深空探测重力模拟飞行器方案设想

杨自鹏，张 群，东华鹏，杜大程，毛宇飞

(1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076;2.北京航天爱锐科技有限责任公司，北京 100176)

0 引言

随着航天技术的飞速发展，人类认识太空的手段越来越丰富，探索宇宙奥秘的步伐稳步推进，不断提升人类进入太空的能力，有利于促进对太阳系及宇宙的形成与演化等重大科学问题的研究，有利于推动空间技术的跨越式可持续发展。载人深空探测的未来发展包括4个可能的发展方向：探索火星、加速太空旅行、月球定居和星际航行探索。上述发展方向中，深空探测飞行器复杂程度将越来越高，规模也越来越大，天基系统的建设和维护需要人参与的程度越来越深，譬如航天员参与完成大型航天器的在轨组装，负责航天器日常打理等服务支持等。而航天员在零重力环境下的工作、操作是难点，航天员生理健康状况将严重制约其在轨服务时间。为解决零重力环境对航天员生理健康的影响，建立适应人类生理的天基系统则是航天技术下一步发展的大战略。本文提出了一种通过人造重力来模拟地球重力场环境的深空探测飞行器，重力模拟系统的建立将使得人在天基系统中的工作、生活与地面无异，大大延长在轨驻守时间，为更远的深空探测提供必要保障。

1 重力模拟飞行器研究背景

1.1 失重环境对人的影响

载人深空探测任务中失重环境是最重要的环境因素之一，对长期在轨航天员生理的影响一直是航天医学重要的研究方向，地面上为研究失重对人机体的影响一般通过弹射座椅、升降梯或飞机快速俯冲后立即拉升等方式实现，如图1所示。失重将对航天员的健康产生一系列影响，例如头痛、心脏收缩、骨密度下降、肌肉退化、眩晕和视力下降等。根据从国际空间站返回的航天员身上提取的数据，肌肉和骨骼退化是航天员在太空面临的最大问题之一。美国国家航空航天局(NASA)的记录显示，有的航天员在抵达国际空间站的短短11天内，肌肉质量萎缩约20%。此外，航天员生活在失重环境中，他们的体液也会受到显著影响，体液会重新分布，血压调节变小将导致心脏功能退化；失重还会导致骨骼内的钙流失，骨重大概损失1%/月，免疫系统也将受到一定程度减弱，不再积极应对感染。直观上可以看出，这一切对人体的不利影响均是由于失重的影响，因此可寻求消除失重、模拟地球重力的策略来帮助航天员保持身体健康。

图1 利用飞机制造失重环境Fig.1 Created weightlessness by airplane

1.2 国内外研究进展

为了能够让航天员长期健康地执行空间站在轨服务或深空探测任务，国外在重力模拟飞行器方面有着大量而广泛的研究。NASA在1953年设计了一个76 m长、采用尼龙材料的可充气圆环形空间站，飞行器以3 r/min的速度旋转时可以产生0.3的人造重力，在1975年人造重力测试报告中认为半径为1.8 km的Stanford圆环形结构最具有可行性，如图2所示。NASA曾设计过通过旋转产生人造重力飞行器的雏形——六边形可充气旋转空间站设想，于1989年提出了火星探测自旋空间飞行器概念，如图3所示。1969年的空间站概念，从阿波罗计划的各个阶段组装到轨道上，空间站在其中心轴上旋转以产生人造重力，如图4所示。Kent Joosten设计了56 m半径的人造重力飞行器，以核电为动力进行推进，当飞行器以4 r/min的速度旋转时，飞行器生活舱可产生1重力，如图5所示。1971 年英国行星学会的报告提到由一系列圆柱形太空舱构成的“太空基地”，人造重力可达地球重力的1/2，如图6所示。之后Zach Barbeau提出了基于可充气梁(Arm-strong)的重力模拟概念飞行器，图7所示为宇航员乘坐重力模拟飞行器探索火星的效果图。

图2 可充气圆环形空间站Fig.2 Inflatable circular space station

图3 火星探测自旋飞行器Fig.3 Spin spacecraft of Mars exploration

图4 NASA重力模拟空间站Fig.4 Gravity simulated space station of NASA

图5 核电推进旋转飞行器Fig.5 Nuclear powered rotating spacecraft

图6 太空基地重力模拟舱Fig.6 Gravity simulator in space base

图7 重力飞行器火星探测Fig.7 Mars explorationby gravity simulator

2011年开始，Oklahoma State University 开展了基于充气式支撑臂结构的人造重力模拟系统研究，并进行缩比模型的地面试验，如图8所示。美国的Space Island Group(太空岛集团)打算利用美国航天飞机的12个大型外置燃料罐(每个直径8.4 m，长48 m)连接成环状的太空旅馆，以1.7 r/min的转速模拟1/3的地球引力，计划在600 km 高的近地轨道上建设，如图9所示。

图8 地面失重环境缩比试验Fig.8 Shrinkage test in weightless environment on the ground

图9 微重力体验太空旅馆计划Fig.9 Microgravity experience of the space hotel program

我国已完成神舟飞船与天宫飞行器的载人交会对接飞行试验，全面突破和掌握了交会对接飞行技术，标志着神舟载人飞船实现了载人天地往返运输系统的全部功能，具备了为载人近地轨道飞行器运送航天员的能力，开始进入应用服务阶段。交会对接技术可为重力模拟飞行器的在轨组装提供技术支撑。国内针对空间飞行器重力模拟系统的研究较少，关于零重力环境对仪器设备，对航天员生理健康、饮食起居等的影响已开展适应性的研究。

国外重力模拟飞行器方案基本都有围绕中央轴旋转的结构，旋转体由绳系柔性连接或桁架结构刚性连接,通过自旋或互旋的方式产生一定的离心加速度模拟地球重力环境。随着论证的深入，国内外加强了人造重力对人机体影响及生物再生生命保障系统的研究，预计未来重力飞行器功能越来越健全，规模也越来越大，将满足长期在空间生活、科研需要，更适合人类生活居住，是航天向深空化发展的必经之路。

2 重力模拟飞行器方案设想

2.1 重力模拟原理及意义

深空探测重力模拟飞行器基本原理是通过多个飞行器单独发射入轨,利用交会对接技术完成在轨组装后，通过动力系统工作使其旋转产生离心加速度，从而实现地球重力的模拟。为了方便表述，以两个飞行器自旋模式为例进行阐述。

重力模拟飞行器系统至少需要两个飞行器通过连杆组装成自旋飞行器。单个飞行器通过运载器发射至指定轨位，两个飞行器通过其动力系统进行近程机动、交会逼近、姿态调整及对接，之后两飞行器相向运动至沿连杆完全展开。在两个飞行器动力系统的作用下做自旋运动，角速度由0逐渐加速到设计值后停止加速，此时重力模拟飞行器做匀速圆周运动，舱内形成离心力来模拟重力场环境，自旋产生的向心力由轻质化连杆连接装置承受，自旋中心沿惯性轨道飞行。自旋运动学符合向心力公式为

==

(1)

式中，为产生的离心力，为单个飞行器质量，为自旋运动角速度，(=1,2)为飞行器内外壁距旋转中心的距离，(=1,2)为飞行器内外壁产生的离心加速度。重力模拟飞行器飞行基本原理示意如图10所示。

图10 自旋运动示意图Fig.10 Schematic of spin motion

人在人造重力下感受到的舒适度与科氏力的大小有关，科氏力公式为

=2(×)

(2)

式中，为科氏力，为相对转动系的运动速度向量，为旋转角速度向量。科氏力太大将会引起头晕和运动病，由式(2)可知并不只与旋转半径或旋转角速度有关。在维持所需重力水平的情况下，唯有增大旋转半径，降低转速，才能降低科氏力水平，如图11所示。通过通过大量试验研究表明，当旋转半径较小，人工重力加速度在0.17～0.3时，人在旋转环境中行动舒适感最好；如果在0.3～0.5，行走时将感觉下身沉重，甚至难以行走。在星际航行任务中，将人工重力调节在舒适区内，人在空间环境生活与地面差异相对较小，对人机体的影响较小，一定程度上大幅延长了航天员在轨执行任务的周期。人工模拟重力舒适度如图12所示，经初步分析可知“舒适区”旋转角速度最大不要超过4 r/min时最为适合，此角速度处在人可承受的舒适范围内，同时旋转交叉耦合效应对人的影响不剧烈。

图11 科氏力随半径的变化规律Fig.11 The variation of Coriolis force with radius

图12 人工重力舒适度图表Fig.12 Aritificial gravity comfort profile

为使得人员在飞行器舱内感受舒适，设计载人飞行器内外侧离心加速度相差不大于0.1(为地球表面重力加速度)，利用离心力表达式计算可得

(3)

求解可得载人飞行器自旋所需旋转半径及旋转角速度。重力模拟过程如下：两个飞行器通过连杆系统完成组合体对接后共同飞行，在两个飞行器动力系统控制力协同作用下，两飞行器相向运动至连杆展开锁紧后，飞行器组合体开始匀加速自旋运动，最终动力系统停止工作，两飞行器做匀速圆周运动，其中根据飞行器动力矩定理可得出达到地球表面重力加速度时发动机所需的工作时间。

2.2 实施规划

重力模拟飞行器系统的实施规划可采用与载人航天工程类似的“三步走”发展战略，重力模拟飞行器从总体方案设计到飞行演示验证为项目实施的小三步规划，即重力模拟飞行器平台的第一阶段；第二阶段为重力飞行器飞行演示验证成功后，重力系统的组网建设;第三阶段为重力模拟飞行器平台拓展为在轨有人值守的空间实验室或执行深空探测任务。第一阶段开展分为以下4步：

第一步：重力模拟飞行器概念体系建立及总体方案设计，构建飞行器原理模型及仿真分析；

第二步：重力模拟飞行器原理样机生产、总装，开展地面交会对接演示，建立大型旋转试验台进行地面自旋试验验证；

第三步：运载器将飞行器运送到指定轨位分离后，开展飞行器在轨组装，组装成整体后通过动力系统作用相向运动至伸展机构展开锁定，并自旋加速完成重力模拟飞行演示验证。

为降低第一阶段重力模拟飞行器的研制成本，可基于天宫飞行器进行加装大型构架式空间伸展臂或侧装交会对接机构等改制，以满足演示验证任务需要，下文以此为基础开展方案设计工作。

2.3 总体方案

两个飞行器入轨后通过集成对接机构的大型构架式空间伸展臂(与美国空间伸展臂类似)实现在轨组装，其中一个飞行器配置主动可伸展对接机构(与空间伸展臂一体化集成)，如图13所示；另一个飞行器舱壁中间设置8个快速连接装置，实现与对接机构的在轨快速组装(配置被动对接机构)，如图14所示；其他均采用模块化设计。飞行器前后均还设置与其他飞行器的交会对接机构，可实现多个飞行器的连接，进行功能拓展。参考天宫二号总体参数，重力飞行器由长征二号F火箭发射，全长10.4 m，最大直径3.35 m，太阳翼展宽约18.4 m，质量为8.5 t，两个飞行器系统的总体方案直径约为41 m，整体总质量约为18 t。多个飞行器组装完成全连通系统的总体方案直径约为82 m，整体总质量约为500 t，其规模将远大于国际空间站(370 t左右)。

图13 主动对接飞行器Fig.13 Active docking spacecraft

图14 被动对接飞行器Fig.14 Passive docking spacecraft

2.4 在轨组装流程

重力模拟飞行器系统空间交会对接与传统的交会对接技术相同，不同之处在于可以将重力模拟飞行器拓展为重力模拟飞行器系统，其流程如下：

第一步：建立由两个飞行器及伸展臂组成的重力模拟飞行器系统，其中一个飞行器作为平台核心舱，用于与其他飞行器的在轨交会对接，如图15所示；

图15 两个飞行器组装示意Fig.15 Two spacecrafts assembled state

第二步：进行第三个飞行器与核心舱的在轨交会对接，完成3个飞行器组装后，外侧飞行器旋转90°并锁定形成三体重力模拟飞行器，如图16所示；

图16 3个飞行器组装示意Fig.16 Three spacecrafts assembled state

第三步：完成多组飞行器与核心舱的交会对接，过程与第三个飞行器的在轨组装相同，如图17所示，同时为适应多种对接模式的需要，完成交会转移对接机械臂系统的搭建；

图17 飞行器系统初步建立示意Fig.17 Preliminary establishment of multiple spacecrafts system

第四步：依次完成核心舱外飞行器(重力模拟舱)与核心舱的交会对接，通过之前搭建的交会转移对接机械臂系统将重力模拟舱沿径向移动与外侧重力模拟飞行器进行交会对接，最终目标建立封闭的天基重力模拟飞行器系统，如图18所示。

图18 全连通重力系统示意Fig.18 A fully connected gravity system

2.5 技术难点

在太空中通过自旋加速产生向外的、近似重力的离心力进行地球重力模拟的飞行器系统的研究存在以下技术难点：

1)全连通重力系统存在系统复杂、规模庞大、在轨组装难度大等特点，与其相比3个或多个飞行器组成的重力模拟系统较为容易，为增大重力舱空间、连杆半径，降低飞行器转速要求，需大力发展重型运载火箭或智能在轨组装技术；

2)为适应载人重力模拟飞行器系统需研制多功能集成、特殊的交会对接系统，旋转接合装置和密封装置，技术将非常复杂、繁重，研制费用需要将非常巨大；

3)重力模拟飞行器系统的建设可采用静止对接或旋转动态对接两种空间对接方案，但当重力飞行器系统组装较大规模时，若选择静止对接方式，需重力系统减速保持相对静止予以配合，对接后再次起旋加速至设计状态，将耗费大量能源予以保障；若选择旋转对接方式，需研制适应旋转条件下进行对接的新型交会对接机构及对接策略，对接技术将面临新的挑战，因此需充分论证适应重力系统不同建设时期所需的空间对接方案；

4)自旋运动的空间飞行器对物体的不平衡是极其敏感的，就像汽车轮胎需进行动平衡标定一样，一旦不平衡水平较高，汽车行驶中将摇晃不稳定，自旋飞行器与之相似，为了防止摇晃必须增加附加的载荷或开展在线质量特性辨识等工作予以配平，对于飞行器参数识别与算法控制将具有较大挑战；

5)人造重力仅是模拟地球重力，但对人体的适应性仍需开展大量研究，需充分认识重力环境对物理、化学和生物过程不同阶段所起的作用。

3 结论

本文初步调研了国内重力飞行器的研究现状，分析了空间失重环境对人体的不利影响。基于重力模拟飞行器的原理及人造重力舒服度的影响因素，提出了一种通过自旋产生人造重力的飞行器总体方案，并给出了重力模拟飞行器的实施规划及在轨组装流程，分析了存在的技术难点。深空探测重力模拟系统的建立可为深空探测提供在轨停靠、补给、健康疗养等服务，还可为航天员提供更加符合人体需要的重力场环境，有助于执行更深更远星球的深空探测任务。重力飞行器还可为太空旅行者提供休息、休整的“太空旅馆”服务，也将为月球定居或太空移民计划提供技术支持。