新型月地空间运输平台概念设计

李惠峰，林振海，薛松柏

（北京航空航天大学，北京100191）

新型月地空间运输平台概念设计

李惠峰，林振海，薛松柏

（北京航空航天大学，北京100191）

随着宇航技术的不断发展，月球探索将成为人类的重要活动，地月之间的旅行将变得越来越频繁.但是，目前探索月球的太空旅行费用相当高昂.提出了一种旨在降低地月往返运输成本的新型空间投射-拦截平台概念.它是空间绳系系统、储能系统和空间站系统概念的有机结合.利用该系统有望将现有空间探索能耗水平降低至少一个数量级.阐述了这种新系统的优势及可能遇到的关键技术问题，并初步分析了新系统的可行性.

月球探索；投射-拦截平台；月-地空间运输平台

从上个世纪70年代起，人类开始探索月球，进入新世纪，随着全球能源和资源的紧张，以及科学技术的日益发展，世界主要航天大国又重新燃起了对月球探索的热情.2006年12月美国NASA重新启动了其探月计划，并准备在月球建立永久基地，2003年ESA（european space agency）发射了SMART-1空间探测器，并于2004年11月在月球着陆，2007年日本发射了SELENE探月卫星，中国也于同年发射了嫦娥一号探月卫星.完全可以预期，对月球的探索和开发将成为人类未来几百年里最重要的空间探索活动，地月之间的旅行将变得越来越频繁.但是，目前太空旅行的费用相当高昂，将1kg的物体送入近地轨道的费用为10000美元，送入地球同步轨道则需要十倍的价格，如果是送入月球轨道就需要更多费用［1］.在阿波罗计划中，土星五号火箭的发射重量超过3000 t，在消耗了2600 t燃料之后，仅仅将16t的有效载荷送抵了月球，最后只有6t物体返回地球.如此巨大的能量消耗对于长期的星际运输是无法接受的.在这种情况下，利用传统方法进行地月之间大量的人员和货物往来是不现实的，人类必须寻找新的方法，以降低地月旅行费用.

为此，世界各航天大国都投入大量人力物力进行空间运输平台和运输载具的新概念研究.长期在轨的、节能高效的空间运输平台成为未来发展的必然趋势.美国计划将在2020年前开始对月球进行工业化开发，并于2024年前在月球建设三座常设基地.为配合这一计划美国科学家提出了大型核动力飞船概念，通过核能的持久性和高功率，实现长期的地月运输.俄罗斯科学家提出在地月之间的拉格朗日点修建一座大型的空间站，在这一点上如果航天器靠地球这一边，便会自动向地球靠拢，如果靠月球一边就会向月球靠拢，而不需要额外的燃料，或者至少从这点出发会比较省燃料.

为实现地月之间高效旅行，本文提出了一种旨在降低地月往返成本的新型空间运输平台概念，它是一种空间绳系系统、储能系统和空间站系统有机结合的空间运输平台系统.利用该平台有望将现有空间运输能耗水平降低至少一个数量级.

1 月地运输平台方案

如图1所示，设想在地球中低轨道上运行一个飞行器“投射-拦截”平台，速度为7.9 km／s左右.当飞行器从月球以11.2 km／s的速度返回时，通过平台拦截并存储飞行器的巨大动能，将飞行器由第二宇宙速度减速为第一宇宙速度，一方面可以省去飞行器用来制动所用的燃料，另一方面，储存的动能一部分还可以被转换成飞行器飞回月球的能量.如果飞行器是从火星返回，则可以节省更多的能量.飞行器在空间平台进行人员、物资和能量补充后，再通过平台以一定的速度和方向发射向月球或火星，可以避免由地球发射造成的巨大能量消耗.如果在月球轨道上也建立同样的“投射-拦截”平台，那么飞船就可以很便捷地在地月之间来回穿梭了.

空间运输平台是由4个储能平台和4条100m×100m的大型桁架组成的“投射-拦截”系统，见图2所示，每个储能平台上都装有推进装置，用以轨道维持和姿态调整；4条桁架都可以主动控制刚度，以便控制拦截后引起的振动.

本文设计了两套基于不同储能原理的平台：“飞轮储能＋绳系系统”和“超导储能＋绳系系统”.飞轮储能就现有技术水平而言更容易实现，但其缺点是飞轮的储能能力有限，且以机械能形式存储，在释放能量的速度上受到限制；超导储能被当前学术界看作是最有前途的大型能源储备方式之一，但目前只有一些初步的原理样机投入测试.利用空间绳系系统能够实现绳系末端与空间飞行器的交会对接［2-3］.国外很多机构对绳系辅助交会进行了具体的研究，目前已经初步开展了空间试验［4］.本文将对两种储能形式的平台分别进行阐述.

2 运输平台工作原理

利用空间运输平台进行飞行器投射-拦截是一个比较复杂的过程，但是其工作原理是比较简单的.本节阐述利用空间平台进行飞行器投射-拦截的基本原理和过程.

飞轮工作的基本原理如图3所示.

图3 飞轮工作原理图

飞行体以速度V1向右运动，左侧则有一个被绳索缠绕的轮盘，绳索的一端与飞行体固定，当轮盘以V0的速度释放绳索时，若V0＝V1，绳索上将没有张力.但若轮盘角速度ω略小于V1／R，那么绳索将产生一个微小的形变δx，考虑绳索的弹性系数为k，可以计算出绳索对飞行物体的拉力为F＝kδx.如果能够控制轮盘角速度ω，就能够控制绳索对物体的拉力，从而达到减速的目的.

现在将这套系统平移到一个空间站上，结合储能系统形成一种“投射-拦截”系统.“投射-拦截”系统的工作过程可分为储能过程（拦截）和释能（投射）过程.

“飞轮储能＋绳系系统”设计方案的储能过程就是将飞船的动能转化为转子动能和平台动能的过程，如图4所示.

图4 飞轮储能过程（拦截过程）示意图

通过把绳系飞轮和一个磁悬浮的储能飞轮相连接.当飞船被拦截时，通过调节控制器控制负载大小以及微调磁场强度和回路阻抗大小，在保证电机工作在额定转速的情况下，控制绳系飞轮转速和力矩.此时超导电机1充当的是发电机角色，将飞行器的动能转化为电能，通过超导电机2将能量存储在磁悬浮的储能飞轮上（可能是一组）.储能飞轮和绳系飞轮有较多不同之处，绳系飞轮采用低密度、小直径、大宽度的设计，这样可以降低能量的损耗，并且可以具有更高的转速，可以缠绕更长的缆绳.储能飞轮采用高密度、大直径、质量尽量分布在边缘［5］的设计，这样可以在低转速下存储更多能量.该过程中，空间站和飞船之间具有以下能量转换关系：

式中，ΔEvehicle为飞行器动能的减少量，ΔEwheel为能量存储轮旋转动能的增加量，ΔEplatform为能量存储空间站动能增加量，Q为其他无用能量消耗，例如产生的热能和辐射.

投射是储能过程的逆过程，是平台将飞船从第一宇宙速度以6～10g的加速度按照需要的方向，通常是平台运行轨道近地点的切向方向，加速到奔月速度的过程.当飞船被投射时，此时超导电机2充当的是发电机的角色，将储能飞轮的动能转化为电能，通过超导电机1对绳系飞轮进行加速，将与平台有适当距离（由飞行器所需的发射速度决定）的飞行器加速到发射速度.如果平台拦截的是由地面发射的飞船，还可以直接由平台本身的动能，帮助飞船提升轨道.在没有发射或拦截任务的时候，由太阳能或者小型核反应堆发电加速储能飞轮存储能量，用于投射飞行器、平台轨道保持、平台轨道机动和姿态修正.

“超导储能＋绳系系统”设计方案的总体框架和“储能飞轮＋绳系系统”基本一致，唯一不同的地方就是将存储能量的方式改成超导储能.将以机械能形式存储的动能，改变为以电磁能形式存储.所谓超导储能（SMES）是将能量以电磁能的形式储存在超导线圈中的一种快速、高效的储能方式［6］.

超导储能是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回到需要的负载上.超导线圈中储存的能量W可由下式表示：

式中，L为线圈的电感，I为线圈的电流.

超导线圈在通过直流电流时没有能量损耗，因此，超导储能采用直流系统.它可传输的平均电流密度比一般常规线圈要高1～2个数量级，可以达到很高的能量密度，现在的水平可达为108J／m3.它与其他的储能方式如蓄电池储能，飞轮储能相比，具有毫秒级的响应速度、大功率、寿命长及维护简单等优点.SMES难点就在于要保持超导条件的超低温环境，在地面可能代价较高，但是在太空中，这种超低温条件尤其对于高温超导是很容易满足的.系统的简要工作原理如图5所示.

图5 超导储能＋绳系系统示意图

和“飞轮储能＋绳系系统”相同，该系统同样采用绳系系统和超导电机作为拦截和投射的直接动作系统.在拦截时，由绳系飞轮拖动电机发电，将飞船的机械能转换为电能存储到SMES组中.通过控制器调节电机负载从而调节绳系飞轮力矩，控制绳系张力，进行飞船减速.投射过程是上述过程的逆过程.SMES在平时可由太阳能阵列或者核反应堆提供能量，以便投射时使用.

3 运输平台的优势分析

基于以上对空间运输平台基本概念和工作过程的阐述，下面分析建立该平台所能带来的好处.

3.1 大量减少能源消耗

利用这套地月运输系统，能够避免在深空或星际探索飞行器发射回收过程中克服地球引力、返回过程减速、月球轨道减速以及克服月球引力等方面的大量能量消耗，仅仅需要飞行器轨道修正和往返飞行的能量消耗，这种能量消耗相比较于其他过程的能量消耗要小的多，初步理论估算这套系统的能耗水平有可能降低到目前能耗的1%以下.

3.2 飞行器的重复利用

空间运输平台运行在地球低轨道，执行货物运输和星际探索任务的飞船与传统的返回式飞船和航天飞机相比，具有根本上的区别，只需在该平台上进行能源补给，而不需要再入大气层返回地面，因此飞船不会受到大气烧蚀作用的影响，可以重复多次利用，这无疑也可以节约长期运行成本.

3.3 缩短发射周期

空间运输平台运行在地球低轨道，执行货物运输和星际探索任务的飞船可以完全不受天气的影响，由于中低轨道的轨道周期仅为一个多小时，因此一天中可能有多次发射机会.

3.4 再入返回可用低轨道再入方法

如果飞船确实需要返回地面的话，可以采用近地轨道的返回方法，这样飞船的热过载防护可以采用近地轨道飞船的方案，要知道从月球或者火星返回的飞船其热防护和过载防护系统的造价同一般的近地轨道飞船是不一样的.并且制导律也可以采用近地轨道飞船的制导律.

3.5 返回精度高，时间约束少

由于飞船先停留在近地轨道上，有充足的时间确定其运动参数，并且返回的时间地点可选择性都更宽了，这样能保证飞船以更高的精度安全返回目的地.

3.6 可用近地轨道运载火箭补给

对于不能够在地球低轨道运行平台进行补给的资源，可以通过发射地球低轨飞行器进行补充.发射月球飞行器和发射地球低轨道飞行器所使用的火箭价值并不是成线性增长的，发射地球低轨道飞行器的费用更低廉.

3.7 长期的在轨实验室

空间平台本身就是一个非常有吸引力的巨大资源，它能够被作为空间站，甚至是空间工厂，生产大量的空间产品.

3.8 提供商业发射服务

如果该平台能够投入实际应用，进行商业发射将成为最诱人一个方面.并不是每一个国家都有能力建设这样一个空间平台，对于那些没有能力进行月球探索和旅行的国家来说，利用这样一个平台抵达月球是最经济的一种方法.因此类似空间平台将为其拥有国家带来巨大的经济和政治优势.

4 运输平台可行性分析

4.1 能源消耗分析

提出空间运输平台概念的基本出发点是实现高效率、低消耗、低成本的地月甚至星际间的人员和货物往来.因此该系统是否能够节省能源和能够节省多少能源是必须解决的问题.下面首先概略地分析了空间飞行器发射回收过程的主要能源消耗，能源消耗列表见表1.

表1 能源消耗列表

（1）克服地球引力

当火箭发射时，火箭所携带的能源不但要将飞行器带入外层空间，还需要将大量的推进剂同时带入外层空间的转移轨道，这一部分消耗的能量是十分惊人的.

（2）在大气中摩擦减速的能量消耗

由于飞船返回时，以第二宇宙速度再入，动能十分巨大，而这些能量都需要在返回再入大气层时消耗掉，这样才能安全返回地面.因此，它是第二位的能量消耗点.

（3）月球轨道减速需要消耗能量

月球表面没有空气，当飞行器抵达月球后，必须利用自身携带的能源制动后才能够安全的降落在月球表面，这也需要消耗大量燃料.

（4）返回时克服月球引力

飞船从月球返回时，与从地球出发一样，需将飞船加速到脱离月球的速度，同样也需要消耗燃料.

（5）飞往月球轨道修正

在飞往月球的过程中，飞行器由于受到各种干扰和误差的影响，需要不断的调整轨道和姿态，需要消耗能量.

（6）返回地球轨道修正

飞行器返回地球同样需要消耗能量进行轨道和姿态修正.

（7）返回制动需要消耗能量

如果是要返回再入，飞船在靠近地球后，需要在适当的时候点火脱离原来的地月轨道，进行再入，这里也需要用火箭发动机，也需要消耗燃料.

利用空间运输平台就能够避免克服地球引力、返回过程减速、月球轨道减速以及克服月球引力等步骤的大量能量消耗，仅仅需要进行往返飞行轨道和姿态修正的能量消耗，虽然增加了空间平台轨道维持等额外能量消耗，但相比较直接由地球发射接收飞行器，能量消耗要小的多.

4.2 导航精度分析

当飞行器自月球返回，飞行距离超过380 000 km，飞行器是否能够最终达到100m×100m的精度呢.一方面，地球外部空间环境相对比较简单，很多问题甚至可以得到解析解；另一方面，飞行器自月球返回过程中，可以与空间平台保持通信，相互协作完成拦截过程.估计这样的精度应该能够保证.例如美国航空航天局的火星探测车使用的新型导航设备，能够使探测车在火星上着陆的误差小于100m.该导航设备同样可以用于本文提出的空间运输平台.

同时，在平台发射或拦截飞行器后，空间平台的参数将产生巨大变化，如何测量这些变化？如何控制平台参数变化在合理的范围内是一个非常关键的需要解决的问题.目前美国和俄罗斯的航天飞机及飞船已经多次与国际空间站成功对接，为飞行器在空间平台安全着陆提供了必要的数据支持和安全保证，也为空间平台的轨道调整和机动提供了大量经验.

4.3 绳系系统可行性

绳系系统是运输平台方案的关键子系统.其主要问题在于绳索的拉力和绳索的长度.假设返回飞行器的重量为10 t，飞行速度为12 km／s，以10 g的加速度进行减速，绳索的拉力将达到1 000 00 N到1 000 000 N，绳索的长度将到达20 000m，因此需要有能够承受如此拉力和长度的绳索.据了解，目前已研制出的超高强度聚乙烯纤维强度达到3～4GPa［7］，是能够满足拉力要求的.而多个国家正在研制中的炭纳米管材料，强度可达50～200GPa，完全能够满足平台绳系系统的需求.

4.4 绳系系统飞轮的可行性

飞轮系统的关键是由于摩擦力和材料强度的限制，飞轮的旋转速度并不能无限增加，由于离心力的作用，太高的转速将造成轮盘被撕扯成碎片，这样的情况发生的话，将对空间平台造成巨大损伤.粗略估计，如果轮盘的半径为5m，角速度将达到400 r／s，虽然目前还不能确信轮盘系统是否可行，但将做进一步研究.

4.5 超导储能系统的可行性

近年来，关于超导储能的研究在美、日、欧以及中国都取得了长足的进步，尤其是在超导磁储能方面，已经有多台样机投入运行.超导储能技术能量存储能力很高，理论上完全可以将其运用于航天系统.但是，超导储能系统具体的模型应该是怎样的，应该如何与系统有机组合从而完成既定任务还需要进一步的分析和研究.

5 结 论

本文提出了一种新型的月地运输空间平台概念，并对其优势及可行性进行了粗略地分析，初步认为这一设计思想是可行的，但对于这样一个复杂系统，存在着比本文陈述的问题更多的难点.接下来，将进行系统建模、仿真和实验，进行深入研究，对该设想进行修正和检验.希望能够在人类不远的将来，使用类似系统实现高效、安全的星际旅行.

［1］ Powell J，Maise G，Paniagua J，et al.An international facility to magnetically launch payloads at ultralow unitcost［C］.The 57thInternational Astronautical Congress，Valencia，Spain，2006

［2］ 由磊磊.绳系卫星系统交会对接的应用与设计［J］.航天器环境工程，2007，24（1）：37-41

［3］ Carroll J A.Tether app lications in space transportation［J］.Acta Astronautica，1986，13（4）：165-174

［4］ Stuart D G.Guidance and control for cooperative tethermediated orbital rendezvous［J］.Journal of Guidance，Control and Dynamics，1990，13（6）：1102-1113

［5］ 白越，黎海文.复合材料飞轮转子设计［J］.光学精密工程，2007，15（6）：852-857

［6］ 周晓兰，韩居华，辛玲.超导储能及其在电力系统中的应用研究综述［J］.电力情报，1999（3）：1-3

［7］ 崔本廷.空间绳系的控制与应用［D］.国防科技大学，2006

A New Concept of Moon-Earth Space Transportation Platform

LIHuifeng，LIN Zhenhai，XUE Songbai
（Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

In the future hundreds of years，the moon exploration will become one of the most important human activities，and the travel between earth and moon will be more and more frequent.However，the cost of moon travel to date is enormously high.The article presents a new concept of space transportation platform as a combination of space tether system，energy storage system and space station system.According to a rough estimate on this system can probably reduce at least 90%of the current cost of transportation from the earth to themoon.The framework of the platform and its key technologies are discussed.Moreover，the feasibility analysis of the new system is conducted.

lunar exploration；launch-receive platform；Moon-Earth space transportation platform

V488.2

A

1674-1579（2009）05-0043-05

2008-11-04

李惠峰（1970—），女，陕西人，副教授，研究方向为高速飞行器制导与控制、离散事件系统理论和混合系统理论（e-mail：lihuifeng＠buaa.edu.cn）.