21世紀最大噸位單體太空飛行器,天宮空間站核心艙!配4臺電推動力

2021-01-09 巔峰高地

日前,載人航天工程總師周建平披露,我國將於明年春天發射空間站核心艙,據此推定具體時間就是明年上半年的2月至5月。

今年上半年成功首飛的長徵五號B遙一運載火箭為天宮空間站的在軌建設打通了最後關卡,使我國航天正式具備發射22噸級超大型太空飛行器能力。

用於包絡核心艙的大尺寸整流罩

即將發射的天宮空間站天和一號核心艙發射質量超越了國際空間站的任意艙段,是人類進入21世紀以來迄今為止即將發射並長期在軌部署的最大噸位單體太空飛行器(太空梭為運輸載具,且在軌時間短)。

先來看看核心艙究竟有多大?

天和號核心艙長16.6米,相當於6層樓房高度,密封艙體最大直徑4.2米。

天和一號核心艙

工欲善其事必先利其器,更令常人匪夷所思的是,這麼一個大傢伙還有比它更大的熱真空測試罐與微波暗室,以及承載22.5噸發射質量太空飛行器的振動測試臺。

天和一號核心艙何以如此之大?

以國際空間站為例,曙光號功能貨艙+團結號節點艙+星辰號服務艙三艙融合的功能甚至也比不上一艘天和號核心艙。

國際空間站星辰號+曙光號+團結號

天和號前端球形艙體是對接節點艙,該艙擁有兩個對接口和兩個停泊口,軸向前端對接口使用頻率最高,神舟載人飛船執行航天員天地往返運輸輪換任務時大多會選擇該對接口,問天號實驗艙Ⅰ與夢天號實驗艙Ⅱ也必須先後對接此口,爾後由機械臂輔助轉位對接至兩側停泊口,除此之外後續發射的巡天號光學艙在執行在軌維修任務時也將對接此口。

朝向正前方的即為軸向對接口

載人航天工程基於天宮一號、天宮二號兩次空間實驗室任務,通過神舟八號、九號、十號、十一號四艘飛船進行了10次空間交會對接,成功率100%。

神舟十一號對接天宮二號

今年年底又於38萬公裡之遙的月球軌道實施了人類首次深空軌道無人交會對接任務,可以說在空間交會對接技術領域已經爐火純青。

人類首次月球軌道無人交會對接

空間交會對接都需要解決撞擊能量的緩衝問題,天宮系列空間實驗室對接任務是兩個八噸級太空飛行器之間的撞擊,屬於常規對接。嫦娥五號則是以大撞小的不對稱關係,因此專門研發了抱爪式弱撞擊對接機構,由軌返組合體抱爪機構將上升器抓住,進而實現對接。

天宮空間站對接任務則面臨著兩個前所未有的全新挑戰,首先是對接機構的常態化長期使用,天宮設計使用壽命長達15年,對接機構需要在空間暴露環境中承受不計其數的冷熱交變,而對接機構是由數以千計的零部件構成,工況可靠性要求極高。

問天號實驗艙Ⅰ與天和一號核心艙對接

最大挑戰來自於超大型太空飛行器對接難題,問天號實驗艙Ⅰ與夢天號實驗艙Ⅱ發射質量都是22噸,它們將先後與22噸級規模的天和一號核心艙節點艙軸向對接口對接。

超大型艙段對接產生的巨大撞擊能量顯然與天宮系列空間實驗室任務階段完全不同,為此,航天科技八院專門研發了第二代異體同構周邊對接機構,在保持原有捕獲對接性能不變的基礎上,通過改良緩衝耗能設計解決了這一難題。

二代異體同構周邊對接機構

節點艙雖然有四個對接口,但其中有兩個是用於兩個實驗艙對接的停泊口,屬於永久性對接,常態化執行對接與分離任務的只有兩個對接口,一個是使用頻率最高的軸向對接口,再就是對地指向的縱向對接口,該對接口主要用於航天員輪換期間神舟載人飛船的對接,因為在輪換期間需要有兩艘神舟飛船同時對接天宮空間站。

神舟載人飛船縱向對接

用於停泊兩個22噸級實驗艙的對接口還將應用100伏高壓供電系統,以往近地軌道太空飛行器通常選擇28伏低壓供電系統,然而天宮作為一座大型空間站對電能使用需求較高,尤其是天宮擁有與國際空間站等量齊觀的實驗機櫃載荷,用電需求絲毫不亞於400噸級的國際空間站,為此兩個實驗艙配置有4部單個面積達100平米的柔性太陽能帆板。

如果採用低壓供電系統則意味著更大的電能傳輸損耗,電纜重量也會更大,同時需要更大規模的太陽能帆板,所以必須更換高壓供電系統才能滿足天宮用電需求。

早在天宮一號空間實驗室任務階段我們就已經應用100伏高壓供電系統,為天宮空間站任務的實施打下了堅實基礎。

雙自由度桁架式柔性太陽能帆板

節點艙對天方向並非對接口,而是航天員執行出艙任務的出艙口,也就是說節點艙可以兼職氣閘艙功能。既要保證對接任務的氣密安全性,也要保障出艙行走任務時的氣體洩出性能,對氣密性設計提出了極端苛刻的要求。

待天宮空間站完成建造任務後節點艙的氣閘艙功能將退居二線,成為備份氣閘艙,主氣閘艙則位於問天號實驗艙Ⅰ艙體中。

環形護欄處即為航天員出艙口

天和一號核心艙對外連接可以用「四通八達」來形容,除了前端對接節點艙的四個對接口與一個出艙口,核心艙尾部還有後端通道,該對接口主要用於天舟貨運飛船對接,航天員通過此通道可實現貨物的上行與下行運輸,以及在軌燃料補加任務,天舟貨運飛船還可在此為空間站提供軌道抬升動力支持。

天和一號核心艙後端通道及其對接機構

天和一號核心艙緊挨著對接節點艙的是小柱段,該艙段直徑約2.8米,主要用於航天員的日常生活,配置有3個睡眠區、1個衛生區、1個鍛鍊區,小柱段對地指向位置安裝有一部七自由度大型多功能空間機械臂,既可用於大型艙段轉位對接,也可用於捕獲伴飛太空飛行器,還能協助航天員執行艙外大範圍轉移維修任務。

核心艙小柱段

緊貼小柱段的則是直徑4.2米的大柱段,大柱段也分為控制艙與資源艙,控制艙在前,資源艙在後。

大柱段球形裝置是力矩陀螺

控制艙配置有空間站設備操作平臺,以及多個大型實驗機櫃載荷,資源艙則是動力與燃料貯存系統,前文所述的後端通道則直接貫穿資源艙。

大柱段尾部是資源艙

資源艙除配置常規推進與姿控動力,還有4臺LHT-100霍爾電推發動機,這是人類有史以來第一次將電推動力系統用於載人太空飛行器,該型電推具有高比衝優勢,可以補償大氣摩擦產生的降軌阻力。

LHT-100霍爾推力器

因此天宮空間站年均燃料使用需求降低至400公斤以下,天舟貨運飛船發射頻次可由原先每年發射兩艘(平均每6個月發射一次)壓縮至每兩年發射三艘(平均每8個月發射一次),從任務結構設計上呈幾何級壓縮空間站運營成本。

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  • 天宮一號/神舟八號 交會對接_中國網
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    2011年11月3日,天宮一號與神舟八號完成中國首次太空無人交會對接。2012年6月18日,神舟九號完成首次載人交會對接,航天員進入天宮一號。2016年9月15日,天宮二號成功發射,這是我國第一個真正意義上的空間實驗室……「2020年,祝天和一號成功發射!」