我国空间站的建设情况及其科学实验设想.doc

6.我国空间站的建设情况及其科学实验设想 空间在轨装配技术发展历程研究_芦瑶 对于交会对接所涉及的关键技术，如最优脉冲交会和有限推力最优交 会测、轨道设计、测控通信系统、自主交会对接测量设备、对接动力 学、轨迹安全以及交会对接仿真等，国内研究人员进行了深入的理论 研究1992年，中国开始了载人航天工程，总装备部载人航天工程 办公室成立了交会对接工程总体方案论证组，我国进行了交会对接的 总体研宄，它以当前飞船和空间实验室为背景中国空间技术研究院、上海航天技术研究院、国防科大学、北京航空航天大学、哈尔滨工 业大、西北工业大学等单位对交会对接技术进行了更为细致的研究， 取得了面向工程实用的一系列研宄成果国内的现阶段的研究现状是，国内的一些大学对空间在轨装配技术及 应用前景进行探讨论证国内多家单位对空间在轨组装与维护、空间 装配技术开展了相关研宄鉴于现阶段我国航天的实际情况，研宄工 作主要集中于空间交会对接试验、在轨模块组件更换、在轨释放与发 射等相关技术的研究上取得了一定的成果，并在工程实践中有所突破为我国即将组建的空间站打下坚实的技术 基础导航是控制（GNC）系统的重要组成部分，西北工业大学航天学院给 出了导航系统总体方案并设计了导航工作模式。

构建了在轨服务航天器导航 仿真系统的总体框架，分析了 OSS导航仿真系统组成及仿真支撑环境，基于 MATLAB/RTW仿真平台开发了 OSS导航数字仿真软件对数据时间 同步术、导航模式切换技术、推力分配算法等关键技术进行了分析 为在轨装配的控制导航技术提供了新的仿真平台交会对接是空间在轨装配的决定性环节，此项任务的成败关系到整个 装配任务的成败在交会技术方面中国长沙的国防科学技术大学杨乐 平教授从Hill方程出发，组合基本相对运动，提出了四种接近策略， 并得出异面接近策略可以节省大量推进剂，但应用范围受到限制；[3]盘旋接近、全向接近和共轨接近等策略具有较广的应用范围，国防科 技大学孙平从黎卡提方程出发，设计出新型的滤波模型，实现Y对飞 行器更高精度的相对状态确定;[7]在对接技术方面，上海航天技术研宄院设计出一体周边式对接机构，使名义上的主动对接飞行器和被动对 接飞行器无主被动之分，从而提高的对接的可靠性；[8]北京理工大学王东传等人对对接捕获段的动力学过程进行了研究，对 此阶段的动力学过程实现了全面的描述，为对接机构的缓冲设计做出 了基础性研究工作；[9]中国空间技术研究院针对先进而复杂的异体同构周边式对接机构，运用矢量力学方法和粘弹性理论，建立了航 天器空间对接接触撞击过程动力学模型，给出了接触撞击载荷显示表 达式，并结合工程问题算例进行了初步打靶计算和统计分析，取得了 较为满意的统计结果空间装配技术的另一项关键技术是机械臂技术，通过机械臂的协助可 以实现设备在空间站等大型飞行的装配、维护等工作。

杨庆、税海涛、 唐亚峰等人采用上位机和下位机的控制结构实现的微型机械臂的设计；[11]潘博、孙京、于登云等人利用PD控制器实现了机械臂关节电机的容 错设计；[12]南京航空航天大学机电学院，以在轨服务自由漂浮双臂空间机器人为 研究对象空间机器人模型进行了符号推导建模，分析并解决了利用该 方法进行惯量参数辨识过程中的线性方程组奇异性问题，研究了机器 人的各类参数对辨识研宄的影响，并通过数值仿真验证了参数辨识方法的可行性和有效性，以上工作为我国空间机械臂的进一步发展提供 了理论支持空间在轨装配过程中装配序列也是中的一项重要环节，哈尔滨工业 大学崔乃刚教授、郭继峰副教授利用了连接矩阵与分层规划的思想， 实现了空间桁架结构的装配序列；[141北京卫星环境工程研宄所的王奇，陈金明研宄员，对大型空间 接受的设计及在轨组装的地面模拟实验进行了相关研宄[15]为我国及即将展开的空间在轨装配技术提供了一定的理论基础中国自主空间站_回顾_猜想与展望_广林星云中国空间站工程的战略目标2020年前后，建成和运营近地空间站，使我国成为独立掌握近地空间长期载人飞行技术，具备长期开展近地空间、有人参与科学技术实验和综合开发利用太空资源能力的国家。

中国空间站特征2018年左右发射包括核心舱、实验舱I和实验舱II,通过交会对接和舱体 转位组装构成空间站基本构型设计寿命10年，并有通过维护维修延长使用寿命的能力额定乘员3人，可以适应2人或无人值守飞行，最大可达6人核心舱和实验舱I、II巾长征五号B运载火箭在海南发射 场发射载人飞船航天员乘组和部分物资的天地往返运输由长征二号F运载火箭在酒泉航天发射场发射货运飞船预计2015年左右首飞运输补给物质，下行销毁废弃物由长征七号运载火箭在海南航天发射场发射第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空问应用实验；策二步，突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题；第三步，建造20吨级的空间站，解决有较大规模的、长期有人照料 的空间应用问题中国载人航天的发展方向实际与美苏的先期探索一脉相承根据规 划，“三步走”战略的第二步是突破载人飞船和空间飞行器的交会对 接技术，发射短期有人照料的空间实验室，进行一定规模的空间应用这一阶段将掌握航天器交会对接技术，突破航天员中期驻留、航天器 低轨道长期自主飞行、货运飞船补给等关键技术，还将为未来的大型 空间站验证再生式生命保障系统的技术。

这其中，交会对接技术的突 破和验证己由神舟八号、神舟九号和神舟十号飞船的3次飞行任务完 成，接下来需要掌握货运飞船补给、燃料在轨补加、再生生命保障等 技术，并开展一定规模的空间技术实验而这些任务顺理成章地留给 丫真正的空间实验室一一天宫二号未来的空间实验室仅有天宫二号 一个，将于2016年前后发射，期间将用货运飞船验证燃料在轨补加 技术在天宫二号空间实验室任务完成后，我国就将进入空间站的建 设阶段空问站结构最初，中国未来空间站由三个舱段组建而成：带有节点舱的核心舱、与节点舱左侧接口对接的I号实验舱，以及与右侧接口对接的II号实验舱节点舱正前方的接口用来对接“神舟”载人飞船，核心舱后部的接口用于对 接货运飞船每个舱段都带有自己独立的太阳能帆板，空间站全重约 60吨这样一种空间站结构类似于缩小版的苏联“和平号”空间站（“和平号”全重约为130吨），是典型的“积木式”架构，每个舱段 都拥存独立的能源和动力系统，分别由火箭发射升空，再经交会对接 组合与国际空间站通过航天飞机构建所花费的巨额资金以及漫长的 建设周期相比，此种空间站构型只需未來的“长征五号”大推力火箭 发射3次即可建成，成本低，周期短，效率高。

但这种构型也难免继 承“和平号”的缺点：各个舱段组成整体后功能严重冗余，很难进行 电力的合理调配；不仅如此，不同舱段的太阳能电池还互相遮挡，由 此造成可观的电力损失相比“和平号”空间站的“积木式”架构， 国际空间站则采用了 “积木+桁架”的方式最初的增压舱段由火 箭发射升空并组成“积木式”构型，部分舱段还带有独立的太阳能帆 板；后期则由美国航天飞机将桁架组件和另一些增压舱段携带升空并 完成组装，这些舱段精简了能源和动力系统，功能更加紧凑，但也必 须依赖航天飞机运送和组装桁架上则装有统一的能源和散热系统， 包括8组巨大的太阳能帆板，以及一些外部实验平台桁架式 结构能更好地满足空问站的电力供应和实验平台的挂载需求，还可对 各个舱段的电力进行统一调配，这种能力在某一部分太阳帆板出现问 题时显得尤为重要由于国际空间站是多国合作的产物，需要充分满 足各成员国的需求，因此空间站的结构也变得极端复杂，总重达到 400吨，是人类有史以来组建的最庞大、耗资最巨的航天器2013年3月，中国载人航天工程总设计师周建平在《我国空间站工 程总体构想》一文中，深入详细地介绍了中国未来的空间站 计划在此文中，未来空间站的结构相比先前发生了显著的变化：空 间站仍为三个舱段组成，但在两个实验舱的末端增设Y由“局部桁架” 结构支撑的大型柔性太阳能帆板，同时核心舱留存自带的太阳能帆 板。

这样的构型充分吸取了国际空间站的长处，彻底解决了原有空间 站构型电力不足的问题，同时也避免了航天飞机的使用，两段“局部 桁架”上的大型太m能帆板可利用二次展开技术来安装空间站基本 构型为T字型，秉约90吨，自2020年前后开始建设，并在轨运行 10年以上不仅如此，周建平还透露了一些有关未来空间站的其他 细节未来空间站核心舱的节点舱对天方向的接n在最初阶段用作出舱活动的出舱门，后期的专用气闸舱设在I号实验舱内，节点舱兼做备份气闸舱II号实验舱则包含设有多波段巡天望远镜的非密封舱在空间站的运营阶段，还可能发射另一个带有节点舱的核心舱进行前向对接，形成十字型的扩展构型这个新的核心舱还可能对接另外两个实验舱，组成重约180吨的最大扩展构型在最大扩展构型中，原有核心舱自带的太阳能帆板将移至“局部桁架”的末端，空出的位置用于挂载外部实验平台空间站将采用电推技术维持轨道，各舱段电源并网统一供电中国空间站揭秘_李鹏根据标准，只有具备了 20吨以上运载能力的火箭，才有资格发射核心舱，但是目前，中国火箭最大运载能力只有10吨，不仅无法将体积更大、重景更重的空 间站发射升空，也满足不了空间实验室物资的运输要求。

为此，目前我国正在研制运载能力达到 25吨的大推力火箭“长征 五号”我国空间站工程总体构想周建平我国空间站包括核心舱、实验舱I和实验舱II，通过交会对接和舱体转位组装构成空间站基本构型运行轨道为倾角42 -43高度340-450km的近I员I轨道.设计寿命10年，并具有通过维护维修延长使用寿命的能力，额定乘员3人，可以适应2人或无人值守飞行e建造期间，航天员乘组采用间断方式访问空间站；建造完成后，采用乘组轮换方式，实现航天员长期连续在轨生活和工作，轮换吋最大可达，6人e%&!空间站基本方案(1)总体构型采用水平对称T形构型作为空间站三舱组合体 基本拓扑结构，所有舱段均位于组合体当地水平面 内，空间站核心舱前端指向飞行方向，核心舱前端设 置节点舱，节点舱对地方向和轴向前端各设置1个 对接口用于载人飞船与空间站对接和停靠在核心 舱后端轴向设置1个对接口用于货运飞船对接和停 靠节点舱左右方向各设置1个停泊门，分别用于实 验舱I和实验舱II的长期停靠，对天方向设置供出 舱活动用的出舱口以核心舱为主，统一控制和管理空间站组合体核心舱的节点舱在空间站建造初期和技术验证阶段 兼做气闸舱，在空间站建造完成后，用做备份气闸 舱。

以核心舱的密封舱为主配置航天员生活设施核 心舱还具存一定的存效载荷实验能力实验舱主要用于从事空间科学实验、空间应用 和空间技术实验实验舱I由密封舱、气闸舱和资源舱构成密封 舱除科学实验外，还用于存放航天员消耗品和补给 货物，备份空间站核心舱部分平台功能实验舱II由密封舱、多功能巡天光学设施非密 封舱和资源舱构成))空间站建造空间站三舱基本构型采用对接和转位的方式完 成建造首先，实验舱对接于核心舱节点舱的轴向端口，然后通过舱段转位操作，将其转移到节点舱II、IV象限，与节点舱刚性连接，构成三舱基本构型e实验舱I和II配置交会测量设备、主动式对接机构和转位机构核心舱节点舱配置被动式对接机构和供舱段转位用的基座，转位过程包括舱段分离、转位、再对接三个过程实验舱转位主要采用转位机构实现，也可由机械臂操作完成。