一種新型千米級空間站概念設計研究

連 亮 李金喜 高 濤 楊傳福

（江蘇工程職業技術學院 航空與交通工程學院，江蘇 南通 226007）

目前在軌運行的空間站有兩座：國際空間站和中國的天宮空間站。前者總重420 噸，加壓容積915 立方米，主體結構呈十字形，橫向是綜合桁架，縱向由多個太空艙對接而成。后者基本構型呈丁字形，總重60 噸。橫向是兩個實驗艙，縱向是天和核心艙。天宮空間站未來擴展構型呈十字形，總重180 噸。[1]國際空間站額定長期駐留6 名宇航員。天宮空間站現階段額定長期駐留3 名宇航員。由于國際空間站和天宮空間站內部都是微重力環境，長期駐留會對人體造成嚴重的、不可逆的傷害。[2-5]出于身心健康方面的考慮，宇航員在現有空間站單次駐留時間在6 個月左右。為了克服太空環境對人體的負面影響，1969 年普林斯頓大學教授奧尼爾提出了名為奧尼爾圓筒的空間站方案，1975 年斯坦福大學提出了名為斯坦福圓環的空間站方案。奧尼爾圓筒和斯坦福圓環都計劃建造在地月系拉格朗日點上，并且都借由自轉的離心力來模擬重力的作用。因為月球在圍繞地球公轉的同時還隨著地球圍繞太陽公轉，所以在地月系拉格朗日點上運行的空間站若是想利用太陽能作為主要能源，就必須不斷地改變方向以便接收太陽輻射。這會給空間站的姿態控制帶來很大的麻煩。奧尼爾圓筒雖然能給生活在其內部的人類提供較為廣闊的活動空間，但其抗風險能力較弱，一旦空間站內部某一位置出現漏氣或火災會影響到整個空間站的安全。斯坦福圓環計劃使用厚達1.7 米的月球土壤來抵擋太陽風暴，月球土壤的重量占整個空間站總重的95%，大量月球土壤的開采和運輸會大大增加空間站建造成本。斯坦福圓環的軸線垂直于黃道面，其發電和采光要靠一個巨大的傾斜的平面鏡將陽光反射到發電區和圓環上，旋轉的圓環與靜止的平面鏡相互獨立，兩者如何配合是個大問題。

1 新型千米級空間站的結構方案

本方案包括一個直徑1800 米的分段式環形艙，十二根長約900 米的輻條，一個對接艙，一個微重力實驗艙，一套蒸汽發電系統，一套儲熱系統，一套集熱系統，一組陣列拋物鏡面。分段式環形艙內部充有空氣，既可供動植物呼吸、植物光合作用，又能使充氣式艙室處于膨脹狀態。輻條安裝在分段式環形艙和軸線之間，十二根輻條兩兩間隔30°，用于提供向心力以克服空間站自轉產生的離心力；輻條內部設電梯，用于運輸人員和物資往返于分段式環形艙與軸線上的艙室；輻條外部纏繞線圈通電后產生偶極磁場，用于屏蔽太陽風暴和銀河宇宙射線；輻條頂端安裝有離子推進器，用于驅動空間站自轉、調整空間站姿態。對接艙分為旋轉和非旋轉兩個模塊，其中旋轉模塊跟隨輻條及分段式環形艙一起旋轉，非旋轉模塊對接載人飛船或貨運飛船。微重力實驗艙可以為空間生物實驗和微重力物理實驗提供所需環境。陣列拋物鏡面由數千個柔性反射鏡組成，可將平行的太陽光線匯聚于旋轉拋物面的焦點。集熱系統位于旋轉拋物面的焦點，可將太陽能轉化為熱能。儲熱系統位于旋轉拋物面的軸線上，可將熱能以熔鹽的形式儲存起來。蒸汽發電系統也位于旋轉拋物面的軸線上，可利用儲熱系統提供的熱能將水汽化用于驅動蒸汽輪機發電。

如圖1 所示，陣列拋物鏡面接受到的太陽輻射等于直徑1800 米的圓內接受到的太陽輻射。地球距離太陽1.5 億公里，在這一距離上每平方米接受的太陽能功率為1353 瓦。塔式光熱電站的能量轉換效率η 約為17%。根據公式（1）計算得出：本空間站采用光熱發電方式可產生約585 兆瓦的電。這一發電能力高出國際空間站的110 千瓦三個數量級。

圖1 新型千米級空間站的側視圖

P=1353ηA=1353×0.17×2543400≈585000000W （1）

如圖2 所示，分段式環形艙分為十二段，每一段的端部都連接著輻條。輻條的另一端連接軸線。本空間站繞軸線旋轉會產生離心力，平衡該離心力的向心力由輻條提供。十二根輻條內部設置電梯，可用于運輸人員和物資往返于分段式環形艙與軸線上的艙室。十二根輻條外部纏繞線圈。線圈通電后會產生偶極磁場。該磁場可以用于屏蔽太陽風暴和銀河宇宙射線。本空間站運行于太陽同步軌道，不受天氣和日夜的影響，可長期接受太陽輻射，無需用核能作為能量來源。本空間站自轉時由于陀螺效應會使軸線一直對準太陽，這為光熱發電系統（由陣列拋物鏡面、集熱系統、儲熱系統、蒸汽發電系統組成）的工作提供了有利條件。因為熱能比電能更易儲存，所以光熱發電系統相比光伏發電系統具備更強的調峰能力。[6]即使因為某些原因使得本空間站的軌道發生漂移，進而導致陣列拋物鏡面不能一直接受太陽輻射，僅憑儲熱系統內儲存的熱能也可使本空間站24 小時不間斷發電。陣列拋物鏡面由數千個柔性反射鏡組成，其制造和維護成本低于光伏板。這些柔性反射鏡可根據用電需求調節面積。當用電量較少時可將部分鏡面沿周向收攏起來以減少集熱系統接受到的太陽輻射量。當受到隕石和太空垃圾威脅時，可將全部鏡面沿周向收攏起來以規避被撞擊的風險。

圖2 新型千米級空間站的主視圖

如圖3 所示，分段式環形艙的剖視圖被隔板分為上下兩層。上層即靠近軸線的一側，供人類居住生活以及農業生產。下層即遠離軸線的一側，用于儲存物資以及工業生產。之所以將農業生產區和人類居住區布置在分段式環形艙上層，原因有二：一是人類呼出的二氧化碳可以參與植物的光合作用，植物產生的氧氣可以供人類呼吸；二是隔板上的重力加速度大小一致，便于灌溉。本空間站自轉速度為一分鐘一圈。根據公式（2）計算得出：站在隔板上，人感受到的加速度為9.86m/s2，近似地球表面重力加速度。

圖3 新型千米級空間站分段式環形艙的剖視圖

如圖3 所示，本空間站的軸線始終朝向太陽，分段式環形艙的左側一直接受太陽輻射，這為艙內采光創造了有利條件。分段式環形艙上層朝向太陽的一側設有電致變色舷窗。該舷窗利用材料在電場作用下發生可逆光學變化的特性來模擬地球上的白天或黑夜。分段式環形艙朝陽面除了舷窗其他區域可布置柔性太陽能電池，用作本空間站備份電源。分段式環形艙背陰面設有散熱系統。該散熱系統先用熱對流方式把本空間站產生的廢熱搜集起來，然后用熱傳導方式把熱量傳給高發射率材料，最后用熱輻射方式把熱量散向太空。分段式環形艙有兩種結構方案：一是傳統的剛性艙室，二是充氣式艙室。前者的外殼分為三層，由內而外分別是鋁合金、凱夫拉、不銹鋼，這種剛性外殼抵抗隕石和太空垃圾的能力較強。后者主要由防輻射罩和耐壓阻燃蒙皮組成，其重量遠小于前者，并且放氣后的體積遠小于前者，因此便于運載火箭搭載。充氣后艙室體積可突破運載火箭整流罩的限制，達到數十米的艙室直徑。本空間站分段式環形艙由8 個充氣式艙室和4 個剛性艙室組成。每兩個剛性艙室之間設置兩個充氣式艙室。這樣既可以降低運輸難度和建造成本，又可以降低漏氣、火災等風險。當某一艙室發生漏氣、火災時，可關閉艙室間的閘門以防災害升級。當受到隕石和太空垃圾威脅時，人員可快速由充氣式艙室轉入相鄰的剛性艙室避險。

如圖3 所示，每根輻條頂端安裝有四個離子推進器，這些推進器的噴口在分段式環形艙的切線上。其中兩個離子推進器可使本空間站加速或減速自轉，另外兩個離子推進器可用于調整本空間站的姿態。離子推進器的原理是先將氣體電離，然后用電場力將帶電的離子加速后噴出從而獲得推進力。離子推進器的比沖遠大于固體火箭發動機和液體火箭發動機，因此更節省推進劑。離子推進器的缺點是推力小。但對于已經在軌并且沒有空氣阻力的本空間站而言，離子推進器可以通過長時間的持續推進達到需要的自轉速度和運行姿態。

如圖4 所示，對接艙分為旋轉模塊和非旋轉模塊。旋轉模塊跟隨輻條及分段式環形艙一起旋轉。非旋轉模塊用于對接載人飛船或貨運飛船，通常不參與本空間站自轉。旋轉模塊與非旋轉模塊之間設有滑動軸承，以減少二者間的摩擦力。非旋轉模塊邊緣處安裝有兩對離子推進器，推進器的噴口在對接艙的切線上。當宇宙飛船與非旋轉模塊完成對接后，啟動非旋轉模塊上的離子推進器使非旋轉模塊達到本空間站的自轉速度。然后宇宙飛船內的人與貨即可進入本空間站。當宇宙飛船與非旋轉模塊完成脫離后，啟動非旋轉模塊上的離子推進器使非旋轉模塊逆向旋轉達到非旋轉狀態。

圖4 新型千米級空間站對接艙的示意圖

2 新型千米級空間站的建設方法

先用大型運載火箭將本空間站軸線上的五個艙室（對接艙、微重力實驗艙、蒸汽發電系統、儲熱系統、集熱系統）發射至太陽同步軌道。再將環形艙和輻條分段送入軌道后與軸線上的五個艙室組裝為一個整體，使軸線朝向太陽。第三步將柔性反射鏡卷成筒狀送入軌道后安裝在剛性框架上即可展開為平面。數千個平面反射鏡布置在特定位置，共同擬合出一個巨大的旋轉拋物面。該旋轉拋物面能將平行的太陽光線反射到焦點上。位于焦點上的集熱系統將太陽能轉化為熱能。與集熱系統相鄰的儲熱系統將熱能以熔鹽的形式儲存起來。接下來，蒸汽發電系統利用儲熱系統提供的熱能將水汽化用于驅動蒸汽輪機發電。發出來的電供給整個本空間站使用。

供電后，釋放一倍標準大氣壓的空氣（78%氮氣、21%氧氣、1%其他氣體）使充氣式艙室達到完全膨脹狀態，同時啟動輻條頂端的離子推進器使本空間站圍繞軸線自轉，自轉周期為60 秒。直徑1800 米的分段式環形艙在60 秒一圈的自轉速度下能產生與地表等同的重力加速度。然后再將水、土壤、動植物、微生物按照地球上的比例搬運至本空間站。當貨運飛船與對接艙的非旋轉模塊完成對接后，啟動非旋轉模塊上的離子推進器使之達到旋轉模塊的旋轉速度。接下來，將物資經由輻條內的電梯送往分段式環形艙以模擬一個微縮的地球生物圈。最后，分批次將宇航員送入本空間站。宇航員可在本空間站內長期生存和繁衍，并可開展一系列的工農業生產及科研工作。其中工農業生產主要在分段式環形艙內進行。需要微重力環境的科研工作可在微重力實驗艙內進行。

當需要模擬地球上的白天或黑夜時，調節電壓以改變分段式環形艙上的電致變色舷窗的光學屬性（反射率、透過率、吸收率）。當本空間站的軌道發生漂移或姿態發生偏轉時，啟動輻條頂端的離子推進器使本空間站恢復設定的軌道和姿態。當光熱發電系統出現故障時，由貼附在分段式環形艙外表面的光伏發電系統為本空間站供電。當有太陽風暴發生時，給纏繞在十二根輻條外部的線圈通電以產生偶極磁場，利用磁場來屏蔽太陽風暴。當有隕石或太空垃圾來襲時，將全部柔性反射鏡沿周向收攏起來以規避被撞擊的風險，同時將人員快速轉移至剛性艙室避險。除了與地球開展必要的信息交流，本空間站可實現完全的自給自足，建成后無需再從地球補給物資。

3 新型千米級空間站的效果

本方案的效果在于結合了斯坦福圓環和光熱發電站的優點，克服了現有空間站失重以及對太陽風暴防護能力不足的缺點，既可利用太陽輻射發電，又能產生人造重力以便宇航員長期生存，還可產生偶極磁場用以屏蔽太陽質子事件與銀河宇宙射線。相較于地球這樣體量的行星，本空間站所產生的萬有引力要小得多。航天器往返本空間站所消耗的能量要遠小于往返地球。因此，本空間站適合用作太空旅行的中轉站。另外，除了光熱發電系統，本空間站還有貼附在分段式環形艙外表面的光伏發電系統。即使兩套發電系統中的一套發生故障，本空間站依然可以維持基本運轉不至于危及人員安全。本空間大量采用柔性反射鏡、柔性太陽能電池、充氣式艙室，大大減輕了運輸難度，減少了空間站建造成本。本空間建成后可實現生態循環，人員所需的食物、氧氣等物資可實現自給自足，無需再從地球補給。