航天概論設計報告

1、設計報告一一實現火星著陸探測與返回的方案千百年來，人類一直夢想的飛天夢正在逐漸實現。從齊奧爾科夫斯基的偉大 構想到航天員加加林的飛繞地球，從阿姆斯特朗跨出人類登月的第一步到各種系 列探測器。人類對宇宙空間的深空探測活動方興未艾，并且已從地球空間探測擴 展到火星空間探測。作為距離地球次近的一顆行星，火星有著許多與地球相似的地理環(huán)境特征， 蘊藏著巨大的探索價值。迄今人類對火星的探測已達40余次。隨著世界航天強 國和新興國家深空探測計劃的實施，將有越來越多的空間探測器飛往火星，并將 掀起新一輪火星探測的高潮?！笆晃濉逼陂g，在中俄兩國政府航天合作框架協議的基礎上，開展了中俄 聯合火星探測項目。中方獨

2、立研制的“螢火一號”火星探測器將搭載俄羅斯“福 布斯”探測器飛向火星，實現環(huán)繞火星的科學探測。我國參與的“火星一500” 項目也正在有序的開展。但是，火星探測是一項浩大的工程，探測火星的難點在于飛行速度、持續(xù)飛 行時間和推進系統(tǒng)。因為個人水平原因，本設計報告不論述探測器著陸，而簡單 論述火星往返方案中的關鍵技術與組成一一核推進器火箭技術與空間交會與對 接技術。核推力器火箭技術對遠征火星而言是十分具有可實行性的。雖然核推力器火 箭并非不可或缺，但是它和其他新研究一起可以讓整個行動更安全、更有效。核 推力器火箭的原理非常簡單，事實上就是一個將冷卻氣體變成火箭排氣流的氣冷 核反應堆。對于那些對核反應

3、堆的印象來自核電站的人而言，將核反應堆縮小到 可以裝入火箭內的想法似乎很荒謬。事實上，核推力器相當小。我們被兩個因素 所迷惑：冷戰(zhàn)期間出于安全原因故意混淆了反應堆所需的鈾的數量以及發(fā)電站和 火箭發(fā)動機對核能的不同要求。出于經濟性考慮，核發(fā)電站需要連續(xù)運行了 20 年以上，并且要裝在經濟發(fā)達地區(qū)，因此核發(fā)電站需要大量核燃料和減速劑，以 及大量屏蔽設備。核推力器火箭僅在太空中使用，總共只運行大約1小時。需要 的核燃料和屏蔽設備要少得多。20世紀60年代研發(fā)出的試驗性核推力器并不比 當時普通的火箭發(fā)動機大。美國和蘇聯都研制出了核推力器火箭，并在美國的內 華達沙漠和蘇聯的某地做過試驗。是禁止核試驗協定

4、中止了這些計劃，因為 這些試驗會排放少量放射性物質到大氣中。核推力器對遠征火星的可實行性在于它結合了化學火箭發(fā)動機的高推力和 穩(wěn)定的高排氣速度一一大約是航天飛機主發(fā)動機的2倍。假設質量為M的火箭攜 帶推進劑質量為P，那么它所能達到的最大速度v = v0lnQ，V0是燃料噴射速 M度。化學火箭燃料噴射速度在4500m/s至5000m/s之間難以存在提升，所以如果 使用化學燃料火箭，增大速度的唯一途徑就是增加化學燃料比重，然而由上公式， 要攜帶M質量的有效載荷，欲提升速度，所需化學燃料與速度呈現e的指數遞增 關系。通過單純增加化學燃料量來使增大速度顯然作用不大。但如果使用核推力 器，就可以比較容易

5、的增大燃料比重。這意味著大型航天器用適量核推進劑就可 以加速到很高的速度。所以核推力器火箭技術不僅解決了持續(xù)飛行續(xù)航能力，而 且對于飛行速度也有很大改善。當然，過去50年的經驗教訓必須銘記于心。航天員和大眾的安全毫無疑問 是最重要的，即使最小的核推力器放射性事故也是我們無法接受的。不幸的是， 使用化學火箭發(fā)動機的事故記錄也并不光彩，就連最新的設計也經歷過重大事故， 造成運載火箭巨大的損失和破壞。所以我們必須保證攜帶惰性核反應堆的運載火 箭發(fā)生故障時不會造成任何與人員相關的危險。核反應堆和火箭發(fā)動機必須裝備 自動防故障裝置，任何重大事故隱患都必須根除，這是可以實現的。核推力器火 箭核推力器以惰性

6、狀態(tài)發(fā)射，在空間中僅發(fā)生一次裂變，惰性核裂變不具有放射 性。它由濃縮鈾構成，放射性不比花崗巖鋪路石料大，只有反應堆工作時它才會 具有放射性。運載火箭如果發(fā)生故障，不會因為攜帶惰性核推力器給人類帶來更 多的危害。為了避免核推力器火箭在大氣層內出現事故和探測器從火星返回地球，我們 可以采用空間交會與對接技術?？臻g交會對接是指兩個航天器（宇宙飛船、航天飛機等）在空間軌道上會合并 在結構上連成一個整體的技術，它是實現航天站、航天飛機、太空平臺和空間運 輸系統(tǒng)的空間裝配、回收、補給、維修、航天員交換及營救等在軌道上服務的先 決條件。交會對接過程分4個階段：地面導引，自動尋的，最后接近和?？浚瑢?合攏。

7、在導引階段，追蹤航天器在地面控制中心的操縱下，經過若干次變軌機動， 進入到追蹤航天器上的敏感器能捕獲目標航天器的范圍（一般為15100千米）。 在自動尋的階段，追蹤航天器根據自身的微波和激光敏感器測得的與目標航天器 的相對運動參數，自動引導到目標航天器附近的初始瞄準點 （距目標航天器 0.51千米），由此開始最后接近和?？俊Ｗ粉櫤教炱魇紫纫东@目標的對接軸， 當對接軸線不沿軌道飛行方向時，要求追蹤航天器在軌道平面外進行繞飛機動， 以進入對接走廊，此時兩個航天器之間的距離約100米，相對速度約31米/ 秒。追蹤航天器利用由攝像敏感器和接近敏感器組成的測量系統(tǒng)精確測量兩個航 天器的距離、相對速度和

8、姿態(tài)，同時啟動小發(fā)動機進行機動，使之沿對接走廊向 目標最后逼近。在對接合攏前關閉發(fā)動機，以0.150.18米/秒的停靠速度與目 標相撞，最后利用栓一錐或異體同構周邊對接裝置的抓手、緩沖器、傳力機構和 鎖緊機構使兩個航天器在結構上實現硬連接，完成信息傳輸總線、電源線和流體 管線的連接。我們可以通過并發(fā)展此項技術，一次性發(fā)射兩艘化學火箭，分別運載探測 器與核推力器，讓核推力器在繞地球軌道上與探測器進行交會對接之后，再奔向 火星。等探測器將要完成探測火星任務時，再從地球發(fā)射兩艘化學火箭，都運載 核推力器，核推力器在繞地球軌道交會對接成功后，用核推力器將另一個核推力 器運向火星，解離后再與探測器對接，將探測器運載回來。理論上說，將探測器 換成飛行器、貨運飛行器乃至載人飛行器也可。在可預見的未來，火星探測對人類來說不再困難。但是人類是否可以踏上 火星，就靠我們這一代人或者下一代人的努力了。參考文獻：【1】遠征火星/（英）特納著；陳昌亞，方寶東，俞潔譯一北京：中國宇航 出版社，2011.7【2