一种新型千米级空间站概念设计研究

连 亮 李金喜 高 涛 杨传福

（江苏工程职业技术学院 航空与交通工程学院，江苏 南通 226007）

目前在轨运行的空间站有两座：国际空间站和中国的天宫空间站。前者总重420 吨，加压容积915 立方米，主体结构呈十字形，横向是综合桁架，纵向由多个太空舱对接而成。后者基本构型呈丁字形，总重60 吨。横向是两个实验舱，纵向是天和核心舱。天宫空间站未来扩展构型呈十字形，总重180 吨。[1]国际空间站额定长期驻留6 名宇航员。天宫空间站现阶段额定长期驻留3 名宇航员。由于国际空间站和天宫空间站内部都是微重力环境，长期驻留会对人体造成严重的、不可逆的伤害。[2-5]出于身心健康方面的考虑，宇航员在现有空间站单次驻留时间在6 个月左右。为了克服太空环境对人体的负面影响，1969 年普林斯顿大学教授奥尼尔提出了名为奥尼尔圆筒的空间站方案，1975 年斯坦福大学提出了名为斯坦福圆环的空间站方案。奥尼尔圆筒和斯坦福圆环都计划建造在地月系拉格朗日点上，并且都借由自转的离心力来模拟重力的作用。因为月球在围绕地球公转的同时还随着地球围绕太阳公转，所以在地月系拉格朗日点上运行的空间站若是想利用太阳能作为主要能源，就必须不断地改变方向以便接收太阳辐射。这会给空间站的姿态控制带来很大的麻烦。奥尼尔圆筒虽然能给生活在其内部的人类提供较为广阔的活动空间，但其抗风险能力较弱，一旦空间站内部某一位置出现漏气或火灾会影响到整个空间站的安全。斯坦福圆环计划使用厚达1.7 米的月球土壤来抵挡太阳风暴，月球土壤的重量占整个空间站总重的95%，大量月球土壤的开采和运输会大大增加空间站建造成本。斯坦福圆环的轴线垂直于黄道面，其发电和采光要靠一个巨大的倾斜的平面镜将阳光反射到发电区和圆环上，旋转的圆环与静止的平面镜相互独立，两者如何配合是个大问题。

1 新型千米级空间站的结构方案

本方案包括一个直径1800 米的分段式环形舱，十二根长约900 米的辐条，一个对接舱，一个微重力实验舱，一套蒸汽发电系统，一套储热系统，一套集热系统，一组阵列抛物镜面。分段式环形舱内部充有空气，既可供动植物呼吸、植物光合作用，又能使充气式舱室处于膨胀状态。辐条安装在分段式环形舱和轴线之间，十二根辐条两两间隔30°，用于提供向心力以克服空间站自转产生的离心力；辐条内部设电梯，用于运输人员和物资往返于分段式环形舱与轴线上的舱室；辐条外部缠绕线圈通电后产生偶极磁场，用于屏蔽太阳风暴和银河宇宙射线；辐条顶端安装有离子推进器，用于驱动空间站自转、调整空间站姿态。对接舱分为旋转和非旋转两个模块，其中旋转模块跟随辐条及分段式环形舱一起旋转，非旋转模块对接载人飞船或货运飞船。微重力实验舱可以为空间生物实验和微重力物理实验提供所需环境。阵列抛物镜面由数千个柔性反射镜组成，可将平行的太阳光线汇聚于旋转抛物面的焦点。集热系统位于旋转抛物面的焦点，可将太阳能转化为热能。储热系统位于旋转抛物面的轴线上，可将热能以熔盐的形式储存起来。蒸汽发电系统也位于旋转抛物面的轴线上，可利用储热系统提供的热能将水汽化用于驱动蒸汽轮机发电。

如图1 所示，阵列抛物镜面接受到的太阳辐射等于直径1800 米的圆内接受到的太阳辐射。地球距离太阳1.5 亿公里，在这一距离上每平方米接受的太阳能功率为1353 瓦。塔式光热电站的能量转换效率η 约为17%。根据公式（1）计算得出：本空间站采用光热发电方式可产生约585 兆瓦的电。这一发电能力高出国际空间站的110 千瓦三个数量级。

图1 新型千米级空间站的侧视图

P=1353ηA=1353×0.17×2543400≈585000000W （1）

如图2 所示，分段式环形舱分为十二段，每一段的端部都连接着辐条。辐条的另一端连接轴线。本空间站绕轴线旋转会产生离心力，平衡该离心力的向心力由辐条提供。十二根辐条内部设置电梯，可用于运输人员和物资往返于分段式环形舱与轴线上的舱室。十二根辐条外部缠绕线圈。线圈通电后会产生偶极磁场。该磁场可以用于屏蔽太阳风暴和银河宇宙射线。本空间站运行于太阳同步轨道，不受天气和日夜的影响，可长期接受太阳辐射，无需用核能作为能量来源。本空间站自转时由于陀螺效应会使轴线一直对准太阳，这为光热发电系统（由阵列抛物镜面、集热系统、储热系统、蒸汽发电系统组成）的工作提供了有利条件。因为热能比电能更易储存，所以光热发电系统相比光伏发电系统具备更强的调峰能力。[6]即使因为某些原因使得本空间站的轨道发生漂移，进而导致阵列抛物镜面不能一直接受太阳辐射，仅凭储热系统内储存的热能也可使本空间站24 小时不间断发电。阵列抛物镜面由数千个柔性反射镜组成，其制造和维护成本低于光伏板。这些柔性反射镜可根据用电需求调节面积。当用电量较少时可将部分镜面沿周向收拢起来以减少集热系统接受到的太阳辐射量。当受到陨石和太空垃圾威胁时，可将全部镜面沿周向收拢起来以规避被撞击的风险。

图2 新型千米级空间站的主视图

如图3 所示，分段式环形舱的剖视图被隔板分为上下两层。上层即靠近轴线的一侧，供人类居住生活以及农业生产。下层即远离轴线的一侧，用于储存物资以及工业生产。之所以将农业生产区和人类居住区布置在分段式环形舱上层，原因有二：一是人类呼出的二氧化碳可以参与植物的光合作用，植物产生的氧气可以供人类呼吸；二是隔板上的重力加速度大小一致，便于灌溉。本空间站自转速度为一分钟一圈。根据公式（2）计算得出：站在隔板上，人感受到的加速度为9.86m/s2，近似地球表面重力加速度。

图3 新型千米级空间站分段式环形舱的剖视图

如图3 所示，本空间站的轴线始终朝向太阳，分段式环形舱的左侧一直接受太阳辐射，这为舱内采光创造了有利条件。分段式环形舱上层朝向太阳的一侧设有电致变色舷窗。该舷窗利用材料在电场作用下发生可逆光学变化的特性来模拟地球上的白天或黑夜。分段式环形舱朝阳面除了舷窗其他区域可布置柔性太阳能电池，用作本空间站备份电源。分段式环形舱背阴面设有散热系统。该散热系统先用热对流方式把本空间站产生的废热搜集起来，然后用热传导方式把热量传给高发射率材料，最后用热辐射方式把热量散向太空。分段式环形舱有两种结构方案：一是传统的刚性舱室，二是充气式舱室。前者的外壳分为三层，由内而外分别是铝合金、凯夫拉、不锈钢，这种刚性外壳抵抗陨石和太空垃圾的能力较强。后者主要由防辐射罩和耐压阻燃蒙皮组成，其重量远小于前者，并且放气后的体积远小于前者，因此便于运载火箭搭载。充气后舱室体积可突破运载火箭整流罩的限制，达到数十米的舱室直径。本空间站分段式环形舱由8 个充气式舱室和4 个刚性舱室组成。每两个刚性舱室之间设置两个充气式舱室。这样既可以降低运输难度和建造成本，又可以降低漏气、火灾等风险。当某一舱室发生漏气、火灾时，可关闭舱室间的闸门以防灾害升级。当受到陨石和太空垃圾威胁时，人员可快速由充气式舱室转入相邻的刚性舱室避险。

如图3 所示，每根辐条顶端安装有四个离子推进器，这些推进器的喷口在分段式环形舱的切线上。其中两个离子推进器可使本空间站加速或减速自转，另外两个离子推进器可用于调整本空间站的姿态。离子推进器的原理是先将气体电离，然后用电场力将带电的离子加速后喷出从而获得推进力。离子推进器的比冲远大于固体火箭发动机和液体火箭发动机，因此更节省推进剂。离子推进器的缺点是推力小。但对于已经在轨并且没有空气阻力的本空间站而言，离子推进器可以通过长时间的持续推进达到需要的自转速度和运行姿态。

如图4 所示，对接舱分为旋转模块和非旋转模块。旋转模块跟随辐条及分段式环形舱一起旋转。非旋转模块用于对接载人飞船或货运飞船，通常不参与本空间站自转。旋转模块与非旋转模块之间设有滑动轴承，以减少二者间的摩擦力。非旋转模块边缘处安装有两对离子推进器，推进器的喷口在对接舱的切线上。当宇宙飞船与非旋转模块完成对接后，启动非旋转模块上的离子推进器使非旋转模块达到本空间站的自转速度。然后宇宙飞船内的人与货即可进入本空间站。当宇宙飞船与非旋转模块完成脱离后，启动非旋转模块上的离子推进器使非旋转模块逆向旋转达到非旋转状态。

图4 新型千米级空间站对接舱的示意图

2 新型千米级空间站的建设方法

先用大型运载火箭将本空间站轴线上的五个舱室（对接舱、微重力实验舱、蒸汽发电系统、储热系统、集热系统）发射至太阳同步轨道。再将环形舱和辐条分段送入轨道后与轴线上的五个舱室组装为一个整体，使轴线朝向太阳。第三步将柔性反射镜卷成筒状送入轨道后安装在刚性框架上即可展开为平面。数千个平面反射镜布置在特定位置，共同拟合出一个巨大的旋转抛物面。该旋转抛物面能将平行的太阳光线反射到焦点上。位于焦点上的集热系统将太阳能转化为热能。与集热系统相邻的储热系统将热能以熔盐的形式储存起来。接下来，蒸汽发电系统利用储热系统提供的热能将水汽化用于驱动蒸汽轮机发电。发出来的电供给整个本空间站使用。

供电后，释放一倍标准大气压的空气（78%氮气、21%氧气、1%其他气体）使充气式舱室达到完全膨胀状态，同时启动辐条顶端的离子推进器使本空间站围绕轴线自转，自转周期为60 秒。直径1800 米的分段式环形舱在60 秒一圈的自转速度下能产生与地表等同的重力加速度。然后再将水、土壤、动植物、微生物按照地球上的比例搬运至本空间站。当货运飞船与对接舱的非旋转模块完成对接后，启动非旋转模块上的离子推进器使之达到旋转模块的旋转速度。接下来，将物资经由辐条内的电梯送往分段式环形舱以模拟一个微缩的地球生物圈。最后，分批次将宇航员送入本空间站。宇航员可在本空间站内长期生存和繁衍，并可开展一系列的工农业生产及科研工作。其中工农业生产主要在分段式环形舱内进行。需要微重力环境的科研工作可在微重力实验舱内进行。

当需要模拟地球上的白天或黑夜时，调节电压以改变分段式环形舱上的电致变色舷窗的光学属性（反射率、透过率、吸收率）。当本空间站的轨道发生漂移或姿态发生偏转时，启动辐条顶端的离子推进器使本空间站恢复设定的轨道和姿态。当光热发电系统出现故障时，由贴附在分段式环形舱外表面的光伏发电系统为本空间站供电。当有太阳风暴发生时，给缠绕在十二根辐条外部的线圈通电以产生偶极磁场，利用磁场来屏蔽太阳风暴。当有陨石或太空垃圾来袭时，将全部柔性反射镜沿周向收拢起来以规避被撞击的风险，同时将人员快速转移至刚性舱室避险。除了与地球开展必要的信息交流，本空间站可实现完全的自给自足，建成后无需再从地球补给物资。

3 新型千米级空间站的效果

本方案的效果在于结合了斯坦福圆环和光热发电站的优点，克服了现有空间站失重以及对太阳风暴防护能力不足的缺点，既可利用太阳辐射发电，又能产生人造重力以便宇航员长期生存，还可产生偶极磁场用以屏蔽太阳质子事件与银河宇宙射线。相较于地球这样体量的行星，本空间站所产生的万有引力要小得多。航天器往返本空间站所消耗的能量要远小于往返地球。因此，本空间站适合用作太空旅行的中转站。另外，除了光热发电系统，本空间站还有贴附在分段式环形舱外表面的光伏发电系统。即使两套发电系统中的一套发生故障，本空间站依然可以维持基本运转不至于危及人员安全。本空间大量采用柔性反射镜、柔性太阳能电池、充气式舱室，大大减轻了运输难度，减少了空间站建造成本。本空间建成后可实现生态循环，人员所需的食物、氧气等物资可实现自给自足，无需再从地球补给。