魔方型深空探测飞行器

赵邦华　高升阳　张佳宁　李晶津

摘 要：随着世界航天的发展，深空探测项目将越来越多。文章研究一种新型深空探测器--魔方型深空探测飞行器，即把魔方模块化、可转动的特点运用到航天器上，从而创造出功能更强大、运用范围更广、更廉价的航天器，以满足未来世界航天发展的需要。研究这个探测器将为深空探测器的制造提供新的思路，甚至可以带来航天器概念上的变革。文章将详细描述该项目，并对其创新性、可行性、以及运用前景进行分析。

关键词：深空探测；飞行器；魔方；模块

1 背景及意义

随着天宫一号和神舟八号对接成功，我国迈出了空间探索的又一大步，为了满足以后深空探测的需要，以及为未来建造星际飞船打下基础，现在设计一种模块化、可转动、多功能、多用途、可回收的深空探测飞行器：魔方型深空探测飞行器。

研究这个探测器将为深空探测器的制造提供新的思路，甚至可以带来卫星概念上的变革。

2 方案描述

2.1 总体描述

魔方，智力游戏界的三大不可思议之一，具有很多空间上的变化优点，据专家估计一个三阶魔方所有可能的图案构成约为4.3×10^19种，所以，为什么不将魔方和卫星结合起来，制造出功能更强大的卫星？或深空探测器？

魔方型深空探测飞行器的创意灵感来源于魔方，将探测器设计成为3阶魔方或者4阶（或更高阶）魔方的形状，每个探测器由26个或56个方块组成（可以更多），让每个方块各自分工，共同协调，从而高效的完成深空探测任务。

2.2 魔方介绍

为了便于后面描述方便，现在以三阶魔方为例，补充魔方块的概念。（如图1魔方块的概念）

中心块：中心块与中心轴连接在一起，共六个，中心块的相对位子是不会改变的。

棱块：块的表面是两个正方形，共十二个。

角块：块的表面是三个正方形，共八个。

图1 魔方块的概念

2.3 方案具体描述

魔方型深空探测飞行器由核裂变反应堆、推进系统、燃料存储系统、应用系统和整体控制系统五大系统组成。（如 图 2魔方型深空探测飞行器示意图）

图2 魔方型深空探测飞行器示意图

核反应堆位于整个魔方型深空探测飞行器中心，成球形。推进系统的六个矢量喷口安装在六个中心块上。应用系统是八个角块，角块的里面或外面安放有应用载荷。剩下的十二个棱块用于储存燃料，形成燃料储存系统。整体控制系统内设于核反应堆周围和各个块之间，用于控制各个其他系统的工作，并形成封闭结构。

各个系统不同分工，相互协调，共同完成深空探测任务。下面简要描述每个系统的分工。

核裂变反应堆：提供推进、飞行姿态控制、应用系统控制，魔方的变换和重组所需的所有能量。

推进系统：提供推力和一定的姿态控制。

燃料存储系统：提供并储存推进剂。

应用系统：安放所有应用载荷和实验平台。

整体控制系统：（1）控制核反应堆反应速度。（2）控制推进系统的推进方向和姿态控制。（3）控制燃料存储系统提供的推进剂质量。（4）控制应用系统载荷的释放与收回。（5）完成魔方块的转动和模块的重组，必要时分离魔方块，并可以完成魔方块的替换与组装。

下面具体描述各个系统的协调工作。

深空飞行时，核反应堆中核子的裂变产生大量热能，整体控制系统将燃料存储系统储存的推进剂（如液态氢）注入，推进剂会受热迅速膨胀，然后从推进系统的矢量喷管尾部高速喷出，产生推力，整体控制系统的控制器通过计算机程序设定六个矢量喷管的喷出流量，用这种方法来控制飞行器在宇宙空间的飞行方向和前进加速度，而矢量喷管可以控制稳定性，增加可控性。

燃料存储系统有十二个棱块，当有一个棱块里的燃料用完时，这个棱块就失去了作用，可以选择分离该棱块，从而减少飞行器重量；也可以选择保留棱块，等待飞行到下一个空间站补给燃料。

应用系统的八个角块提供应用载荷和实验平台，如天线，照相机，探测器，机器人还有武器等等。飞行时，各种载荷收回在角块里面，以保护载荷。执行任务时，角块的保护壳打开，放出各种载荷，并开始工作。必要时，可根据需要将载荷外置于角块上，比如通讯系统。

整体控制系统实现最关键的操作步骤，也是魔方型深空探测飞行器最大的亮点，即魔方式的变换方式。整体操作系统由基础支架、电传操作平台、超级计算机和耦合连接系统组成，超级计算机控制探测器的电传操作平台，电传操作平台控制基础支架和耦合连接系统，使其转动。各个魔方块的位置受魔方的转动而改变，这样就能让各种载荷移动到需要的工作位置上。必要时，整体控制系统可控制耦合连接系统向探测的星球发射角块，来收集数据，而不必自己整个撞向星球（如：嫦娥2号），如果有的设备损坏，整体控制系统的超级计算机接收地面控制中心的命令，控制耦合连接系统，分离装载该设备的角块，从而减轻重量，也可以不分离，等待回到空间站修复。（如图3整体控制系统工作图）

2.4 具体任务

下面通过一个具体例子来说明魔方型深空探测飞行器的创新性和优点。

在一次木星探测任务中，魔方型深空探测飞行器从空间站出发。在太空飞行过程中，除了通讯系统，其它载荷都收回在角块里，从而避免了如宇宙射线、太阳风对载荷的破坏。飞行过程中有的棱块的燃料已用完，这时探测器分离了该棱块以减轻重量。虽然这次主要执行木星任务，但当探测器飞过火星时，向火星分离发射了一个角块，同时探测火星。到达木星后，探测器根据预先设定的程序，释放出载荷并不断转动魔方块，使载荷工作效率最大化。任务结束前，探测器向木星发射了几个角块用于收集数据，同时还分离了几个角块作为木星的卫星，用于长期观测。重量大幅度减轻了的探测器利用剩余的燃料飞回最近的空间站，准备下一个任务。

3 技术原理及可行性分析

魔方型深空探测飞行器对技术要求中等偏上，是现有的各种航空、航天技术的优化排列组合，只有个别技术尚未成熟，整体技术可行，在未来应该能够实现。

3.1 总体技术原理和可行性分析

首先是最关键问题——整体控制系统的实现，魔方型深空探测飞行器能不能实现其最大优点，关键就是要设计出合理的整体控制系统。

整体操作系统由基础支架、电传操作平台、超级计算机和耦合连接系统组成（如图4整体操作系统）。

图4 整体操作系统

基础支架为六个连接在球形核反应堆上的杆，并在另一侧连接六个中心块。耦合连接系统使每个魔方块与球形核反应堆连接，并通过机械设计使各个魔方块之间有一定的连接。魔方块与球形核反应堆通过电磁力或库仑兹力耦合。连接时，核反应堆外壳通过电磁力或库仑兹力吸引魔方块的连接键。转动时，核反应堆外壳上电磁场的分布改变，控制魔方块的连接键移动，连接键通过电传操作平台带动魔方块转动，完成魔方变换，而反应堆外壳上的电磁分布由超级计算机的程序控制，通过不同的程序设定不用的转换。当需要分离魔方块时，让对应连接键的电磁力由吸引力变位排斥力，再切断这个魔方块与其他魔方块之间的连接，即可分离该魔方块。超级计算机内置与魔方块内的空隙之间，并由基础支架支撑和连接。电传操作平台在各个杆系的内部，也由超级计算机控制，利用电传操作平台控制转动基础支架和耦合连接系统连接的魔方块，可以实现对每个魔方块的转动，考虑只转动探测器上的上层或下层会因为力矩作用而使探测器旋转，所以每次转动上层或下层的时候都是对称操作的，即如果要让最上层顺时针转动，则最下层要同时逆时针转动，而中层转动则由于对称性不需要考虑这个问题。随着纳米技术和超级计算机的发展以及超导技术的应用，整体操作系统可以完成更加复杂的任务。

其次是重量问题，这种探测器重量设计在10～15吨左右，因为重量太小不能携带足够的燃料，而重量太大对运载火箭的要求很高，我国正在研制的CZ-5运载火箭在将来正好满足这个重量的载荷。设计该探测器将携带4吨的燃料，3吨的核反应堆和喷管，2吨的操作装置以及1～5吨的应用载荷（魔方块外壳的重量包括在内）。考虑到宇宙核推进在未来的应用还需要一段时间，可以把核反应堆替换为常规发动机，虽然航程有所缩短，但这样并没有影响魔方型深空探测飞行器最大的优点。

然后再考虑探测器的材料问题和喷管问题。这种探测器对于材料没有太高的要求，利用现在的卫星或深空探测器的材料即可，也可以用新型碳纤维材料制作，从而减小探测器的重量。而矢量喷管技术已成熟应用在战斗机上，宇宙探测器也将会很快实现。

最后，是探测器核反应堆的实现。人类已经在核潜艇和核航空母舰上应用了可控核裂变技术。但是太空探测器在外太空没有介质，只有利用自带的物质，多以采用液氢作为核动力火箭的工作物质可能是很好的解决方案，液氢已是最常用的火箭燃料之一，火箭携带液氢基本上没有技术难点，魔方块携带液氢也一样。前苏联已经发射了很多成功的核动力卫星，美国也成功发射了"新地平线"号核动力探测器，所以核动力探测器在未来将成为空间探测器的主流。但是核动力探测器还在研制但中，目前可以用常规火箭发动机代替核反应堆。

3.2 制造生产可行性分析

这种探测器将这样设计制造：在全国各个地区负责专业生产核反应堆、操纵系统、各种载荷、喷管和魔方块，然后集中运往装配中心组合安装。安装时，将核反应堆和操纵系统组合形成基础支架，再将超级计算机组装在基础支架上，最后将安装了专属系统的魔方块，通过耦合连接系统把魔方组装起来，形成具有封闭结构的魔方形状。这样的生产方式无需巨型起落架设施，操作简单，可实现工业化批量生产。运输各个模块将非常方便，利用火车可以把模块运向我国任何一个装配中心，将来可以利用飞机运输。

4 应用前景分析

魔方型深空探测飞行器将是未来新型空间探测器，其两大特点：模块化、可变形，将改变传统探测器或卫星的概念，在未来的应用前景很大。

4.1 应用前景分析

这种高通用性和多功能的探测器可以满足大部分深空探测任务。因为其模块化特点，航天大国可以建立其流水生产线，将这种探测器标准化、工业化、产业化，不同国家负责不同的模块生产，然后出口其他国家，进一步增进国际航天合作，让航天技术得以进一步发展，在未来拥有非常巨大的市场，其潜力是无法估量的。在未来，这种探测器的组装和维护将非常方便，只要将其工业化生产，就能很成熟的组装生产这种探测器。维护也是如此，因为其可以在空间站上更换模块，因此其在未来可能将会引起空间站建造的热潮，各国会为了争夺第一个空间补给站而展开航天科技竞赛，这对国际航天事业的发展有很大的促进作用（如图5空间站补给）。

在技术成熟到一定阶段后，这种探测器可组建成为多功能模块化的空间站，这种新型空间站不仅拥有超强的续航能力，而且又具有更强的功能和灵活性，从而改变空间站的概念，发展出下一代空间站。

模块化还有一个应用就是编队飞行，可以让每个模块都是一个小卫星，各自完成不同的功能。在探测器探测星球时，逐个分离出小卫星，形成编队飞行，各个小卫星之间通过无线电紧密联系，这样可以模拟空间大规模的天线，实现远距离通信，或则对地的相控阵扫描。这个概念也是国际上研究的热点，如美国的F6项目。

图5 空间站补给

如果利用好这种探测器可变形的特点，将带来航天探测器概念上的改变。可变形的最大优点是可以完成更加复杂的探测任务，因此魔方型深空探测飞行器可以取代很多特殊任务探测器。

首先其可以取代载人飞船和空间站，因为只要魔方块足够大，就可以利用魔方块载人，并装载实验室，而魔方块的转动可以让航天员根据需要选择不同的实验室，因为只需使装载实验室的魔方块转动到载人魔方块旁边。如果发生紧急情况，用于逃生的魔方块将马上转动到载人魔方块旁边，提高逃逸成功率。

其次，这种探测器在未来可以取代一些未来新型深空探测器，比如太阳帆。试想，在某几个魔方块的内部存放折叠的太阳能电池板，当有光照射探测器时，超级计算机可以通过分析光的入射角，设计出一种转动程序，让魔方经转动后，使存放折叠太阳能电池板的魔方块集合于一个面上，然后打开外壳放出太阳能电池板，最后一同展开太阳能电池板，形成一个大平面，从而变成太阳帆，而平面的姿态控制是太阳帆不能实现的功能。

最后这种探测器在未来可能发展出一种新型军事战斗机器，因为每个魔方块可以存放不同的武器，转动魔方块使装载武器的魔方块移动到发射位置，又可以分离释放武器后的魔方块或受损的魔方块。甚至如果未来技术足够强大，是魔方块可以忽然拆分又重组，只要有导弹飞向探测器，魔方块马上分离扩散成为很多小模块，导弹要么从间隙飞过，要么只击中其中一小块模块，之后魔方块再重组，还原为原来的形状，实现其在军事上的一个应用，这也可能成为未来太空战争的主要思想。

4.2 国外发展趋势分析

这种探测器魔方式的变换方式在目前国际上还没有出现，这种技术的出现将解决了很多空间探测器的弊端：不够灵活、没有模块化和功能单一。如果这种技术能得到应用，将来其它国家将会发展出新型魔方探测器（如图6未来魔方探测器设想图），完成更复杂的变换方式。

图6 未来魔方探测器设想图

魔方型深空探测飞行器在国外在未来相当一段时间内应该是非常完美的深空探测器。因为国际空间站已经建成，以后还会有更多的空间驿站建成，如果魔方型深空探测飞行器得到应用，那么只要在空间站加注氢燃料，那么那种飞行器就可以重复使用，而且更可观的是，只要空间站存储有不同的模块，魔方型深空探测飞行器就可以来更换这些模块，完成各种任务，实现模块化、多功能和多用途的特点。这样不仅可以节省大量经费，还可以缩短深空探测器的任务周期，是很多航天大国，如美国和苏联，梦寐以求的深空探测器。

现在国际上普遍认为下一代宇宙飞行器必须利用新能源，如：核能、反物质和太阳能。研究魔方型深空探测飞行器也可以带动核动力探测器的发展，发展核驱动技术，为未来建造宇宙飞船打下基础。

4.3预期产生的经济效益和社会效益

（1）缩短卫星生产周期，减少生产成本，使其产业化。（2）使卫星技术国际化和工业化，有利于管理。（3）普及卫星技术，带动航天技术的发展，造福于人类。

5 创意度分析

5.1 可变形

魔方型深空探测飞行器最大的创新点是可变形，魔方的转变方式决定了其很适合完成复杂的空间探测任务，因为它的六个面是等价的，所以不受飞行姿态的影响，只要通过计算机设定的程序，就能变换出合适的飞行姿态，完成其它探测器不能完成的任务：（1）设备的移动：可以根据探测需要，将卫星的不同模块变化到同一个表面，来增强某一方向的能力。比如：在某一方向需要增强对地通信能力，可以将两个模块（可以更多）转到同一个面上来。也可以根据探测需要，将卫星的相同模块变化到不同一个表面。比如：需要一个对地通信，一个对月通信，转到两个不同的表面。（2）设备的备份：由于魔方的结构可重构，就可以将备份的设备放在别的不重要的表面，如果需要的时候，再转动到工作需要的位置。（3）姿态控制：由于魔方可以转动，就能实现姿态控制，可以将六个面的发动机更换为只在一个面上设置发动机，如果其他面需要推力，转动魔方就可以实现了。这样可以节约成本和空间，而不需要一般的反作用轮了。

5.2 模块化

模块化的组装方式在目前的深空探测器中算得上首创，模块化也是魔方型深空探测飞行器最大的创新点之一，这个特点和可变形成为这种探测器最大的创新。模块化有如下创新：（1）多功能：可以根据不同需要，选择相应的功能模块，集成在探测器上，完成以往需要不同卫星或探测器来执行的观测制导任务，仅以一种探测器就能高效完成多种任务（如图7在宇宙驿站更换模块）。（2）标准化：模块化的特点使得这种探测器可以工业标准化，这将提高航天探测器的生产率，使组装和维护更容易，并带动航天产业，增加航天器的联系。比如，增加空间站的利用率。（3）可分离、可安装：因为模块化的创新，这种探测器可以分离无用魔方块，减轻多于的重量；也可同时探测多颗星球，因为每个探测器上有八个不同的应用模块（可以更多），也就可以向八个不同星球发射八个不同的应用模块，实现多任务功能；可安装，使种探测器可以随时更换魔方块，实现重复利用。

图7 在宇宙驿站更换模块

5.3 其他创新点

（1）八个角块的设计巧妙的将仪器设备与宇宙空间隔离，延长了探测器的寿命。（2）驱动装置（包括燃料储备快）在整个航天器外围，之间是应用模块，这种封闭式的设计增加了主体安全系数。（3）利用核能作为能源，探测器不再需要太阳能面板，比传统探测器更灵活。又因为不受阳光的限制，该探测器比传统探测器探索的宇宙空间范围更广。（4）魔方型深空探测飞行器各个模块可以在各个地区专业生产，然后集中在装备中心组装，无需巨型起落架设施，节省大量人物力。

5.4 魔方型深空探测飞行器与嫦娥二号的简要比较

为了进一步分析魔方型深空探测飞行器的创新度，下面通过一个具体案例分析魔方型深空探测飞行器与嫦娥二号的简要比较（如图 8 魔方型深空探测飞行器与嫦娥二号的简要比较）：

在执行一次探月任务中，嫦娥二号由运载火箭运载到预定轨道，开始了奔月之旅，魔方型深空探测飞行器则在空间站加注燃料，更换探月模块之后，直接从太空出发。经过几天的飞行，这两个探测器终于都到达了月球轨道，嫦娥二号开始了工作：太阳能面板展开、天线对地通信、探测仪器对准月球表面，可是由于飞行环境的影响，以上功能同步进行的时间很少：到达月球背面的时候将出现通讯中断，而到了月球正面将不能接受光能，而魔方型深空探测飞行器通过适当的变换延长了所有功能同步实现的时间，而且不需要光能。经过几天的月球探测探测之后，嫦娥二号最后撞击月球，通过自我牺牲来获得数据，而魔方型深空探测飞行器将安装有数据采集器的几个模块朝向月球分离，分离的模块完成了数据采集任务，探测器利用剩余的燃料飞向空间站补给，等待下一个深空探测任务。

图8 魔方型深空探测飞行器与嫦娥二号的简要比较

参考文献

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