在軌組裝深空探測中繼-出發站構想

星際航行2018-05-28 01:38:22

        2018年中國空間研究院神舟學院的“深空探測技術概論”課程已經講解過半,學生們針對載人深空探測任務進行了創新性設計構想,現摘錄一些學生的優秀作業與讀者分享。(注:已經作者授權。)學生們的作業或許稚嫩,或許不成熟,但都代表了他們對未來的思考。


摘要:本文對人類深空探測的歷史進行梳理,概括了深空探測的重大意義,歸納深空探測的發展趨勢。提出了在軌組裝模式,通過大型可展開天線的拼接,建設地球深空探測中繼站的構想。分析了NASA規劃中的“月球軌道平臺-門戶”空間站,並以同步軌道中繼站為基礎,進一步提出了未來多功能常駐航天員的深空探測中繼-出發站構想,及其所面臨的關鍵技術,並對火星的深空探測中繼站構型進行了展望。 

關鍵詞深空探測;載人航天;在軌組裝;深空通信;空間站

引言

深空探測伴隨著人類探索太空的腳步,自從1957年蘇聯成功人類第一顆人造衛星以來,對地外天體的探測活動與地球軌道的航天活動幾乎同步開展。早在1958817日,美國就嘗試發射月球環繞器Pioneer 01959914日,蘇聯的Luna 2探測器在月球表面硬著陸,成為歷史上第一次成功的地外探測活動。

關於深空探測的定義,國際上存在多種觀點。我國目前採用的是“對月球及以遠的天體或空間開展探測活動”[1]作為深空探測的定義,而國際電聯(ITU)在1988年把對200km以外的天體或空間環境進行的探測定義為深空探測[2]

深空探測的意義主要有如下幾個方面:

其一,深空探測是人類作為智慧生命的必然需求,也是人類認識宇宙、探索宇宙、邁向宇宙的必經之路,是造福於全人類的大事。

其二,深空探測對科學技術的發展有直接的拉動作用。規劃探測任務,研製深空探測器,對國家的地球和空間科學、行星科學、天文學等基礎學科有很高的要求,對航天技術硬實力有很高的挑戰。通過實施深空探測任務,能夠對相關學科以及相關技術領域產生強有力的拉動,顯著提升國家的科學技術水平,並反過來應用於更廣泛的生產領域。

其三,深空探測體現了一個國家的綜合實力,能夠鼓舞民族自信心,推動航天后備力量培養建設,號召更多有志青年投身祖國航天事業。

人類對太陽系的探測經歷了三個階段,分為兩次高峰期和一次低谷期。

第一次高峰從1958年“先驅者0號”發射,到20世紀80年代初期為止[3]。其背景是美蘇冷戰的太空競賽,兩個超級大國對航天領域不計成本地投入,都取得了令人矚目的成就,其中以美國載人登月和蘇聯的月球無人採樣返回最為引人注目[4]

在地外行星探測方面,美蘇兩國側重點有所不同。總的來說,蘇聯關注於內行星的環繞與著陸探測,而美國則對飛掠探測、重力加速技術與外行星探測更為偏好。1977年,美國發射了Voyager1Voyager 2探測器,藉助天文學中難得的發射窗口,利用重力加速,成功探測了木星、土星、天王星和海王星,並相繼飛出太陽系,成為星際飛船。其採用的放射性同位素熱電機(RTG)保證了飛船能不依賴太陽能電池,持續獲得電能。至今,兩艘旅行者飛船依然能向地球發回科學數據,持續工作超過40年。

深空探測的第二次高峰發生在冷戰後,以1994年美國“克萊門汀號”(Clementine)探測器發現月球可能存在水冰[5]為起點,世界各國多以國際合作的方式參與進深空探測活動中。深空探測器則從簡單的飛掠探測發展到入軌環繞探測和著陸表面機動探測。

2006年,美國發射了“新視野號”(New Horizon)深空探測器,旨在對冥王星及其衛星,以及柯伊伯帶(Kuiper Belt)進行探測,這是NASANew Frontiers 計劃的一部分。新視野號探測器貫徹了小型化與多用途化的設計方針,有效控制了任務開支。探測器發射重量僅478kg。與“旅行者號”等外行星探測器相同,採用RTG提供電能。“新視野號”採用雙模式姿態穩定,在途中採用自旋穩定方式,在科學儀器開機工作後轉三軸穩定。為確保與地球的聯繫,“新視野號”裝備了一個2.1m直徑的高增益天線,能夠以X波段與地球通信[6-7]20157月,“新視野號”探測器飛掠冥王星系統,併發回了有記錄以來最清晰的冥王星圖像。目前,“新視野號”已進入柯伊伯帶任務階段,預計不早於2026年完成既定科學任務。

  載人深空探測作為體現人類智慧生命屬性的最壯麗事業,是世界主要航天國家都在開展工作,並將持續努力的遠大目標。在我國綜合國力不斷增強,建設航天強國的今天,積極進行載人深空探測的方案論證與研究,對今後開展相關工作具有開拓性意義。

問題的提出

地面測控系統一直是深空探測項目中重要的一環,深空通信更是深空測控的關鍵技術[8]。火星與地球的最近距離大約5.6×107 km,到達海王星軌道的距離超過4.5×109 km,根據電波傳播的距離損耗公式:

 

  採用S波段通信的火星探測器,在火星大沖時,信號損失倍率為5.7×1025倍,摺合57dB;採用C波段通信的探測器,在土星軌道的距離損耗達到290dB,是地球同步軌道損失的10億倍。而針對土星以外的探測器信號損失更為嚴重。地面深空測控站必須從衰減嚴重的信號中提取測控信號,分離科學數據,並過濾來自宇宙、大氣層和系統內部的噪聲。宇宙噪聲是由射電星體、星間物質和太陽等產生的,其頻率特性大致是存1000MHz以下時與頻率的2.8次方成反比, 1000 MHz以上時與頻率的平方成反比。而大氣中氧氣和水蒸汽對電波的吸收在頻率到10000MHz以上時逐漸增大。因此目前的地基深空探測系統多工作在1000MHz10000MHz範圍,即電波窗口。可見,大氣層對信號的干擾頗為嚴重。而考慮到未來載人深空探測的上下行數據量與當前相比,存在爆炸性增長的可能,傳統的S/C/X波段體制已力不從心。

為儘量減少能量在發射端和傳輸過程中不必要的損耗,採用定向能方式進行窄波束髮射將成為趨勢;而根據雷達發射原理,電磁波頻率越高,波束可以越窄,因此頻率108MHz級別的激光通信是載人深空探測中最可能採用的主傳輸手段。因此,在載人深空探測的背景下,新架構的通信系統是必須解決的問題,要在載人任務發起前建設完成並穩定運行。

3  方案設想

本文在對新的深空探測通信系統方案的討論中,遵循“由近及遠,由易到難,由簡到繁”的順序進行方案構想。這樣安排,既符合邏輯思維,又是未來實際發展中里程碑任務的順序。 

3.1  地球軌道深空中繼站

深空中繼站系統發展的第一步,是基於已規劃的深空探測項目,發展無人值守的地球軌道深空中繼站。

  根據地球輻射帶分佈情況,內輻射帶中心在赤道平面上3000km5000km高度範圍內,捕獲質子能量可達400MeV;外輻射帶中心在赤道平面上20000km25000km範圍內,捕獲電子能量可達7MeV。深空中繼站的軌道,必須避開輻射帶核心區域,以期儘量減小背景噪聲。

  系統信噪比S/N可以表示為:

其中PT為探測器發射功率,GT為發射天線增益,GR為接收天線增益,B為帶寬,TS為接收系統噪聲溫度,R為收發天線間距。

PTGT很難改變,R確定的情況下,根據第2節中的相關論述,為了在信噪比保持不變的情況下采用波長較短的電磁波作為載體,同時還要提高系統的帶寬B,就必須對接收天線的增益進行大幅度提升。因此,對軌道深空中繼站採用大口徑天線是必然的選擇。

目前國內外已投入航天器在軌應用的大型可展開天線主要分為固體反射面和金屬網面兩大類。儘管充氣式天線的面積質量比極高,但因其柔性結構在空間環境中退化較快,且形面精度無法保證,對需要長期穩定運行的深空中繼站而言並不適用。而目前在軌的金屬網面展開天線中,最大展開後直徑不超過20米,與地面70米口徑的深空天線相比差距明顯。

因此,採用多星在軌組裝的方式,將多個金屬網面拼接成完整的超大口徑拋物面天線,比單星超大規模天線展開更加現實。

綜合考慮軌道要求與地面通聯能力,地球軌道深空中繼站的初步方案可以選用典型的GEO多星分佈模式,在靜止軌道等相位安排多個組裝式中繼站。每個中繼站由深空天線模塊組、對地通信模塊、姿軌控模塊、電源模塊、航天員服務艙等構成,通過在軌自動交會對接的方式安裝完成。對每個深空天線模塊,推薦採用構架式可展開天線機構,以取得更高的天線形面精度和結構強度。而構架式天線死重較大的問題,則正好通過多次發射在軌拼裝的方式得以克服。

  考慮到深空中繼站的複雜性,以及系統可靠性理論,為避免中繼站在服役初期由於故障導致整站失效,應當在設計中預留航天員服務艙接口,以便在必要時通過Orion級別的飛船派遣維修工作組展開空間維護作業。同時,航天員服務艙也為下一步實現深空探測中繼-出發站一體化打下堅實基礎。 

3.2  地球軌道深空探測中繼-出發站

2017927日,在澳大利亞阿德萊德舉行的第68屆國際宇航大會(IAC-68)上,NASA宣佈將與俄羅斯共同建造名為深空之門(Deep Space Gateway)的月球空間站,作為載人火星探測和探索太陽系的前進基地。

未來的深空之門空間站,將運行在近直線暈軌道(NRHO)上。它的第一個部件——電力和推進組件PPE,將在2022年的EM-2任務中,同首艘載人獵戶座飛船一起,由SLS運載火箭發射進入月球軌道。四名宇航員將搭乘獵戶座飛船,在月球軌道停留不超過3周。PPE本身重量不超過7.5噸,能為空間站提供24kW電力,攜帶2噸氙供50kW級離子發動機使用,同時具有接受在軌補給的能力,設計壽命15年。

NASA2019年美國聯邦預算提供的建議中,深空之門被重新命名為“月球軌道平臺-門戶”(Lunar Orbital Platform-Gateway, LOP-G)。月球空間站的建設目的主要有以下幾點:

1)     作為未來國家級載人登月與載人火星任務的物資中轉與補給基地。

2)     作為未來商業級無人登月探測器的中轉與補給基地。

3)     作為深空探測任務的探測器組裝基地、技術驗證中心和航天員訓練基地。

4)     作為在地月系拉格朗日點L2運行的空間天文臺的在軌維護基地。

綜合NASA在深空探測領域的新動向,深空探測需要一箇中轉站,作為深空任務的物資補給基地、技術驗證中心和航天員訓練基地。而在無人值守的地球軌道深空中繼站基礎上,對其進行空間站化升級,將是一條效費比很高的路線。

在中繼站升級為中繼-出發站的過程中,以下關鍵技術是必須突破的:

1)     同步軌道空間站的總體設計技術

儘管在近地軌道空間站的設計方面積累了大量經驗,但是同步軌道空間環境與近地軌道不同,中繼-出發站的任務需求也與地球空間站不盡相同,因此基於已有的中繼站結構,探索新的總體設計方案成為必然選擇。

2)     空間站智能化自主管理技術

中繼-出發站的艙段發射、組裝與投入運行後,將面臨相當長時間的宇航員長期值守,且空間站要承擔無人探測器的中轉與補給等任務。因此,基於新發展的智能控制技術,對中繼-出發站的自主管理水平進行全面提升是尤為重要的。

3)     空間站長期環控生保技術

中繼-出發站建成後,可以作為載人深空探測的航天員訓練基地,可能面臨多名航天員長期駐守。因此,必須保證航天員在空間站的長期舒適健康生活,需要對近地空間站上已經得到應用的環控生保技術進行適應性改造,以滿足同步軌道空間站的特殊需求。

4)     宇航物資同步軌道環境的長期貯存技術

作為載人深空任務的中轉站,以及其他任務的基地和中間平臺,中繼-出發站必然存放足夠的生活資料、多種燃料和氧化劑等宇航物資,以滿足任務需求,並有冗餘應對補給飛船故障等特殊情況。宇航物資的多樣性和複雜性為中繼-出發站的長期貯存能力提出了新的挑戰。

 

3.3  火星軌道深空中繼站

在未來充分開發火星的基礎上,我們可能以火星為前進基地,探索更為遙遠的空間,此時有必要建設火星軌道深空中繼站,以進一步提高深空通信能力。火星軌道深空中繼站的方案,大體與無人值守的地球軌道深空中繼站類似,同樣採用多模塊在軌拼接的方式,構建超大口徑拋物面天線。但在軌道的選擇上與地球不同,應當採用火星太陽同步軌道,保證深空天線持續背對太陽,指向深空,從而獲得更強的接收能力。當然,具體的方案應當視當時的技術水平與任務需求進行詳細設計,這裡只提供其中一個思路。

 

4  結論

  隨著中國綜合國力和科技水平的不斷提升,中國在深空探測領域正在發揮著更大的作用,這不僅是國家實力的自然體現,也是中國作為一個大國對全人類發展的責任。深空探測的歷史與發展趨勢充分表明,深空探測已經成為未來航天發展的熱門領域,是航天事業的主要發展方向之一。抓住熱點,把握好發展方向,則需要從戰略層面上對任務進行長遠規劃。國際合作正在成為深空探測的主流,堅持自主創新與國際交流兩條腿走路,是中國深空探測的未來相當長時期內的必由之路。在此基礎上,加強預先研究,提早佈局深空探測硬件設施,對於我國實現跨越式發展,早日建成航天強國,具有現實意義。

參  考  文  獻

[1]    吳偉仁, 董光亮, 李海濤, . 深空測控通信系統工程與技術[M].北京: 科學出版社, 2013.[Wu W R, Dong G L, Li H T, et al.Engineering and technology of deep space TT&C system [M]. Beijing: SciencePress, 2013.]

[2]   Documentsof the World Administrative Radio Conference on the use of the geostationary-satelliteorbit and the planning of the space services utilizing it (2ndsession) [R]. Geneva; 1988.

[3]    Ulivi, P.,& Harland, D. M. (2007). Robotic Exploration of the Solar System: PartI: The Golden Age 1957-1982. Springer Science & Business Media.

[4]吳偉仁, 於登雲. (2014).深空探測發展與未來關鍵技術深空探測學報, (2014 01), 5-17.

[5]    Nozette,S., Lichtenberg, C. L., Spudis, P., Bonner, R., Ort, W., Malaret, E &Shoemaker, E. M. (1996). The Clementine bistatic radar experiment. Science, 274(5292),1495-1498.

[6]   Guo, Y.,& Farquhar, R. W. (2008). New Horizons mission design. Space sciencereviews, 140 (1-4), 49-74.

[7]  Stern, S. A.(2009). The New Horizons Pluto Kuiper belt mission: an overview with historicalcontext. In New Horizons (pp. 3-21). Springer, New York, NY.

[8]    胡其正, 楊芳. 宇航概論[M]. 中國科學技術出版社,2010.



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