「航天知识:世界著名空间站」自由号空间站

「航天知识:世界著名空间站」自由号空间站插图

自由号空间站简介

“自由号”空间站是由美国NASA命名,致力于建造成近地轨道的永久性空间站,如图所示。“自由号”从来没有真正完成过,经过多次修改和调整,其残余的项目转入了现在的国际空间站。

“自由号”空间站计划提出

“自由号”空间站的研究工作经历了10年,空间站的方案、构型和发射时间表,受各种因素的制约,几经变动和调整。1985年10月提出空间站采用双龙骨的大型桁架结构方案,即横向梁长达151m,纵向构架长110m,由四个增压舱、四个资源接头、四个自由飞行平台、两个后勤舱、一个轨道转移飞行器以及移动或遥控服务中心等组成。因各组件都需依靠航天飞机送入轨道进行安装,共需34架次的飞行,总费用约需160亿美元,超过预算(80亿美元)的一倍。

1986年美国当局对上述方案进行审查,认为规模过大,只同意建造一座规模缩小的单龙骨方案,即去掉纵向的龙骨构架,只保留横向的龙骨构架,主横梁长为151m,利用24架次航天飞机安装,建成后,可容纳八名航天员,总研制费用122亿美元,但这个方案也未被美国国会通过。最后通过的是一个更简化的单龙骨方案,容纳的航天员减为四人,生活舱和实验舱的长度也由13.4m减少到8m,建成时间也后推两年以上。“自由号”空间站单龙骨结构如图所示。即使这样,在众议院表决时又险些被“枪杀”。

1993年初,由于空间站计划的费用再度出现超支,美国总统克林顿下令给美国航天局,要求在限定的经费条件下,重新设计和评审“自由号”空间站计划。这样,经过1993年6月众议院再一次对是否保留空间站计划进行了两次激烈的辩论和表决后,最终才以一票的优势被保留下来。最后方案包括一个小型的美国实验舱,一个欧洲增压舱和一个日本实验舱,并缩短了原设计的桁架长度。

「航天知识:世界著名空间站」自由号空间站插图1

“自由号”空间站设想结构

「航天知识:世界著名空间站」自由号空间站插图2

简化后的“自由号”空间站结构

“自由号”空间站具体设想

1985年4月,美国航空和航天局就拟议中的永久太空站再次与宇航工业界进行合作,确定方案和从事初步设计工作。波音公司和马丁·玛丽埃塔公司负责设计、研制加压舱。通用电气公司和美国无线电公司设计自动控制维修平台。汤普森-拉莫-伍德里奇公司和罗克韦尔国际公司的一家子公司,将负责设计发电和电力储存系统。由于轨道上的太空站不像地球有大气层保护,会因强烈的太阳光照射而产生很高的气温,所以这两家公司还要研制一套散热系统。

(1)太空站的电源

关于太空站的电源,计划是建一个面积2000m2的太阳能电池翼,供应75kW电力。航空和航天局已设计出一种镓砷化物太阳能电池,功率可比以前使用的硅光电池大一倍,能满足太空站65~100kW的电力需求。早在1983年,国家航空和航天局就和能源部、国防高等研究计划局签订了一项联合研制太空核电站的协议,这个太空核反应堆有三个基本设计方案,一个是热电转换锂冷却快速反应堆;一个是热离子反应堆系统;另一个是研制装有斯特林发动机的锂冷却快速粒子反应堆。

消息透露,太空站将建成一个100kW的小型太空核电站,可供永久性航天站电力,也可在“星球大战”计划中为轨道上的激光发生器或粒子束发生器提供充足的能量,以击落敌方的洲际弹道导弹。此外,一种新的产生电力的方法也在设计研究之中。它是利用抛物镜面聚焦产生蒸汽来发电的太阳能蒸汽发电系统。最终永久性太空站上将使用哪一种方法来获得电力,也许将视各项研究的进度、成果产生的利弊而定。

(2)太空站的基本骨架

太空站的基本骨架——桁架构件,由约翰逊宇航中心负责提出要求,由设在圣路易的麦克唐奈·道格拉斯公司具体设计制造。在这方面,美国已有相当经验。通信设施是永久太空站的一个主要项目。太空站上的宇航员要同派出去的人员联络,要和飞来的人通话,还要和地面、月面、轨道上的通信卫星联系,所以必须有许多大大小小的天线,保证十分复杂的线路始终畅通。太空站的通信和跟踪系统由美国无线电公司负责。此外,霍尼韦尔公司将提供稳定和自动化控制系统,国际商用机器公司将提供计算机和飞行日期系统。

(3)“太空温室”运行系统

随着空间站计划的提出,美国航空和航天局已设计了一个“太空温室”运行系统。它可以部分地向生活在太空站的工作人员提供植物。据有关人员介绍,这种“太空温室”不仅可以节约许多费用,还能丰富空间轨道站上工作人员的餐桌。为了加强计划管理工作,有助于太空站计划的实施和缩减经费。

时任美国航空和航天局局长詹姆斯·弗莱彻于1986年月30日宣布,任命克利夫兰航天局刘易斯研究中心主任安德鲁·斯托潘为太空站计划办事处负责人,这个办事处将在太空站计划负责人、航空和航天局副局长约翰·霍奇的直接领导下,管理整个永久太空站计划的系统工程工作。在这之前,太空站计划的指挥工作是集中在休斯敦约翰逊宇航中心的,现在这个中心将继续在这项计划中发挥重要作用。

(4)姿态控制系统

空间站在轨通过多次组装而成,在这当中可能出现各种结构模式。姿态控制系统首先要满足所有这些模式是可控的;第二,考虑了挠性和多体结构因素的空间站姿态控制系统必须是稳定的;第三,空间站在运动服务中心(包括十几米长的机械臂)进行货物运输和空间站各个部件与舱段组装与对接时,控制系统要能正常工作。

空间站在轨道所受到的扰动力矩分为外部环境和内部环境两种。外部最大扰动力矩为气动力矩、重力梯度力矩和太阳辐射压力矩等,这些扰动力矩与空间站结构特征尺寸有非常密切的关系。内部扰动力矩主要来自航天员在空间站内工作和生活所引起的扰动,以及运动服务中心在工作时所带来的扰动,特别是后者。

「航天知识:世界著名空间站」自由号空间站插图3

“自由号”空间站姿态控制系统原理框图

根据上述分析,“自由号”空间站姿态控制系统选用控制力矩陀螺为主,喷气反作用推力器为辅的控制方案。利用重力梯度力矩有两种方式:第一种连续性,例如重力梯度稳定卫星;第二种周期性,利用重力梯度力矩为控制力矩陀螺卸载。“自由号”空间站采用第二种方式。

应用喷气反作用系统一方面是作为控制力矩陀螺备用,另一个方面是作为姿态机动,在必要时也可作为对控制力矩陀螺卸载。姿态控制系统原理框图见图5.18。

(5)建立居民点

要在月球上建立居民点,当然要解决住房问题。目前,美国研究月面建筑材料已取得初步成果。最初,航空和航天局曾考虑用铅、玻璃、陶瓷、组合材料等作为月球建材,并为此进行了长期研究。1981年,结构学家林铜柱提出用月球岩土来制造月球混凝土,作为月球基地建筑材料的意见。它的最大优点是就地取材。估计月面基地需要1.2万吨混凝土,其绝大部分原料可以取自月球,地球只要供应54t氢气即成,这就为航空和航天局节省了千百万美元。此外,它还具有强度高、耐高温、抗高放射线、抗磨损、耐真空等特性。

(6)研究月球土

林铜柱的设想得到航空和航天局的重视。1984年底,航空和航天局月球物质管理处拨出微量月球土供他研究,试验结果令人满意。1986年3月,航空和航天局再次给他40g灰褐色的、比盐粒略大的月球土供进一步试验用。林铜柱在芝加哥建筑技术实验室用它和矾土、水泥粉和水掺和在一起,形成胶泥状的湿黏土;24小时后,它硬化成混凝土块;再用6天的时间进行硬度处理,最后制成了一个1in3的正方体混凝土块和口香糖大小的混凝土薄片。经过抗拉和抗压强度试验,它比地球上高强度的混凝土的强度还要高5%。

为实施月球计划,美国的一些公司也进行了研制工作。据说,洛克希德公司已成功地研制成了一种新式自动装配系统,只要两天时间,就能在太空装成一个面积有三个足球场般大的太空平台。

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