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空间站有哪些构型?未来会长什么样?

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-12-08  来源:学习强国  浏览次数:3382

采用硬质舱段式结构的中国空间站
人造重力构型的空间站可解决航天员失重带来的影响
电影《流浪地球》中的领航者号环形构型空间站

11月8日1时16分,神舟十三号航天员翟志刚和王亚平,经过约6.5小时的出舱活动后安全返回天和核心舱,圆满完成了出舱活动全部既定任务,出舱活动取得圆满成功。不久前,中国载人航天工程空间站系统总指挥王翔撰文对中国空间站的构型进行了解读。那么,放眼全球,现阶段空间站主要有哪些构型?未来空间站可能会是什么样的?

从单体到组合式空间站

截至目前,人类所建造过的空间站只有单体构型和组合式构型两种。

在单体构型空间站方面,主要以苏联的礼炮系列为代表。从1971年到1982年间,苏联接连发射了7个单体空间站,它们分别是“礼炮1号”至“礼炮7号”。

另外,美国在上世纪70年代发射的空天实验室空间站,全长36米,直径6.7米,重82吨,是世界上最大的单体空间站。这种空间站需要的物力和科技水平相对比较低,通过火箭一次发射便可以进入太空运行。

在组合式构型空间站方面,主要有苏联的和平号空间站、国际空间站和中国的天宫空间站。这些空间站不能依托火箭的一次性发射完成,而是和现在的建桥手段一样,先在地面建造好模块,例如,工作实验舱、科学仪器舱、生活舱等,然后依靠火箭分批送入太空,再依托每一个模块的对接舱口连接起来,组成一个设备比较完整的大型空间站。

虽然后者比前者需要花费更大的人力、物力和财力,但这种空间站在内部空间和实验设备等方面都是前者无法相比的。

我们相信,人类迄今为止建造过的空间站,都只是未来空间工程的起步。未来的人类,一定会在太空建造出规模非常巨大,相当于今天大都市规模的超级空间站。

电影《千星之城》中,就描述了一个世界各国联合建造的超大空间站,它不但带动了全世界各民族进入太空,最终也引来了外星人。因为体积和质量太大,该空间站甚至对地球造成了影响,只好被推到一个远离地球的轨道上,成了一颗人造行星。

当然,我们也不能忘了电影《流浪地球》中的那个空间站——“领航者号”。它是标准的环形结构,和此前《火星救援》《星际穿越》电影中的空间站构型一样。不过,“领航者号”的两个环形是同向旋转的。当然,电影中描述的这些事情短期内还不会出现。

现阶段以硬质舱段为主

从目前来看,硬质空间站舱段的制造技术比较成熟,无论国际空间站、中国空间站还是美国计划中的地月门户空间站,都采用了硬质舱段技术,目的是通过硬质舱段的彼此连接来构成组合式空间站。

这种彼此连接有两种方式。其中一种是舱段和舱段直接连接。有的舱段在圆柱体的某个端面设置一个对接口,有的会在两端设置对接口。核心舱会设置专门的节点舱段,在上下左右各自设置一个对接口,形成四通八达的效果。从理论上讲,这样的对接方式可以构成一个无限扩大的空间站体系,甚至可以用舱段形成框架。

除这种舱段之间的直接连接外,为了增加设备的携带能力,硬质空间站还可以在舱段上方增加桁架结构。目前,国际空间站就用桁架结构支撑太阳能电池板和散热板。但是,这样的设计也有缺点。桁架一旦完工,它所附着的舱段就不能再移动。中国空间站没有采用桁架结构设计,其舱段可以根据需要脱离开,连接到其他对接口上,具有更大的灵活性。

“低轨道目的地”构型各异

目前,美国宇航局正在组织实施被称为“低轨道目的地”的商业空间站计划。截至今年11月初,前后已经出现过4个解决方案。其中,美国山脉航天公司提出的早期方案,后来并入了蓝色起源公司的方案中,所以现在还剩下3个方案。

一个来自美国公理航天公司,打算在现役国际空间站上对接新的舱段,然后逐步替换老舱段。它的构型和国际空间站基本一样,但舱段尺寸会更大。

蓝色起源公司和山脉航天公司合作研制的大型空间站,在构型上独具特色。这个叫太空环礁的空间站用一个长度很大的连续舱段构成核心,看上去就像地铁车厢一样。车厢侧面设置6个对接口,前后各设置一个,一共可以连接8个不同类型的硬质和充气式任务舱段。这个连续舱段不能一次性发射上天,必须分段发射入轨后进行在轨组装,这就需要在天上保证气密性,因此有较大难度。

洛·马公司提出的方案相对保守一些,一共只有一个充气式舱段,舱段上只有一个对接口。虽然该方案的内部容积比国际空间站要小,但功能比较齐全。

人工重力空间站期待实现

在空间站上能不能制造出人工重力?或许有人觉得航天员在空间站里飘来飘去,是一个很享受的过程。事与愿违的是,航天员在空间站里有着繁重的科研和建设工作,站不稳、坐不住,对开展工作有很大影响。就算是操作空间站的机械臂,航天员因为屁股坐不稳,手臂、手掌和手指的运动会非常别扭。而人造重力构型的空间站则可以解决航天员失重带来的问题。

几十年前,著名科学家冯·布劳恩做过计算,如果建设一种环形空间站,绕着自身的轴心旋转,舱段沿着环形排列,航天员工作生活在环的内侧,只要这个环按照一定的速度转动,就会形成显著的离心作用,将航天员牢牢地贴在内侧地板上。只要精确控制转速,就能够实现和地球上非常接近的重力。

科学家们畅想,这种技术不仅能用来制造空间站,甚至能用来建造宇宙城市。把这个城市建造成一个粗大的圆筒,人们生活在圆筒的内壁上,只要能实现恰当的自转速度,不要说人类,就是花鸟鱼虫、大树、农作物,都能和地球上一样,头上脚下。虽然原理简单,但要建造这种空间站工作量太大,目前还没有哪个国家能够做到。

但是,如果未来人类要实现深空移民,人造重力的空间站恐怕是必要的。谁第一个实现,将是整个人类迈出太空探测的又一大步。

总之,空间站从20世纪70年代出现至今,已经走过了50年的发展历程。应该说,50年来,虽然空间站越来越大,但基本构型只发生了一次改变,就是从单体空间站变成组合式空间站。我们能否在未来几十年看到其他构型的空间站出现,还真是挺值得期待的。


 
 

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