基本信息
- 項目名稱：
- “太空驛站”系統(tǒng)的構(gòu)想設計說明書
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 針對深空探測研究，基于太空穩(wěn)定拉格朗日點和星際高速公路，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)絡系統(tǒng)、能量補給系統(tǒng)和維護升級系統(tǒng)方面詳細分析了各分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，同時設計了系統(tǒng)建設和穩(wěn)定運行的管理機制，解決了深空通信、空間物資補給以及衛(wèi)星故障維護的問題。根據(jù)深空探測的發(fā)展，設想了未來星際物資運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。
- 詳細介紹：
- “太空驛站”系統(tǒng)的構(gòu)想設計說明書 易正陽 魚凡超 楊樂 李萌 西北工業(yè)大學航天學院 聯(lián)系電話：15109247968 摘 要： 針對深空探測研究，基于太空穩(wěn)定拉格朗日點和星際高速公路，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)絡系統(tǒng)、能量補給系統(tǒng)和維護升級系統(tǒng)方面詳細分析了各分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，同時設計了系統(tǒng)建設和穩(wěn)定運行的管理機制，解決了深空通信、空間物資補給以及衛(wèi)星故障維護的問題。根據(jù)深空探測的發(fā)展，設想了未來星際物資運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。 關鍵詞： 深空探測 太空驛站 星際高速公路 拉格朗日點 研究背景與意義 2004年美國公布了“新探索”計劃，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)布深空探測計劃。二十一世紀上半葉，深空探測技術是航天技術向高級階段發(fā)展最為關鍵的技術，將成為各航天大國的主要目標，深空通訊和太空物資補給技術必將成為各國搶占深空探測先機的戰(zhàn)略性關鍵技術。 深空探測如同自駕車旅游，需要在沿途補充物資。為了使人類能觸及到更遙遠的未知宇宙，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給。同時隨著深空探測的逐步深入，探測器與地球之間的通信信號也將隨著距離的增大而逐漸衰減，通過在每個驛站衛(wèi)星上裝載通信系統(tǒng)，使其如同地面上的移動信號塔一樣，完成太空信號的逐級傳輸。由于“太空驛站”系統(tǒng)能夠很好的解決太空物資補給和深空通信的技術難題，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、設計方案 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”四個分系統(tǒng)組成，其中 “天眼”是地面監(jiān)控系統(tǒng)對于各驛站衛(wèi)星傳回信息的接收和分析處理；“天網(wǎng)”在整個驛站衛(wèi)星網(wǎng)絡間進行通信信號的傳遞，為深空探測器提供燃料補給；“天泉”是驛站衛(wèi)星使用過程中能源儲備的補給系統(tǒng)；“天盾”是對系統(tǒng)的維護和升級。 系統(tǒng)的整體運行情況示例如下： 深空探測器沿著預先設計的“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)路一級一級地在它們之間傳輸，衛(wèi)星系統(tǒng)能根據(jù)探測器與地球的位置關系，設計出一條最快的傳輸路徑，每一級驛站衛(wèi)星會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，實現(xiàn)超遠距離通訊。 在進行遠距離物資運送過程中可以利用“星際高速公路”以最低的成本將其運送到目的地。途中驛站衛(wèi)星網(wǎng)絡會間接地對其軌道變換進行調(diào)控，同時探測器也可與驛站衛(wèi)星對接補充能源。載人探測器返回地球時也可選取適當?shù)娘w行路線，在途中與驛站衛(wèi)星對接，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，能夠及時接受和傳送信號。它能夠?qū)骰氐孛娴男畔⑦M行及時的處理，了解整個系統(tǒng)的運行情況。然后分析處理系統(tǒng)運行過程中產(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，從而調(diào)度整個系統(tǒng)的安全順利運行。地面控制系統(tǒng)主要依靠地面衛(wèi)星觀測站和遠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行深空通信時，到達衛(wèi)星和地面的信號都非常微弱?！疤煅邸毕到y(tǒng)，在傳輸信號前先根據(jù)收發(fā)信息雙方的位置關系，設計出信號傳送的最佳（最快、最可靠）路線，再將信號像傳接力棒一樣，通過事先設計好的路線上一個個驛站衛(wèi)星逐級“低噪、高保真”的將信號放大處理后傳到目的地，解決了深空通信信號隨距離衰減的問題。 1.2.2“天網(wǎng)”整體網(wǎng)絡運行系統(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，但通過整個“天網(wǎng)”系統(tǒng)又能建立起相互之間的聯(lián)系。“天網(wǎng)”系統(tǒng)就是在“天眼”系統(tǒng)的調(diào)控下運行的傳輸系統(tǒng)。這里的“傳輸”不僅僅是指深空通訊信號的相互傳輸，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)星會隨著天體的運轉(zhuǎn)而改變空間位置，但是在整個“天眼”系統(tǒng)的精確調(diào)控下，他們能夠按照指令迅速準確的做出相應的動作，完成空間位置的變動、臨近天體上能源物質(zhì)的采集以及驛站衛(wèi)星網(wǎng)絡內(nèi)能源物質(zhì)的重新分配等指令。當探測器飛行過程中出現(xiàn)物資匱乏時，可以與就近的驛站衛(wèi)星進行對接，從衛(wèi)星上獲得一定量的物資補給?！疤煅邸迸c“天網(wǎng)”系統(tǒng)組合，共同完成信息和物資的運輸。 1.2.3“天泉”系統(tǒng) 物資補給系統(tǒng) “天泉”系統(tǒng)是系統(tǒng)的能源補給系統(tǒng)如同泉眼源源不斷得輸送清泉，為整個網(wǎng)絡的衛(wèi)星輸送物資。 2001年美國發(fā)射的“起源號”探測器已經(jīng)嘗試了采用星際高速公路——“起源號”探測器大部分時間都停留在距離地球150萬公里的L1拉格朗日點附近，利用星際高速公路，“起源號”探測器所消耗的燃料節(jié)省了90%。這一實際經(jīng)驗就為我們低成本的向指定驛站拉格朗日點發(fā)射物資補給提供了強有力的試驗技術支持，在未來建立驛站衛(wèi)星網(wǎng)絡的過程中，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，運送到指定位置，只是利用星際高速公路將使物資補給的飛行時間增加，不過對于高能耗的深空物資運輸來說，減少運送成本，提高單次運送量才是關鍵。 由于在太空航行需要燃料，而在發(fā)射時攜帶大量能源會很大程度上限制太空活動，“天泉”系統(tǒng)采取“就近取能、相互補給”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所示的對接輸送給探測器。 1.2.4“天盾”系統(tǒng) “天盾”系統(tǒng)像無堅不摧的盾牌一樣，維護整個驛站系統(tǒng)?！疤於堋毕到y(tǒng)的最大特點就是，將驛站衛(wèi)星各個功能組件模塊化。當某個組件工作出現(xiàn)異常時，模塊化設計也利于拆卸、更換等維護。在集成驛站中，當某個驛站不能執(zhí)行任務時，也可輕易將該驛站替換，而不影響整個集成驛站的功效。 就像組裝電腦一樣，把驛站內(nèi)部的構(gòu)件大小，各個插口、尺寸，都制定統(tǒng)一的標準，設計時還應考慮到組件升級和兼容性的需要。這樣標準化、模塊化各個組件，不僅可以節(jié)省太空探索高昂的費用，還有利于延展組件的功用。隨著技術的不斷發(fā)展，可以不斷在驛站上安裝新的組件以達到更好的使用效果。 在驛站外部，為組建更加龐大的“集成驛站”，實現(xiàn)無限對接。驛站的前后對接口應能與任意同系列驛站相互匹配，驛站之間可以隨意對接擴大規(guī)模。 1.3太空驛站的構(gòu)型與功能 1.3.1 造型設計 由于球形飛行器在各個自由度上的飛行更為靈活，所以驛站采用類球體設計以適應復雜的飛行環(huán)境。將驛站設計成正12面體形狀，有的面為統(tǒng)一的對接接口，方便各種飛行器的對接工作，也便于組建集成驛站；有的面為發(fā)動機噴射裝置。每個面的邊緣處設小型可旋轉(zhuǎn)發(fā)動機，類似與衛(wèi)星上的發(fā)動機，用于在飛行中調(diào)整姿態(tài)。 1.3.2 各主要功能組件設計 （1）發(fā)動機及噴管 驛站本身為一可獨立飛行的飛行器，其中一個面內(nèi)嵌發(fā)動機，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，當進入拉格朗日點時，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)運轉(zhuǎn)和與地球即時通訊，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)動機對面，并與臨近的兩個面接通，方便臨近面與其他驛站對接后組件更大型的燃料倉。 （4）天線 在每個驛站的3個頂點架設天線，建立立體通訊網(wǎng)絡。配合“天眼”系統(tǒng)隨時與地面聯(lián)系。以便從地面發(fā)射并進入預定軌道，并通過姿態(tài)調(diào)整進入拉格朗日點。 1.4 系統(tǒng)建設及運行 1.4.1 “星際高速公路”路線的設定 由“萬有引力”定律知任何兩個有質(zhì)量的物體之間都存在著一定的相互吸引力，天體之間因為其龐大的質(zhì)量，這種吸引力顯得更為突出。因此，在進行深空探測時可以通過制定出合理的飛行路線來利用天體對于飛行器的引力，達到節(jié)省燃料的目的。 伴隨著深空探測和天文事業(yè)的進一步深入，以及計算機技術的高速發(fā)展，我們不難對現(xiàn)已知的太陽系天體運行的相關參數(shù)進行整理，從而篩選出對于路線的設計具有價值的信息；然后利用現(xiàn)代天體力學知識對太陽系各天體之間的力學性質(zhì)，特別是相互的吸引力進行充分的分析，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；最后以前期對于天體之間萬有引力的分析結(jié)果作為理論基礎，結(jié)合整理出的天體運行相關參數(shù)，運用現(xiàn)代化計算機技術，對于飛行器在運行過程中所受到的天體間的吸引力進行計算機模擬，獲得飛行器在出發(fā)點和目的地之間所受到的引力圖，并通過編程繪制出運行過程中最省能量的路線圖，即完成對“太空高速公路”路線的設定，星際高速公路示意圖和拉格朗日點。 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。在這些管道行進的飛船不會向下墜落，而是沿著管道下落，就像在地球上一樣。每一條管道開始時均較為狹窄，隨著不斷蜿蜒前行，它們會變得越來越寬，同時也可能裂開。 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。拉格朗日點又稱太空中的天平點，處在兩個大的天體之間，由于受到兩個天體的引力影響，位于這一點的飛行器可以保持平衡，不需要動力推進就可以抵抗引力作用，即飛行器在該點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處，首先是因為“太空驛站”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給的時候遇到一定的擾動，也能自動的恢復到原來的平衡狀態(tài)；其次是由于“太空高速公路”的拐點一般就是拉格朗日點，因而前來索要補給的飛行器可以利用減速對接的機會調(diào)整飛行方向。最后根據(jù)路線特點，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 隨著我國運載火箭技術的發(fā)展，尤其是長征五號新一代重型運載火箭系列的研制，我國將具備25噸的近地軌道運載能力和12噸的地球同步軌道運載能力，可發(fā)射20噸級長期有人照料的空間站、大型空間望遠鏡、返回式月球探測器、深空探測器、超重型應用衛(wèi)星等。 因而可以將研制好的補給驛站通過新型重型運載火箭發(fā)射升空，并送至預定的“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，沿預定軌道運行，即將到達目的地（拉格朗日點）時，減速前進，使驛站衛(wèi)星停在預制點。預制衛(wèi)星的發(fā)射可以根據(jù)所在位置進行一箭多星，也可以在發(fā)射時將“順路”的衛(wèi)星固連在一起，一顆星到達指定地點后另一顆與其脫離開始下一段旅行。同時，對于距離較遠的驛站衛(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)星進行一定的補給，從而按計劃將所有驛站衛(wèi)星全部送至預設位置。 1.4.4“太空驛站”功能的實現(xiàn)和遠程控制 “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，同時將有用信號放大處理，發(fā)回地球或其他目標飛行器，以實現(xiàn)天網(wǎng)系統(tǒng)整體的通信功能。 對于需要物資補給的飛行器，在臨近衛(wèi)星時在地面監(jiān)控系統(tǒng)和衛(wèi)星自動控制系統(tǒng)的控制下與飛行器進行對接，實現(xiàn)物資的轉(zhuǎn)移。 1.5 系統(tǒng)使用過程中補給補充、維護和替換 1.5.1“太空驛站”物資儲備的補充方案 在當前世界，用于深空探測的新推進技術包括高比沖的電推進和使用大型輕質(zhì)展開帆面靠光壓產(chǎn)生推力的太陽帆。太陽帆技術雖然能很大程度上脫離對于傳統(tǒng)能源的依賴，但是由于其體積巨大，而且無法達到很高的飛行速度，因而為了滿足人類深空探測的需要，傳統(tǒng)的電推進也必將是不可取代的。 典型的靜電加速式電推進發(fā)動機( 即離子火箭發(fā)動機)利用太陽能或原子能變?yōu)殡娔茏鳛榘l(fā)動機的能源，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)射時可以使他攜帶一定量的易離解物質(zhì)作為儲備能源，同時攜帶一些水、食物等生活物資作為應急使用。 能源的補充方案：隨著對各星球的探索了解，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“天網(wǎng)”衛(wèi)星系統(tǒng)中對各自所收集到的資源進行合理的分配，從而以最少的成本完成驛站衛(wèi)星物資的后續(xù)補充。 1.5.2 “太空驛站”故障的維護 衛(wèi)星在太空中運行過程中不可避免的會遇到一些故障，在能通過簡單的維護或部件的更換解決故障時，可以使用太空維護機器人對其進行必要的維修。 隨著產(chǎn)品全球兼容性的發(fā)展，衛(wèi)星的設計和組裝也必將實現(xiàn)模塊化組裝。這樣對于發(fā)生故障的衛(wèi)星，可以派遣太空維護機器人前去簡單的更換出故障的系統(tǒng)模塊，或是對利用機器人對衛(wèi)星故障點直接進行維修，從而排除故障。 1.5.3備用“太空驛站”站點的替換 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處，當有關鍵點衛(wèi)星失效時，啟動備用衛(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，替換失效衛(wèi)星，完善整個衛(wèi)星網(wǎng)絡的功能。 2、主要創(chuàng)新點 （1）設計理念新穎 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送補給物資，能源和物資幾乎只有輸入。而我們的空驛站卻是一個輸出體，而且可以在引力走廊里按照預定路線漫游。主要用于為深空探測的飛行器返回時提供能源，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區(qū)。 將物資和人或探測衛(wèi)星分開運送到太空中有以下優(yōu)勢： ?在發(fā)射時對噪聲、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。 （2）驛站功能新穎 “太空驛站”的建立，通過各個分系統(tǒng)的穩(wěn)定高效的運行，能夠有效解決深空通信、空間物資補給以及衛(wèi)星故障維護的問題。 （3）驛站造型設計新穎 ? 太空驛站12面體造型，利于多角度對接，構(gòu)件集成驛站，延展了其功能。 ? “一發(fā)多點”信號發(fā)射系統(tǒng)，建立立體信號網(wǎng)絡，利于搜索傳輸信號。 ? “天眼”系統(tǒng)將空間分段傳輸，減小由于長距離造成的信號衰減。 3、應用及意義 隨著人類對月球，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存容器。有了這個系統(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)在所使用的化學火箭效率并不高，已為人熟悉的阿波羅11號登月任務所使用的土星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，當中99.5%重量均為燃料，可想而知，化學燃料推進是多么低效率的方法。 美國“黎明號”氙離子推進也啟示我們，飛行器的推進能源可以有很多種，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(以太陽為焦點連接行星的橢圓軌道)，再配合行星推助的技術航行(探測船經(jīng)過行星時偷取行星的能量加速或減速)。可是這方法的成本仍很高，如木星軌道器伽利略號中，它總重量的42%為化學燃料。為了解決這問題，科學家現(xiàn)透過數(shù)學方法發(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”。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。同時它的開發(fā)利用有助于人們對“拉格朗日點”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)想相對完備，解決了遠地信號傳輸弱的難點，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，以及今后的維護等。 人類探索太空的腳步不會停止，該系統(tǒng)的提出擴大了人們的思路，為尋找更加實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 [1] 晁寧，李言?。卦孪道窭嗜誏1點低能探月軌道分析．計算機測量與控制，2010，18（17）：1633-1636 [2] 侯錫云，劉林．定點在日—地（月） 系L1點附近的探測器的發(fā)射及維持．天文學報，2007，48（3）：364-373 [3] 趙晨露，趙瑞安．深空探測的幾個問題．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．離子推進系統(tǒng)在黎明號探測器上的應用及其思考．航天器工程，2009，18(5)：80-86 [6] 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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”的設計構(gòu)想，為未來深空探測的通信和能源補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”的研究，設計在星際高速公路穩(wěn)定拉格朗日點發(fā)射長期的驛站衛(wèi)星，形成衛(wèi)星網(wǎng)絡。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)絡系統(tǒng)、能量補給系統(tǒng)和維護升級系統(tǒng)。通過整個系統(tǒng)的運行，解決深空通信、空間物資補給以及衛(wèi)星故障維護的問題。
科學性、先進性及獨特之處
- 科學性： “驛站衛(wèi)星”的設計以現(xiàn)有的強大的地面檢測控制系統(tǒng)為基礎，以研究較為成熟的“星際高速公路”和太空拉格朗日點為理論依據(jù)，借鑒美國經(jīng)驗，完成對于利用星際高速公路的設想。 先進性： 該設計是以前人的研究為基礎，有很多新的突破，利用穩(wěn)定拉格朗日點的特性停放驛站衛(wèi)星，并通過驛站衛(wèi)星網(wǎng)解決深空通訊。 獨特之處： （1）設計理念新穎 。 （2）驛站功能新穎 （3）驛站造型設計新穎
應用價值和現(xiàn)實意義
- 在太陽系的行星中穿梭時，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航行?？墒谴朔ǔ杀救院芨?。為了解決這問題，科學家現(xiàn)通過數(shù)學方法設計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。同時它的開發(fā)利用有助于人們對“拉格朗日點”的探究與開發(fā)，為今后的深空探測打開新的思路。
學術論文摘要
- 針對深空探測研究，基于太空穩(wěn)定拉格朗日點和星際高速公路，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)絡系統(tǒng)、能量補給系統(tǒng)和維護升級系統(tǒng)方面詳細分析了各分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，同時設計了系統(tǒng)建設和穩(wěn)定運行的管理機制，解決了深空通信、空間物資補給以及衛(wèi)星故障維護的問題。根據(jù)深空探測的發(fā)展，設想了未來星際物資運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。
獲獎情況
- 2010年12月，在航天五院“超越杯”未來飛行器設計大賽中榮獲全國二等獎 2011年4月，在西北工業(yè)大學第十三屆“三航杯”大學生課外學術科技作品競賽中榮獲金獎
鑒定結(jié)果
- 太空驛站能以小代價實現(xiàn)對探測器的綜合補給和星地通訊，對提高其有效載荷和深空探測網(wǎng)絡建設等方面有重要意義。其驛站衛(wèi)星布設方法和模塊化組裝的想法，同當前深空探測軌道設計等前沿理論結(jié)合緊密，技術水平較高。
參考文獻
- 1、 太空穩(wěn)定拉格朗日點技術 出處：晁寧，李言?。卦孪道窭嗜誏1點低能探月軌道分析．計算機測量與控制，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的發(fā)展與展望. 國際太空，2003，1（2）：6-11 4、 拉格朗日點的理論依據(jù)和應用技術 出處：侯錫云，劉林．定點在日—地（月） 系L1點附近的探測器的發(fā)射及維持．天文學報，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)略和相關計劃。其中具有代表性的主要為美國與歐洲的深空探測計劃。美國空間探測計劃確定了其2006-2016年深空探測戰(zhàn)略目標和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。深空探測技術是航天技術向高級階段發(fā)展最為關鍵的技術，將成為各航天大國的主要目標，深空通訊和太空物資補給技術必將成為各國搶占深空探測先機的戰(zhàn)略性關鍵技術。 本文中“太空驛站”的設計新穎，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)和技術基礎，各國正在進行深入廣泛的研究，部分技術已經(jīng)較為成熟和完善。 在拉格朗日點的計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”號宇宙飛船早在2004年就利用這一原理進行了一番太空探索。“起源”號那次的任務是捕獲太陽風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% 。 空間站的建設與維護和空間對接技術已經(jīng)較為成熟。早在1971年4月禮炮1號空間站發(fā)射升空，后在太空與聯(lián)盟號飛船對接成功。而現(xiàn)今還在使用的國際空間站，從1993開始設計到現(xiàn)在已基本完成組裝，并多次與航天飛機進行對接。 人造地球衛(wèi)星、載人航天技術的發(fā)展，使人類認識宇宙的目光越來越遠；而探索更深更廣的太空，則成為了現(xiàn)代人類航天活動的主要目標。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”設計概念的提出，正是為了解決這類問題，具有很高的可實現(xiàn)性和應用價值。
