現(xiàn)代天體力學(xué)知識(shí)對(duì)太陽系各天體之間的力學(xué)性質(zhì)，特別是相互的吸引力進(jìn)行充分的分析，為后面研究飛行器飛行過程中受到天體的引力作用奠定理論基礎(chǔ)；最后以前期對(duì)于天體之間萬有引力的分析結(jié)果作為理論基礎(chǔ)，結(jié)合整理出的天體運(yùn)行相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)于飛行器在運(yùn)行過程中所受到的天體間的吸引力進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，獲得飛行器在出發(fā)點(diǎn)和目的地之間所受到的引力圖，并通過編程繪制出運(yùn)行過程中最省能量的路線圖，即完成對(duì)“太空高速公路”路線的設(shè)定，星際高速公路示意圖和拉格朗日點(diǎn)。 順著這一條條在行星與衛(wèi)星間蜿蜒前行的低能量通道，能夠減少探索太陽系過程中使用的燃料。在這些管道行進(jìn)的飛船不會(huì)向下墜落，而是沿著管道下落，就像在地球上一樣。每一條管道開始時(shí)均較為狹窄，隨著不斷蜿蜒前行，它們會(huì)變得越來越寬，同時(shí)也可能裂開。 1.4.2“太空驛站”位置的選取 由于繪制出的“太空高速公路”是利用行星之間的引力，因而必然經(jīng)過這些天體之間所形成的拉格朗日點(diǎn)。拉格朗日點(diǎn)又稱太空中的天平點(diǎn)，處在兩個(gè)大的天體之間，由于受到兩個(gè)天體的引力影響，位于這一點(diǎn)的飛行器可以保持平衡，不需要?jiǎng)恿ν七M(jìn)就可以抵抗引力作用，即飛行器在該點(diǎn)即使受到外界引力的干擾，仍有保持在原來位置的傾向。 所以，我們將“太空驛站”位置選取在這些拉格朗日點(diǎn)處，首先是因?yàn)椤疤阵A站”能夠很穩(wěn)定的保持在這些位置，即使在給其他的飛行器提供補(bǔ)給的時(shí)候遇到一定的擾動(dòng)，也能自動(dòng)的恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)；其次是由于“太空高速公路”的拐點(diǎn)一般就是拉格朗日點(diǎn)，因而前來索要補(bǔ)給的飛行器可以利用減速對(duì)接的機(jī)會(huì)調(diào)整飛行方向。最后根據(jù)路線特點(diǎn)，合理選取驛站的位置和數(shù)量，就完成了“太空驛站”位置的選取。 1.4.3 “太空驛站”的發(fā)送和安放 隨著我國運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展，尤其是長征五號(hào)新一代重型運(yùn)載火箭系列的研制，我國將具備25噸的近地軌道運(yùn)載能力和12噸的地球同步軌道運(yùn)載能力，可發(fā)射20噸級(jí)長期有人照料的空間站、大型空間望遠(yuǎn)鏡、返回式月球探測器、深空探測器、超重型應(yīng)用衛(wèi)星等。 因而可以將研制好的補(bǔ)給驛站通過新型重型運(yùn)載火箭發(fā)射升空，并送至預(yù)定的“太空高速公路”入口，然后衛(wèi)星展開太陽能帆板，利用太陽能和自身儲(chǔ)蓄的電能使其空間通信系統(tǒng)開始工作，衛(wèi)星將在地面遙測的控制下，沿預(yù)定軌道運(yùn)行，即將到達(dá)目的地（拉格朗日點(diǎn)）時(shí)，減速前進(jìn)，使驛站衛(wèi)星停在預(yù)制點(diǎn)。預(yù)制衛(wèi)星的發(fā)射可以根據(jù)所在位置進(jìn)行一箭多星，也可以在發(fā)射時(shí)將“順路”的衛(wèi)星固連在一起，一顆星到達(dá)指定地點(diǎn)后另一顆與其脫離開始下一段旅行。同時(shí)，對(duì)于距離較遠(yuǎn)的驛站衛(wèi)星，可以最后發(fā)射，其在飛行過程中，可以利用沿途已發(fā)射的驛站衛(wèi)星進(jìn)行一定的補(bǔ)給，從而按計(jì)劃將所有驛站衛(wèi)星全部送至預(yù)設(shè)位置。 1.4.4“太空驛站”功能的實(shí)現(xiàn)和遠(yuǎn)程控制 “太空驛站”發(fā)射到位后，通過地面監(jiān)測控制，調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)，使衛(wèi)星各定點(diǎn)的天線都能處于廣角位置，便于接受“天網(wǎng)”其他驛站發(fā)來的信號(hào)，同時(shí)將有用信號(hào)放大處理，發(fā)回地球或其他目標(biāo)飛行器，以實(shí)現(xiàn)天網(wǎng)系統(tǒng)整體的通信功能。 對(duì)于需要物資補(bǔ)給的飛行器，在臨近衛(wèi)星時(shí)在地面監(jiān)控系統(tǒng)和衛(wèi)星自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下與飛行器進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)物資的轉(zhuǎn)移。 1.5 系統(tǒng)使用過程中補(bǔ)給補(bǔ)充、維護(hù)和替換 1.5.1“太空驛站”物資儲(chǔ)備的補(bǔ)充方案 在當(dāng)前世界，用于深空探測的新推進(jìn)技術(shù)包括高比沖的電推進(jìn)和使用大型輕質(zhì)展開帆面靠光壓產(chǎn)生推力的太陽帆。太陽帆技術(shù)雖然能很大程度上脫離對(duì)于傳統(tǒng)能源的依賴，但是由于其體積巨大，而且無法達(dá)到很高的飛行速度，因而為了滿足人類深空探測的需要，傳統(tǒng)的電推進(jìn)也必將是不可取代的。 典型的靜電加速式電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)( 即離子火箭發(fā)動(dòng)機(jī))利用太陽能或原子能變?yōu)殡娔茏鳛榘l(fā)動(dòng)機(jī)的能源，利用少量易于離解的元素，如銫或鉀，在一小電弧上加熱離解或使它加熱成蒸氣，再通過熾熱的鎢絲離解成離子， 其中所產(chǎn)生的正離子并加入適量電子在靜電場的作用下， 加速到接近光速向外噴出， 產(chǎn)生推力。因而在衛(wèi)星發(fā)射時(shí)可以使他攜帶一定量的易離解物質(zhì)作為儲(chǔ)備能源，同時(shí)攜帶一些水、食物等生活物資作為應(yīng)急使用。 能源的補(bǔ)充方案：隨著對(duì)各星球的探索了解，我們可以根據(jù)各衛(wèi)星所在的位置，在其臨近星球上開采所需的能源物質(zhì)，然后在整個(gè)“天網(wǎng)”衛(wèi)星系統(tǒng)中對(duì)各自所收集到的資源進(jìn)行合理的分配，從而以最少的成本完成驛站衛(wèi)星物資的后續(xù)補(bǔ)充。 1.5.2 “太空驛站”故障的維護(hù) 衛(wèi)星在太空中運(yùn)行過程中不可避免的會(huì)遇到一些故障，在能通過簡單的維護(hù)或部件的更換解決故障時(shí)，可以使用太空維護(hù)機(jī)器人對(duì)其進(jìn)行必要的維修。 隨著產(chǎn)品全球兼容性的發(fā)展，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和組裝也必將實(shí)現(xiàn)模塊化組裝。這樣對(duì)于發(fā)生故障的衛(wèi)星，可以派遣太空維護(hù)機(jī)器人前去簡單的更換出故障的系統(tǒng)模塊，或是對(duì)利用機(jī)器人對(duì)衛(wèi)星故障點(diǎn)直接進(jìn)行維修，從而排除故障。 1.5.3備用“太空驛站”站點(diǎn)的替換 在衛(wèi)星的研制過程中，可以生產(chǎn)三至四顆備用衛(wèi)星，在整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建階段，將這幾顆備用衛(wèi)星發(fā)射到“天網(wǎng)”系統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)中部閑置的拉格朗日點(diǎn)處，當(dāng)有關(guān)鍵點(diǎn)衛(wèi)星失效時(shí)，啟動(dòng)備用衛(wèi)星，在地面監(jiān)控系統(tǒng)的遙控下前往失效衛(wèi)星所在站點(diǎn)，替換失效衛(wèi)星，完善整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的功能。 2、主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) （1）設(shè)計(jì)理念新穎 傳統(tǒng)的空間站只能在固定的軌道上停留，并且要不斷依靠地面運(yùn)送補(bǔ)給物資，能源和物資幾乎只有輸入。而我們的空驛站卻是一個(gè)輸出體，而且可以在引力走廊里按照預(yù)定路線漫游。主要用于為深空探測的飛行器返回時(shí)提供能源，可以為將來的載人深空探測或者星際旅游提供物資。類似于高速公路上的服務(wù)區(qū)。 將物資和人或探測衛(wèi)星分開運(yùn)送到太空中有以下優(yōu)勢： ?在發(fā)射時(shí)對(duì)噪聲、超重、溫度等一系列參數(shù)的要求可以降低很多，降低成本； ?比直接發(fā)射返回式探測器節(jié)約燃料； ?在星際中找尋穩(wěn)定的拉格朗日點(diǎn)作為太空驛站停留位置，使太空驛站能夠長久地固定且不受大的擾動(dòng)。 （2）驛站功能新穎 “太空驛站”的建立，通過各個(gè)分系統(tǒng)的穩(wěn)定高效的運(yùn)行，能夠有效解決深空通信、空間物資補(bǔ)給以及衛(wèi)星故障維護(hù)的問題。 （3）驛站造型設(shè)計(jì)新穎 ? 太空驛站12面體造型，利于多角度對(duì)接，構(gòu)件集成驛站，延展了其功能。 ? “一發(fā)多點(diǎn)”信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)，建立立體信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，利于搜索傳輸信號(hào)。 ? “天眼”系統(tǒng)將空間分段傳輸，減小由于長距離造成的信號(hào)衰減。 3、應(yīng)用及意義 隨著人類對(duì)月球，火星等地外星球的探究，如何飛出宇宙已經(jīng)成為科學(xué)家們不得不討論的話題。而“太空驛站”作為星際“加油站”，正為深空探測提供了重要的能源保障。這個(gè)系統(tǒng)不僅成為星際穿梭的樞紐，也為就近開采其他行星上的能源提供了儲(chǔ)存容器。有了這個(gè)系統(tǒng)，飛行器可以忽略距離的限制，飛往想去的地方探究宇宙的奧秘。 為了脫離地球重力的捆綁，火箭成為了解開重力枷鎖的鎖匙。但一般現(xiàn)在所使用的化學(xué)火箭效率并不高，已為人熟悉的阿波羅11號(hào)登月任務(wù)所使用的土星5型火箭為例，火箭重量的90%為燃料，真正登月艙的重量只有10%;而登月艙本身的61%也是燃料，這樣才可以讓太空人登陸月球，和讓他們離開月面返回地球。然而，隨著太空探測船重量和目的地距離的增加，所需的燃料卻以指數(shù)方式地上升，如前往土星的卡西尼探測船，發(fā)射的泰坦4B型火箭，當(dāng)中99.5%重量均為燃料，可想而知，化學(xué)燃料推進(jìn)是多么低效率的方法。 美國“黎明號(hào)”氙離子推進(jìn)也啟示我們，飛行器的推進(jìn)能源可以有很多種，而太空驛站正是利用就近取材的方法，在就近行星尋找新能源，補(bǔ)給未來飛行器，決絕星際巡航的燃料問題。 而且在太陽系的行星中穿梭，直線航行并非理想的路線，現(xiàn)在的探測船均使用赫曼轉(zhuǎn)移軌道(以太陽為焦點(diǎn)連接行星的橢圓軌道)，再配合行星推助的技術(shù)航行(探測船經(jīng)過行星時(shí)偷取行星的能量加速或減速)?？墒沁@方法的成本仍很高，如木星軌道器伽利略號(hào)中，它總重量的42%為化學(xué)燃料。為了解決這問題，科學(xué)家現(xiàn)透過數(shù)學(xué)方法發(fā)展出一套可以用極少燃料甚至是零燃料便可以在行星中穿梭的方法，稱為“行星際傳輸網(wǎng)絡(luò)”。太空驛站都構(gòu)想正好可以與之結(jié)合起來，為完善深空探測的具體方案，發(fā)揮了不可估量的作用。同時(shí)它的開發(fā)利用有助于人們對(duì)“拉格朗日點(diǎn)”的探究與開發(fā)，為今后的深空探測打開新的思路。 4、結(jié)論 基于拉格朗日點(diǎn)的“太空驛站”構(gòu)想大膽新穎，且理論依據(jù)充分，系統(tǒng)可行性高，有可能成為深空探測的未來研究方向。分系統(tǒng)構(gòu)想相對(duì)完備，解決了遠(yuǎn)地信號(hào)傳輸弱的難點(diǎn)，并且系統(tǒng)中還說明了能源來處，各驛站相互之間的聯(lián)系，以及今后的維護(hù)等。 人類探索太空的腳步不會(huì)停止，該系統(tǒng)的提出擴(kuò)大了人們的思路，為尋找更加實(shí)用可行的深空探測系統(tǒng)和如何更有效得開發(fā)太空資源提供了重要參考。 參考文獻(xiàn) [1] 晁寧，李言?。卦孪道窭嗜誏1點(diǎn)低能探月軌道分析．計(jì)算機(jī)測量與控制，2010，18（17）：1633-1636 [2] 侯錫云，劉林．定點(diǎn)在日—地（月） 系L1點(diǎn)附近的探測器的發(fā)射及維持．天文學(xué)報(bào)，2007，48（3）：364-373 [3] 趙晨露，趙瑞安．深空探測的幾個(gè)問題．中國航天，2009，6（1）：38-44 [4] 張熇，殷禮明，褚桂柏．中國深空探測器技術(shù)的發(fā)展與展望．國際太空，2003，1（2）：6-11 [5] 耿永兵，沈巖魏，延明．離子推進(jìn)系統(tǒng)在黎明號(hào)探測器上的應(yīng)用及其思考．航天器工程，2009，18(5)：80-86 [6] 劉建忠．日-地系拉格朗日點(diǎn)任務(wù)及其轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)方法．導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2009，3（1）：7-10
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 撰寫目的： 本文介紹“太空驛站”的設(shè)計(jì)構(gòu)想，為未來深空探測的通信和能源補(bǔ)給提供合理可行的方案。 基本思路： 基于“星際高速公路”和“太空穩(wěn)定拉格朗日點(diǎn)”的研究，設(shè)計(jì)在星際高速公路穩(wěn)定拉格朗日點(diǎn)發(fā)射長期的驛站衛(wèi)星，形成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。并與地面檢測控制系統(tǒng)結(jié)合，形成地面監(jiān)控系統(tǒng)、驛站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、能量補(bǔ)給系統(tǒng)和維護(hù)升級(jí)系統(tǒng)。通過整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，解決深空通信、空間物資補(bǔ)給以及衛(wèi)星故障維護(hù)的問題。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 科學(xué)性： “驛站衛(wèi)星”的設(shè)計(jì)以現(xiàn)有的強(qiáng)大的地面檢測控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以研究較為成熟的“星際高速公路”和太空拉格朗日點(diǎn)為理論依據(jù)，借鑒美國經(jīng)驗(yàn)，完成對(duì)于利用星際高速公路的設(shè)想。 先進(jìn)性： 該設(shè)計(jì)是以前人的研究為基礎(chǔ)，有很多新的突破，利用穩(wěn)定拉格朗日點(diǎn)的特性停放驛站衛(wèi)星，并通過驛站衛(wèi)星網(wǎng)解決深空通訊。 獨(dú)特之處： （1）設(shè)計(jì)理念新穎 。 （2）驛站功能新穎 （3）驛站造型設(shè)計(jì)新穎
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 在太陽系的行星中穿梭時(shí)，直線航行并非理想的路線，現(xiàn)在的探測船均使用霍曼轉(zhuǎn)移軌道，再配合行星推助的技術(shù)航行?？墒谴朔ǔ杀救院芨摺榱私鉀Q這問題，科學(xué)家現(xiàn)通過數(shù)學(xué)方法設(shè)計(jì)出一套可以用極少燃料甚至是零燃料便可以在行星中穿梭的方法，稱為“星際高速公路”。太空驛站構(gòu)想正好與之結(jié)合，為完善深空探測發(fā)揮了不可估量的作用。同時(shí)它的開發(fā)利用有助于人們對(duì)“拉格朗日點(diǎn)”的探究與開發(fā)，為今后的深空探測打開新的思路。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 針對(duì)深空探測研究，基于太空穩(wěn)定拉格朗日點(diǎn)和星際高速公路，提出了“太空驛站”系統(tǒng)的構(gòu)想，并從地面監(jiān)控系統(tǒng)、驛站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、能量補(bǔ)給系統(tǒng)和維護(hù)升級(jí)系統(tǒng)方面詳細(xì)分析了各分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，同時(shí)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)建設(shè)和穩(wěn)定運(yùn)行的管理機(jī)制，解決了深空通信、空間物資補(bǔ)給以及衛(wèi)星故障維護(hù)的問題。根據(jù)深空探測的發(fā)展，設(shè)想了未來星際物資運(yùn)輸和觀光旅游等的模式，并給出了我國深空探測工程發(fā)展的建議。
獲獎(jiǎng)情況
- 2010年12月，在航天五院“超越杯”未來飛行器設(shè)計(jì)大賽中榮獲全國二等獎(jiǎng) 2011年4月，在西北工業(yè)大學(xué)第十三屆“三航杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中榮獲金獎(jiǎng)
鑒定結(jié)果
- 太空驛站能以小代價(jià)實(shí)現(xiàn)對(duì)探測器的綜合補(bǔ)給和星地通訊，對(duì)提高其有效載荷和深空探測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等方面有重要意義。其驛站衛(wèi)星布設(shè)方法和模塊化組裝的想法，同當(dāng)前深空探測軌道設(shè)計(jì)等前沿理論結(jié)合緊密，技術(shù)水平較高。
參考文獻(xiàn)
- 1、 太空穩(wěn)定拉格朗日點(diǎn)技術(shù) 出處：晁寧，李言?。卦孪道窭嗜誏1點(diǎn)低能探月軌道分析．計(jì)算機(jī)測量與控制，2010，18（17）：1633-1636 2、 深空探測研究現(xiàn)狀 出處：趙晨露，趙瑞安．深空探測的幾個(gè)問題．中國航天，2009，6（1）：38-44 3、 中國深空探測發(fā)展方向 出處：張熇，殷禮明，褚桂柏. 中國深空探測器技術(shù)的發(fā)展與展望. 國際太空，2003，1（2）：6-11 4、 拉格朗日點(diǎn)的理論依據(jù)和應(yīng)用技術(shù) 出處：侯錫云，劉林．定點(diǎn)在日—地（月） 系L1點(diǎn)附近的探測器的發(fā)射及維持．天文學(xué)報(bào)，2007，48（3）：364-373
同類課題研究水平概述
- 世界主要航天國家美國、俄羅斯、歐洲、日本以及中國、印度等均推出了一系列新的深空探測發(fā)展戰(zhàn)略和相關(guān)計(jì)劃。其中具有代表性的主要為美國與歐洲的深空探測計(jì)劃。美國空間探測計(jì)劃確定了其2006-2016年深空探測戰(zhàn)略目標(biāo)和2016年以后的愿景展望，全面涵蓋了太陽系內(nèi)行星、小行星、彗星和凱珀帶等天體及周圍環(huán)境的探測；歐洲深空探測計(jì)劃僅次于美國，覆蓋了月球、火星及其他行星與小天體。深空探測技術(shù)是航天技術(shù)向高級(jí)階段發(fā)展最為關(guān)鍵的技術(shù)，將成為各航天大國的主要目標(biāo)，深空通訊和太空物資補(bǔ)給技術(shù)必將成為各國搶占深空探測先機(jī)的戰(zhàn)略性關(guān)鍵技術(shù)。 本文中“太空驛站”的設(shè)計(jì)新穎，國內(nèi)外這方面研究很少。但是“太空驛站”構(gòu)想的理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)，各國正在進(jìn)行深入廣泛的研究，部分技術(shù)已經(jīng)較為成熟和完善。 在拉格朗日點(diǎn)的計(jì)算和研究及星際高速公路概念的提出和嘗試方面，美國“起源”號(hào)宇宙飛船早在2004年就利用這一原理進(jìn)行了一番太空探索?！捌鹪础碧?hào)那次的任務(wù)是捕獲太陽風(fēng)粒子并將其帶回地球，而沿“星際高速公路”飛行這一概念就讓飛船所攜帶的燃料減少了90% 。 空間站的建設(shè)與維護(hù)和空間對(duì)接技術(shù)已經(jīng)較為成熟。早在1971年4月禮炮1號(hào)空間站發(fā)射升空，后在太空與聯(lián)盟號(hào)飛船對(duì)接成功。而現(xiàn)今還在使用的國際空間站，從1993開始設(shè)計(jì)到現(xiàn)在已基本完成組裝，并多次與航天飛機(jī)進(jìn)行對(duì)接。 人造地球衛(wèi)星、載人航天技術(shù)的發(fā)展，使人類認(rèn)識(shí)宇宙的目光越來越遠(yuǎn)；而探索更深更廣的太空，則成為了現(xiàn)代人類航天活動(dòng)的主要目標(biāo)。在未來，能源與通信將成為限制深空探測發(fā)展的主要因素，而“太空驛站”設(shè)計(jì)概念的提出，正是為了解決這類問題，具有很高的可實(shí)現(xiàn)性和應(yīng)用價(jià)值。
