能源中心出品-----189号 空间站运输系统和对接系统设计




参考:神舟载人飞船、天宫一号、和平号空间站、国际空间站。(2011年元旦定稿)


和平号因为是长期有人,所以生活必需品消耗量比较快。货运飞船和载人飞船的发射比例大约是2:1。


早期的新闻报道里报道过我国的空间站是短期有人。从安全角度考虑,我国载人飞船在轨停留时间同样不会太长(或许是1~2个月,既能使航天员有充足的适应期有充足的时间做试验,又能保证在飞船出故障之前安全返航)。那么生活必需品的需求就不会太多。货运飞船和载人飞船的比例应该可以做到1:1或者更低。货船运输生活必需品重量可适当减少,多余的运输配额可以为每次上天的航天员携带更多的试验仪器。


可以考虑让货运飞船和载人飞船成对发射。好处是:火箭可以批量生产,两箭使用同一批次的零件,同时做发射准备,先发射货船可以对火箭的组装质量进行飞行检验。对接成功后再发射载人飞船。航天测控船一次出海可以完成两次发射测控。货船与飞船同步发射,可以确保食品的新鲜程度,使航天员在天上吃得顺口。


载人飞船的主要目的是运人,如果对接系统在发射时受到损伤,无法与空间站对接,此次发射就失去了意义。需要有第二套对接装置。我国飞船的轨道舱是圆柱体,这为加装备用对接装置提供了可能性。在轨道舱的圆柱外壳上安装备用对接装置的被动式对接端。两套不同原理的对接装置同时损坏的概率会下降很多。备选对接端的口径要比正选对接端大很多,需要密封的绝对长度增加了,单位时间内漏气的速率也会相应增加。作为备选对接装置允许有轻微的气压泄露(能在一定时间内为航天员提供安全线以上的压力即可)。


安装在载人飞船上的备选对接端结构简单,重量轻。可以作为货运飞船的正选对接装置,实现减轻货运飞船结构重量,提高运货比的目的。货船的对接装置虽然有漏气率大的可能性,但货船不需要长时间的保持有压对接状态,完成对接后将马上用的试验物品及生活必需品搬出来,立即关闭舱门,这样即便过渡段里的气漏光了,也不会影响货船和空间站的压力,不影响航天员在空间站做试验。下次需要搬试验物品时再临时加压。


载人飞船则不同了,作为空间站唯一紧急逃生手段,它的舱门需要随时随地的开着,使用对接口径小的正选对接装置是最佳选择,需要密封的绝对长度短,而且即便检查出有漏气的问题,也可以重新用备用对接装置对接,维修正选对接装置。不至于因为密封圈持续漏气而被迫返航。


备选对接装置的组成:


飞船端:在轨道舱圆柱体外壳端头加装环带式加强肋,在加强肋上加工出截面为直角梯形的几道环形凹槽。在加强肋的端面上加工出安置密封圈的两个同心圆凹环,在两道密封圈之间等距离加工出若干个螺栓孔(内部放置联接用的螺母)。四个精确定位用的定位锥。


空间站端:这部分有些复杂。需要用到转接段过渡,即便损坏了,更换过渡段即可。


过渡段有与飞船端口径相同的密封环面(不带密封圈,密封圈在太空暴露的时间长了会老化)。在密封环面上加工出对应的螺栓孔,在过渡段主动对接端内侧安装电动扳手驱动的螺栓杆。在过渡段主动对接端外侧,安装起引导作用的花瓣状喇叭口,将正在对接的飞船导入正确位置,在喇叭口的间隙上布置若干个可独立工作的偏心锁紧装置,爪钩被弹簧压着伸出喇叭口内径一部分,缓冲飞船部分撞击动能。爪钩抓紧飞船后,过渡段内的电动扳手拧紧所有连接螺栓杆,达到密封状态。向过渡段内充压,达到一定压力后安全阀打开,气压会驱动过渡段外部的保险环沿过渡段轴向移动,卡住所有爪钩的解锁位置,确保飞船不会意外分离。这种对接方式,使过渡段内的对接缝无障碍的展现在航天员面前,方便紧急渡漏。


之所以需要过渡段,目的是方便维修空间站的正选对接装置。正选对接端被包围在备选对接端的内侧。当飞船使用备选对接端时,过渡段可将船、站的正选对接端都包含在内,使航天员不用出舱行走就可以维修对接装置(更换密封圈)。过渡段通过一个翻转装置连接到空间站上,方便转换对接模式。


过渡段的一端是主动对接端,带有爪钩装置和螺栓拧紧装置。主要功能是与飞船对接;另一端是被动对接端,内侧和外侧安装对接用的环形直角梯形凹槽。主要功能是与空间站对接。


货船的设计:本着减轻结构重量,提高运货比的原则。将货船设计成直筒式玻璃杯的简单结构。姿态发动机全部安置在货船的底部,货船的壳体就是一个带保温层的直筒耐压壳,顶部的舱门口径与货船壳体的直径相同。对接装置的被动对接端就安装在货船的舱口外沿上。货船的舱门由柔性气密材料制造(结构类似航天员的压力服开口)。为了安全,柔性舱门设计成双层。柔性舱门在打开时几乎不占用空间,货船可以装的满满的。


货船装货时,将结构结实的仪器放在货舱底层,四周用捆扎后的食品袋挤住,放满后盖上层隔板,放第二层,以此类推。柔性舱门在真空中因为压力而向外凸,这种特性也变相增加了货舱容积,可以放更多的食品。


货船没有对接雷达,自动对接时货船接收地面引导信号和空间站对接雷达的数据。也可以由空间站的航天员遥控对接。



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