李惠峰，林振海，薛松柏

（北京航空航天大學(xué)，北京100191）

新型月地空間運輸平臺概念設(shè)計

李惠峰，林振海，薛松柏

（北京航空航天大學(xué)，北京100191）

隨著宇航技術(shù)的不斷發(fā)展，月球探索將成為人類的重要活動，地月之間的旅行將變得越來越頻繁.但是，目前探索月球的太空旅行費用相當(dāng)高昂.提出了一種旨在降低地月往返運輸成本的新型空間投射-攔截平臺概念.它是空間繩系系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和空間站系統(tǒng)概念的有機結(jié)合.利用該系統(tǒng)有望將現(xiàn)有空間探索能耗水平降低至少一個數(shù)量級.闡述了這種新系統(tǒng)的優(yōu)勢及可能遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題，并初步分析了新系統(tǒng)的可行性.

月球探索；投射-攔截平臺；月-地空間運輸平臺

從上個世紀(jì)70年代起，人類開始探索月球，進入新世紀(jì)，隨著全球能源和資源的緊張，以及科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，世界主要航天大國又重新燃起了對月球探索的熱情.2006年12月美國NASA重新啟動了其探月計劃，并準(zhǔn)備在月球建立永久基地，2003年ESA（european space agency）發(fā)射了SMART-1空間探測器，并于2004年11月在月球著陸，2007年日本發(fā)射了SELENE探月衛(wèi)星，中國也于同年發(fā)射了嫦娥一號探月衛(wèi)星.完全可以預(yù)期，對月球的探索和開發(fā)將成為人類未來幾百年里最重要的空間探索活動，地月之間的旅行將變得越來越頻繁.但是，目前太空旅行的費用相當(dāng)高昂，將1kg的物體送入近地軌道的費用為10000美元，送入地球同步軌道則需要十倍的價格，如果是送入月球軌道就需要更多費用［1］.在阿波羅計劃中，土星五號火箭的發(fā)射重量超過3000 t，在消耗了2600 t燃料之后，僅僅將16t的有效載荷送抵了月球，最后只有6t物體返回地球.如此巨大的能量消耗對于長期的星際運輸是無法接受的.在這種情況下，利用傳統(tǒng)方法進行地月之間大量的人員和貨物往來是不現(xiàn)實的，人類必須尋找新的方法，以降低地月旅行費用.

為此，世界各航天大國都投入大量人力物力進行空間運輸平臺和運輸載具的新概念研究.長期在軌的、節(jié)能高效的空間運輸平臺成為未來發(fā)展的必然趨勢.美國計劃將在2020年前開始對月球進行工業(yè)化開發(fā)，并于2024年前在月球建設(shè)三座常設(shè)基地.為配合這一計劃美國科學(xué)家提出了大型核動力飛船概念，通過核能的持久性和高功率，實現(xiàn)長期的地月運輸.俄羅斯科學(xué)家提出在地月之間的拉格朗日點修建一座大型的空間站，在這一點上如果航天器靠地球這一邊，便會自動向地球靠攏，如果靠月球一邊就會向月球靠攏，而不需要額外的燃料，或者至少從這點出發(fā)會比較省燃料.

為實現(xiàn)地月之間高效旅行，本文提出了一種旨在降低地月往返成本的新型空間運輸平臺概念，它是一種空間繩系系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和空間站系統(tǒng)有機結(jié)合的空間運輸平臺系統(tǒng).利用該平臺有望將現(xiàn)有空間運輸能耗水平降低至少一個數(shù)量級.

1 月地運輸平臺方案

如圖1所示，設(shè)想在地球中低軌道上運行一個飛行器“投射-攔截”平臺，速度為7.9 km／s左右.當(dāng)飛行器從月球以11.2 km／s的速度返回時，通過平臺攔截并存儲飛行器的巨大動能，將飛行器由第二宇宙速度減速為第一宇宙速度，一方面可以省去飛行器用來制動所用的燃料，另一方面，儲存的動能一部分還可以被轉(zhuǎn)換成飛行器飛回月球的能量.如果飛行器是從火星返回，則可以節(jié)省更多的能量.飛行器在空間平臺進行人員、物資和能量補充后，再通過平臺以一定的速度和方向發(fā)射向月球或火星，可以避免由地球發(fā)射造成的巨大能量消耗.如果在月球軌道上也建立同樣的“投射-攔截”平臺，那么飛船就可以很便捷地在地月之間來回穿梭了.

空間運輸平臺是由4個儲能平臺和4條100m×100m的大型桁架組成的“投射-攔截”系統(tǒng)，見圖2所示，每個儲能平臺上都裝有推進裝置，用以軌道維持和姿態(tài)調(diào)整；4條桁架都可以主動控制剛度，以便控制攔截后引起的振動.

本文設(shè)計了兩套基于不同儲能原理的平臺：“飛輪儲能＋繩系系統(tǒng)”和“超導(dǎo)儲能＋繩系系統(tǒng)”.飛輪儲能就現(xiàn)有技術(shù)水平而言更容易實現(xiàn)，但其缺點是飛輪的儲能能力有限，且以機械能形式存儲，在釋放能量的速度上受到限制；超導(dǎo)儲能被當(dāng)前學(xué)術(shù)界看作是最有前途的大型能源儲備方式之一，但目前只有一些初步的原理樣機投入測試.利用空間繩系系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)繩系末端與空間飛行器的交會對接［2-3］.國外很多機構(gòu)對繩系輔助交會進行了具體的研究，目前已經(jīng)初步開展了空間試驗［4］.本文將對兩種儲能形式的平臺分別進行闡述.

2 運輸平臺工作原理

利用空間運輸平臺進行飛行器投射-攔截是一個比較復(fù)雜的過程，但是其工作原理是比較簡單的.本節(jié)闡述利用空間平臺進行飛行器投射-攔截的基本原理和過程.

飛輪工作的基本原理如圖3所示.

圖3 飛輪工作原理圖

飛行體以速度V1向右運動，左側(cè)則有一個被繩索纏繞的輪盤，繩索的一端與飛行體固定，當(dāng)輪盤以V0的速度釋放繩索時，若V0＝V1，繩索上將沒有張力.但若輪盤角速度ω略小于V1／R，那么繩索將產(chǎn)生一個微小的形變δx，考慮繩索的彈性系數(shù)為k，可以計算出繩索對飛行物體的拉力為F＝kδx.如果能夠控制輪盤角速度ω，就能夠控制繩索對物體的拉力，從而達到減速的目的.

現(xiàn)在將這套系統(tǒng)平移到一個空間站上，結(jié)合儲能系統(tǒng)形成一種“投射-攔截”系統(tǒng).“投射-攔截”系統(tǒng)的工作過程可分為儲能過程（攔截）和釋能（投射）過程.

“飛輪儲能＋繩系系統(tǒng)”設(shè)計方案的儲能過程就是將飛船的動能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動能和平臺動能的過程，如圖4所示.

圖4 飛輪儲能過程（攔截過程）示意圖

通過把繩系飛輪和一個磁懸浮的儲能飛輪相連接.當(dāng)飛船被攔截時，通過調(diào)節(jié)控制器控制負(fù)載大小以及微調(diào)磁場強度和回路阻抗大小，在保證電機工作在額定轉(zhuǎn)速的情況下，控制繩系飛輪轉(zhuǎn)速和力矩.此時超導(dǎo)電機1充當(dāng)?shù)氖前l(fā)電機角色，將飛行器的動能轉(zhuǎn)化為電能，通過超導(dǎo)電機2將能量存儲在磁懸浮的儲能飛輪上（可能是一組）.儲能飛輪和繩系飛輪有較多不同之處，繩系飛輪采用低密度、小直徑、大寬度的設(shè)計，這樣可以降低能量的損耗，并且可以具有更高的轉(zhuǎn)速，可以纏繞更長的纜繩.儲能飛輪采用高密度、大直徑、質(zhì)量盡量分布在邊緣［5］的設(shè)計，這樣可以在低轉(zhuǎn)速下存儲更多能量.該過程中，空間站和飛船之間具有以下能量轉(zhuǎn)換關(guān)系：

式中，ΔEvehicle為飛行器動能的減少量，ΔEwheel為能量存儲輪旋轉(zhuǎn)動能的增加量，ΔEplatform為能量存儲空間站動能增加量，Q為其他無用能量消耗，例如產(chǎn)生的熱能和輻射.

投射是儲能過程的逆過程，是平臺將飛船從第一宇宙速度以6～10g的加速度按照需要的方向，通常是平臺運行軌道近地點的切向方向，加速到奔月速度的過程.當(dāng)飛船被投射時，此時超導(dǎo)電機2充當(dāng)?shù)氖前l(fā)電機的角色，將儲能飛輪的動能轉(zhuǎn)化為電能，通過超導(dǎo)電機1對繩系飛輪進行加速，將與平臺有適當(dāng)距離（由飛行器所需的發(fā)射速度決定）的飛行器加速到發(fā)射速度.如果平臺攔截的是由地面發(fā)射的飛船，還可以直接由平臺本身的動能，幫助飛船提升軌道.在沒有發(fā)射或攔截任務(wù)的時候，由太陽能或者小型核反應(yīng)堆發(fā)電加速儲能飛輪存儲能量，用于投射飛行器、平臺軌道保持、平臺軌道機動和姿態(tài)修正.

“超導(dǎo)儲能＋繩系系統(tǒng)”設(shè)計方案的總體框架和“儲能飛輪＋繩系系統(tǒng)”基本一致，唯一不同的地方就是將存儲能量的方式改成超導(dǎo)儲能.將以機械能形式存儲的動能，改變?yōu)橐噪姶拍苄问酱鎯?所謂超導(dǎo)儲能（SMES）是將能量以電磁能的形式儲存在超導(dǎo)線圈中的一種快速、高效的儲能方式［6］.

超導(dǎo)儲能是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回到需要的負(fù)載上.超導(dǎo)線圈中儲存的能量W可由下式表示：

式中，L為線圈的電感，I為線圈的電流.

超導(dǎo)線圈在通過直流電流時沒有能量損耗，因此，超導(dǎo)儲能采用直流系統(tǒng).它可傳輸?shù)钠骄娏髅芏缺纫话愠Ｒ?guī)線圈要高1～2個數(shù)量級，可以達到很高的能量密度，現(xiàn)在的水平可達為108J／m3.它與其他的儲能方式如蓄電池儲能，飛輪儲能相比，具有毫秒級的響應(yīng)速度、大功率、壽命長及維護簡單等優(yōu)點.SMES難點就在于要保持超導(dǎo)條件的超低溫環(huán)境，在地面可能代價較高，但是在太空中，這種超低溫條件尤其對于高溫超導(dǎo)是很容易滿足的.系統(tǒng)的簡要工作原理如圖5所示.

圖5 超導(dǎo)儲能＋繩系系統(tǒng)示意圖

和“飛輪儲能＋繩系系統(tǒng)”相同，該系統(tǒng)同樣采用繩系系統(tǒng)和超導(dǎo)電機作為攔截和投射的直接動作系統(tǒng).在攔截時，由繩系飛輪拖動電機發(fā)電，將飛船的機械能轉(zhuǎn)換為電能存儲到SMES組中.通過控制器調(diào)節(jié)電機負(fù)載從而調(diào)節(jié)繩系飛輪力矩，控制繩系張力，進行飛船減速.投射過程是上述過程的逆過程.SMES在平時可由太陽能陣列或者核反應(yīng)堆提供能量，以便投射時使用.

3 運輸平臺的優(yōu)勢分析

基于以上對空間運輸平臺基本概念和工作過程的闡述，下面分析建立該平臺所能帶來的好處.

3.1 大量減少能源消耗

利用這套地月運輸系統(tǒng)，能夠避免在深空或星際探索飛行器發(fā)射回收過程中克服地球引力、返回過程減速、月球軌道減速以及克服月球引力等方面的大量能量消耗，僅僅需要飛行器軌道修正和往返飛行的能量消耗，這種能量消耗相比較于其他過程的能量消耗要小的多，初步理論估算這套系統(tǒng)的能耗水平有可能降低到目前能耗的1%以下.

3.2 飛行器的重復(fù)利用

空間運輸平臺運行在地球低軌道，執(zhí)行貨物運輸和星際探索任務(wù)的飛船與傳統(tǒng)的返回式飛船和航天飛機相比，具有根本上的區(qū)別，只需在該平臺上進行能源補給，而不需要再入大氣層返回地面，因此飛船不會受到大氣燒蝕作用的影響，可以重復(fù)多次利用，這無疑也可以節(jié)約長期運行成本.

3.3 縮短發(fā)射周期

空間運輸平臺運行在地球低軌道，執(zhí)行貨物運輸和星際探索任務(wù)的飛船可以完全不受天氣的影響，由于中低軌道的軌道周期僅為一個多小時，因此一天中可能有多次發(fā)射機會.

3.4 再入返回可用低軌道再入方法

如果飛船確實需要返回地面的話，可以采用近地軌道的返回方法，這樣飛船的熱過載防護可以采用近地軌道飛船的方案，要知道從月球或者火星返回的飛船其熱防護和過載防護系統(tǒng)的造價同一般的近地軌道飛船是不一樣的.并且制導(dǎo)律也可以采用近地軌道飛船的制導(dǎo)律.

3.5 返回精度高，時間約束少

由于飛船先停留在近地軌道上，有充足的時間確定其運動參數(shù)，并且返回的時間地點可選擇性都更寬了，這樣能保證飛船以更高的精度安全返回目的地.

3.6 可用近地軌道運載火箭補給

對于不能夠在地球低軌道運行平臺進行補給的資源，可以通過發(fā)射地球低軌飛行器進行補充.發(fā)射月球飛行器和發(fā)射地球低軌道飛行器所使用的火箭價值并不是成線性增長的，發(fā)射地球低軌道飛行器的費用更低廉.

3.7 長期的在軌實驗室

空間平臺本身就是一個非常有吸引力的巨大資源，它能夠被作為空間站，甚至是空間工廠，生產(chǎn)大量的空間產(chǎn)品.

3.8 提供商業(yè)發(fā)射服務(wù)

如果該平臺能夠投入實際應(yīng)用，進行商業(yè)發(fā)射將成為最誘人一個方面.并不是每一個國家都有能力建設(shè)這樣一個空間平臺，對于那些沒有能力進行月球探索和旅行的國家來說，利用這樣一個平臺抵達月球是最經(jīng)濟的一種方法.因此類似空間平臺將為其擁有國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟和政治優(yōu)勢.

4 運輸平臺可行性分析

4.1 能源消耗分析

提出空間運輸平臺概念的基本出發(fā)點是實現(xiàn)高效率、低消耗、低成本的地月甚至星際間的人員和貨物往來.因此該系統(tǒng)是否能夠節(jié)省能源和能夠節(jié)省多少能源是必須解決的問題.下面首先概略地分析了空間飛行器發(fā)射回收過程的主要能源消耗，能源消耗列表見表1.

表1 能源消耗列表

（1）克服地球引力

當(dāng)火箭發(fā)射時，火箭所攜帶的能源不但要將飛行器帶入外層空間，還需要將大量的推進劑同時帶入外層空間的轉(zhuǎn)移軌道，這一部分消耗的能量是十分驚人的.

（2）在大氣中摩擦減速的能量消耗

由于飛船返回時，以第二宇宙速度再入，動能十分巨大，而這些能量都需要在返回再入大氣層時消耗掉，這樣才能安全返回地面.因此，它是第二位的能量消耗點.

（3）月球軌道減速需要消耗能量

月球表面沒有空氣，當(dāng)飛行器抵達月球后，必須利用自身攜帶的能源制動后才能夠安全的降落在月球表面，這也需要消耗大量燃料.

（4）返回時克服月球引力

飛船從月球返回時，與從地球出發(fā)一樣，需將飛船加速到脫離月球的速度，同樣也需要消耗燃料.

（5）飛往月球軌道修正

在飛往月球的過程中，飛行器由于受到各種干擾和誤差的影響，需要不斷的調(diào)整軌道和姿態(tài)，需要消耗能量.

（6）返回地球軌道修正

飛行器返回地球同樣需要消耗能量進行軌道和姿態(tài)修正.

（7）返回制動需要消耗能量

如果是要返回再入，飛船在靠近地球后，需要在適當(dāng)?shù)臅r候點火脫離原來的地月軌道，進行再入，這里也需要用火箭發(fā)動機，也需要消耗燃料.

利用空間運輸平臺就能夠避免克服地球引力、返回過程減速、月球軌道減速以及克服月球引力等步驟的大量能量消耗，僅僅需要進行往返飛行軌道和姿態(tài)修正的能量消耗，雖然增加了空間平臺軌道維持等額外能量消耗，但相比較直接由地球發(fā)射接收飛行器，能量消耗要小的多.

4.2 導(dǎo)航精度分析

當(dāng)飛行器自月球返回，飛行距離超過380 000 km，飛行器是否能夠最終達到100m×100m的精度呢.一方面，地球外部空間環(huán)境相對比較簡單，很多問題甚至可以得到解析解；另一方面，飛行器自月球返回過程中，可以與空間平臺保持通信，相互協(xié)作完成攔截過程.估計這樣的精度應(yīng)該能夠保證.例如美國航空航天局的火星探測車使用的新型導(dǎo)航設(shè)備，能夠使探測車在火星上著陸的誤差小于100m.該導(dǎo)航設(shè)備同樣可以用于本文提出的空間運輸平臺.

同時，在平臺發(fā)射或攔截飛行器后，空間平臺的參數(shù)將產(chǎn)生巨大變化，如何測量這些變化？如何控制平臺參數(shù)變化在合理的范圍內(nèi)是一個非常關(guān)鍵的需要解決的問題.目前美國和俄羅斯的航天飛機及飛船已經(jīng)多次與國際空間站成功對接，為飛行器在空間平臺安全著陸提供了必要的數(shù)據(jù)支持和安全保證，也為空間平臺的軌道調(diào)整和機動提供了大量經(jīng)驗.

4.3 繩系系統(tǒng)可行性

繩系系統(tǒng)是運輸平臺方案的關(guān)鍵子系統(tǒng).其主要問題在于繩索的拉力和繩索的長度.假設(shè)返回飛行器的重量為10 t，飛行速度為12 km／s，以10 g的加速度進行減速，繩索的拉力將達到1 000 00 N到1 000 000 N，繩索的長度將到達20 000m，因此需要有能夠承受如此拉力和長度的繩索.據(jù)了解，目前已研制出的超高強度聚乙烯纖維強度達到3～4GPa［7］，是能夠滿足拉力要求的.而多個國家正在研制中的炭納米管材料，強度可達50～200GPa，完全能夠滿足平臺繩系系統(tǒng)的需求.

4.4 繩系系統(tǒng)飛輪的可行性

飛輪系統(tǒng)的關(guān)鍵是由于摩擦力和材料強度的限制，飛輪的旋轉(zhuǎn)速度并不能無限增加，由于離心力的作用，太高的轉(zhuǎn)速將造成輪盤被撕扯成碎片，這樣的情況發(fā)生的話，將對空間平臺造成巨大損傷.粗略估計，如果輪盤的半徑為5m，角速度將達到400 r／s，雖然目前還不能確信輪盤系統(tǒng)是否可行，但將做進一步研究.

4.5 超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的可行性

近年來，關(guān)于超導(dǎo)儲能的研究在美、日、歐以及中國都取得了長足的進步，尤其是在超導(dǎo)磁儲能方面，已經(jīng)有多臺樣機投入運行.超導(dǎo)儲能技術(shù)能量存儲能力很高，理論上完全可以將其運用于航天系統(tǒng).但是，超導(dǎo)儲能系統(tǒng)具體的模型應(yīng)該是怎樣的，應(yīng)該如何與系統(tǒng)有機組合從而完成既定任務(wù)還需要進一步的分析和研究.

5 結(jié) 論

本文提出了一種新型的月地運輸空間平臺概念，并對其優(yōu)勢及可行性進行了粗略地分析，初步認(rèn)為這一設(shè)計思想是可行的，但對于這樣一個復(fù)雜系統(tǒng)，存在著比本文陳述的問題更多的難點.接下來，將進行系統(tǒng)建模、仿真和實驗，進行深入研究，對該設(shè)想進行修正和檢驗.希望能夠在人類不遠的將來，使用類似系統(tǒng)實現(xiàn)高效、安全的星際旅行.

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［3］ Carroll J A.Tether app lications in space transportation［J］.Acta Astronautica，1986，13（4）：165-174

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［5］ 白越，黎海文.復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計［J］.光學(xué)精密工程，2007，15（6）：852-857

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［7］ 崔本廷.空間繩系的控制與應(yīng)用［D］.國防科技大學(xué)，2006

A New Concept of Moon-Earth Space Transportation Platform

LIHuifeng，LIN Zhenhai，XUE Songbai
（Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

In the future hundreds of years，the moon exploration will become one of the most important human activities，and the travel between earth and moon will be more and more frequent.However，the cost of moon travel to date is enormously high.The article presents a new concept of space transportation platform as a combination of space tether system，energy storage system and space station system.According to a rough estimate on this system can probably reduce at least 90%of the current cost of transportation from the earth to themoon.The framework of the platform and its key technologies are discussed.Moreover，the feasibility analysis of the new system is conducted.

lunar exploration；launch-receive platform；Moon-Earth space transportation platform

V488.2

A

1674-1579（2009）05-0043-05

2008-11-04

李惠峰（1970—），女，陜西人，副教授，研究方向為高速飛行器制導(dǎo)與控制、離散事件系統(tǒng)理論和混合系統(tǒng)理論（e-mail：lihuifeng＠buaa.edu.cn）.