我国空间站的建设情况及其科学实验设想汇总.docx

1、我国空间站的建设情况及其科学实验设想汇总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 总体研究，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

2、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究成果。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究。 鉴于现阶段我国航天的实际情况， 研究工 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

3、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

4、的滤波模型， 实现了对飞 行器更高精度的相对状态确定；7在对接技术方面，上海航天技术研究 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

5、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究的影响， 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

6、支持。空间在轨装配过程中装配序列也是其中的一项重要环节， 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；14 北京卫星环境工程研究所的王奇，陈金明研究员，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究。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

7、年左右发射包括核心舱、实验舱和实验舱，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。6人额定乘员 3 人，可以适应 2 人或无人值守飞行，最大可达核心舱和实验舱、由长征五号 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，开展空间应用实验；第二步，突破航天员出舱活动技 术、空间飞行器的交会对接技术，

8、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 破和验证已由神舟八号、 神舟九号和神舟十号飞船的 3 次飞行任务完

9、 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 了真正的空间实验室天宫二号。 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。空间站结构 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

10、， 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 都拥有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来的“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

11、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间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

12、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了由 “局部桁架” 结构支撑的大型柔性太阳能帆板，同时核心舱留有自带的太阳能帆 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”上的大型太阳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，重约 9

13、0 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 口在最初阶段用作出舱活动的出舱口， 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

14、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、 重量更重的空 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、实验舱和实验舱， 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 近圆轨道 .。设计寿命 10 年，并具有通过维护维修延 长使用寿命的

15、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，轮换时最大可达 ,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 个停泊口，分别用于实 验舱和实验舱的长期停靠，

16、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 心舱还具有一定的有效载荷实验能力。 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

17、轴向端 口，然后通过舱段转位操作，将其转移到节点舱、 象限，与节点舱刚性连接，构成三舱基本构型 e 实 验舱和配置交会测量设备、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。 在没有类似航天飞机的大型运输工具情况下， 利用舱段交会对接和平 面转位方式 完成积木加局部桁架 混合构型大型空间站的组装建造， 在 货运飞船、航天员和机械臂支持下，可完成类似国际空间站的 复杂舱外建造和操作活动。我国空间站总体构型和 建造模式区别于和平号空间站和国际空间站，具有 显著

18、的中国特色，是一种创新的发展思路，是大型空 间设施建设的更为经济、合理的建造方式。（%）空间站环境控制和生命保障 采用再生生命保障系统，实现资源再生利用。再 生生命保障系统包括电解制氧、再生式二氧化碳去 除、微量有害气体再生式吸收、冷凝水收集与处理、 尿液收集与处理等设备。统一由核心舱进行密封舱 气体成分、压力、温湿度控制，以及水回收管理、微生 物控制和废弃物管理。配置一定数量非再生生保物品，供应急情况下保障维修时使用。 再生生保技术将较好地实现资源再生利用，大 幅降低货运保障需求。我国空间站资源再生利用水 平要达到与国际空间站相当的技术水平。空间站运 营期间，还将发展二氧化碳还原技术和其它生

19、活垃圾处理和再利用技 术，进一步提高物资再生循环利用水平和效率。 远期还将研究受控生 保技术，探索更先进的资源循环利用技术，为载人深空探测和建立 月球和火星基地储备技术。（!）空间站电源 空间站电源系统设计必须确保供电可靠、安全 和长寿命，并为开展多领域科学技术实验提供比较 充足的供电支持，还具有一定的冗余能力。 空间站电源系统采用转换效率 30 以上的三结 砷化镓电池片以及先进的锂蓄能电池 .核心舱采用 单自由度柔性太阳电池帆板，提供核心舱单舱飞行 时的能源供应，实验舱采用两自由度柔性太阳电池 帆板，通过驱动机构实现对日定向。太阳电池帆板可 维修和更换。空间站各舱之间电源并网，统一供电， 并

20、向停靠的载人飞船和货运飞船提供一定功率的电 能。采用 100V 全调节母线体制，具备独立运行和组 合体并网运行两种工作模式。电源系统设计难点在于需要综合考虑发电效率 U 舱段构型 U 运输条 件、飞行姿态与控制、遮挡效应、维修更换、长寿命、高可靠等复杂 因素，是空间站方案设计中的关键技术之一 。充分利用系统设计方 法和现代能源技术的最新成果， 我国空间站电源系统的综合性能和效 率指标将超过其它空间站。（）空间站动力与控制 采用控制力矩陀螺为主，喷气控制为辅的控制 方式进行空间站姿态控制，空间站姿态稳定度指标 为 0.005/s 根据不同的构型，采用惯性飞行、力矩 平衡飞行和对地定向飞行三种姿控

21、方案，减少喷气 卸载导致的推进剂消耗。建造完成后的正常构型状 态下，姿态控制不消耗推进剂。空间站发动机统一 配置设计，协同工作，综合利用各舱段以及停靠货 运飞船的动力系统，提高动力系统冗余度、可靠性 和寿命。首次在空间站上采用电推进技术，补偿大气阻 力的影响， 大幅降低轨道维持的推进剂补给需求。 采用先进的交会控 制技术和实验舱电源二次展开技术， 解决安装大面积太阳电池帆板的 实验舱近距离交会控制问题。+）空间站信息系统 采用当代信息技术的最新成果， 统一构建空间站信息系统 e 根据信息 来源、种类分类管理。设置系统网、通信网和载荷网。空间站舱内、 舱外均配置无线移动通信网络和视频监视系统，提

22、高航天员生活、 工作的通信保障支持能力和对舱内舱外状态的感知能力。 利用信息并 网技术，进行空间站各舱段及来访航天器的信息管理与共享， 以及利 用相关设备进行冗余重构。空间站信息传输与测控采用天地一体化 设计，对地链路采用 S频段统一载波（ USB）测控体制。各舱段测控 通信设备统一调度，在各种飞行姿态下，均可保障测控通信覆盖率， 提高天地通信和数据传输能力和效率， 提高天地交互能力。 设计自主 健康管理系统， 提高空间站健康管理水平， 降低航天员站务管理和地 面运营管理工作负荷。（/）空间站出舱活动和舱外操作 在神舟七号出舱活动舱外服技术基础上， 研制新一代飞天舱外服， 提 高环控、电源、通

23、信保障能力、航天员操作作业工效和舱外持续工作 时间，提高可靠性和安全性，以全面满足空间站建造、维修维护的 需求。舱外航天服支持航天员舱外工作能力与国际空间站舱外航天服 相当。核心舱配置大型机械臂 1 个，实验舱配置小型 机械臂 1 个。两个机械臂可独立或协同工作，也可组 合为一个机械臂，扩大作业范围。机械臂可完成舱段 捕获、转移、设备安装、维修、更换、载荷操作、航天员 辅助转移及舱外状态监视等任务。 此外，还配置有专门用于舱段转位 的转位机构。 舱外服、气闸舱、机械臂、舱外操作工具和出舱活动辅助设备等，共 同支持航天员完成舱外移动、建造、操作、维护维修等任务，保障人 在空间作用的充分发挥。在航

24、天员、机械臂、舱外服以及货运飞船支 持下，可达到与国际空间站相类似的复杂空间操作能力， 可完成如舱 段捕获转移、 帆板转移安装、 舱外载荷和设备的维修和安装等复杂舱 外建造任务。（0）航天员生活与工作保障 空间站是航天员在太空长期生活与工作的场 所，也是研究保障人在太空长期健康生活和有效工 作的最佳平台。本着“以人为本”的理念，充分考虑 声、光、电、热、辐射、气体等空间环境，以及工效、心 理、美学因素的影响，空间站要为航天员提供宜居的 生活环境，配置丰富的锻炼、娱乐设施和医监医保手 段，提供全面的医学监督和医学保障，保障航天员长 期健康生活和有效工作。空间站配置 3 名乘员长期生活设施，并提供

25、轮换期 $ 名航天员临时 生活设施，包括饮水就餐 U 个人卫生 U 排泄物和生活垃圾收集处理等，航天员自 由活动空间约 90m3。密封舱内气体环境采用与地面相同的氧氮混合气体和压力体制，采用降噪与隔音设计降低舱内噪音，航天员工作和生活区的噪声环 境按优于和平号空间站和国际空间站噪声环境设计 和控制。采用现代先进技术，空间站为航天员提供便利、 可靠、自动化程度高的显示、照明、报警和操作设施， 配置各种工具、限位、定位装置和天地交互手段，保 障航天员高效工作，完成站务管理、建造、维护维修、 物资转移、舱外操作、科学技术实验等操作任务。 采用自动化和地面遥控为主管理平台和载荷设 备，显著降低航天员日

26、常管理负荷，更多地发挥人的 创造性、自主性和应急处置能力，提高人在空间作业 的效率和效能。（）空间站扩展空间站建造完成后，要运营 10 年以上，应具备 良好的舱段扩展、能源扩展和应用支持扩展能力，以 适应可能产生的新的重大科学研究需求。扩展能力 必须在方案设计阶段统筹考虑。在现有三舱构型基础上，预留机电热等扩展接 口，具有对接新舱段的能力。空间站可接纳符合我国 空间站标准的他国航天器访问，也可在航天员和机 械臂协同配合下，在空间站上安装舱外实验平台或 实验设备。 舱段扩展，需要发射一个带有节点舱的新舱段。 例如，再对接一个核心舱形成四舱结构，既可以满足 扩展需求，又可以增强空间站关键系统的备份

27、能力， 同时不必专门研制新的舱段。在四舱扩展构型的基 础上，利用增加的对接口，可进行舱段扩展，增加新 的舱段。空间站能源扩展的一个优先方案是将核心舱太 阳电池帆板转移安装在实验舱和尾部桁架上， 沿实验舱轴向方向展开。该方案优点是可以将空间 站资源有效重组利用，无其它形式能源扩展带来的 上行运输需求。能源的进一步扩展应与舱段扩展统 筹考虑，分步实施。 核心舱、实验舱和预留舱外实验平台、载荷 挂点及接口，用于运营阶段扩展舱外实验能力。 利用上述 3 种扩展方式，空间站最大可增加 1 个核心舱 2 个科学实验舱 4 个大型舱外暴露实验 平台，并可在舱外外挂大型实验载荷。扩展后的最大 规模可达 180t长期乘员人数 3-6 人。空间站扩展构 型如图 * 所示 e图中 A、B、C 舱为扩展舱段。空间站主要科学研究和应用方向为：航天医学 U 空间 生命科学与生物技术 U 微重力流体物理 U 空间材料科 学 U 微重力基础物理 U 空间天文与天体物理学 U 空间 环境与空间物理 U 航天元器件与部件 U 空间地球科学 与应用 U 天基信息技术 U 航天新技术和空间应用新技 术等 e