陈洪波 航天科技集团一院研发中心总体室 主任

想生活在太空,看球撸串喝啤酒,还要多久才能实现?

造就 TALK · 2018-08-21 · 14:34:19

造就第333位讲者 陈洪波

航天科技集团一院研发中心总体室主任


被誉为“航天之父”的前苏联科学家康斯坦丁•齐奥尔科夫斯基曾经说:

“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里,我相信人类从诞生那一刻起就一直梦想着像鸟儿一样在蓝天中自由的翱翔。”

我们中国人自古就有飞天的梦想,从嫦娥奔月的神话,一直到万户飞天的实践,这些都体现了他们对太空的美好的向往。

近代随着科学技术的发展,前苏联宇航员加加林乘坐太空飞船实现了人类第一次飞行,人类的飞天梦一步步成为了现实。

image-2.jpeg

加加林 东方一号


1972年美国宇航员阿姆斯特朗第一个踏上月球土地,实现了人类的登月梦。在那一刻,他说道:

“这是我个人的一小步,但却是整个人类的一大步。”


image-3.jpeg


2003年10月15日中国航天员杨利伟飞入太空,一直到2016年10月17日升空的神州11号飞船,中国人一共有11名宇航员成功飞入了太空。

普通人能否体验太空飞行?

成为宇航员,需要经过严格的筛选,包括系统科学的训练,才能够进出太空。我们普通老百姓能不能像航天员一样自由的往返于太空?

答案是肯定的。随着科学技术的发展,目前有四种方式可以实现我们太空飞行的初步体验。

低空抛物线飞行:能够给人带来半分钟失重的体验,很多航天员都会采用这样的方式训练。


image-5.jpeg


高空飞行:它能够把人带到极高空,可以观察到地球边缘美妙的风景,这就使得很多人期望能够有高空的飞行。


image-7.jpeg


亚轨道飞行:利用航天运载器把人运到近地空间,当发动机停止工作以后,可以体会到短暂的失重状态,可以观察到地球美妙的景色。


image-6.jpeg


轨道飞行:乘客可以抵达真正的太空。目前只有俄罗斯的联盟号飞船面对普通大众提供这种飞行体验,但是由于价格昂贵,总共只有六名富豪进入过国际空间站,体验了轨道飞行。

建造“太空巴士”难在哪?

低空的抛物线飞行、高空飞行,严格来说都不属于太空飞行。对于亚轨道飞行和轨道飞行来说,飞行高度已经超过100公里甚至达到四五百公里,属于航天的范畴。


image-8.jpeg

亚轨道飞行


对于航天范畴的飞行器来说,最关键的就是可重复使用航天运载器技术。今天我想就把可重复使用航天运载器取名为“太空巴士”。

大家可以把太空巴士想象成在地面和太空之间往返穿梭的公共汽车。但是它和公共汽车在外形的设计,材料的选取,动力的使用等等方面都不同。


WX20180817-143036.png


外形:由于太空巴士要在大气层内进行大范围的机动飞行,要维持自身姿态的稳定,它就要有和飞机一样的机翼,还需要有气动操作的舵面。

还有一个重要的系统就是太空巴士的起落架系统,未来的太空巴士将像普通飞机一样在跑道实现水平起飞,包括在跑道实现水平的降落,要求它有飞机一样的起落架系统。同时太空巴士要求有地面和太空中往返多次的运输。

材料:由于太空巴士最关键的是要实现天地往返运输,这个过程中它要和地球大气产生高速的摩擦,摩擦产生的热量就会传递给太空巴士的结构,使得它结构性能下降,甚至有一部分热量会传递到太空巴士的舱内,使得仪器设备的工作温度环境恶化。

所以对于太空巴士外形的设计,包括它的结构的设计,材料、工艺的选择等等,都提出了很大的挑战,这也是我们航天领域里常常说的热胀的问题。

实际上太空巴士为了实现安全地从轨道返回地面,考虑到防热问题,要穿“防护服”。


WX20180817-143106.png


打个比喻,这就像消防员在火场里穿一身防火服一样。以航天飞机为例,航天飞机为了实现自身的防热,要在蒙皮上要贴满热防护瓦,要铺的面积达到11000平米,总共24000块,占到整个结构重量的70%。所以防热是整个太空巴士能否安全返回的最最关键的一个系统。

动力发动机:太空巴士要从地面零速零高度到达轨道速度、轨道高度,并且要求动力系统重复使用且经济环保,不能产生有毒的气体,这对太空巴士的动力发动机提出了非常高的挑战。

结构:太空巴士整个结构非常复杂,它有可能分乘员舱、仪器设备舱、动力舱。

以太空巴士的燃料箱为例,由于太空巴士要从地面要携带一定的人员和货物进入空间,所以要携带巨大的燃料。


image-9.jpeg


在设计这样巨大的燃料箱的时候,我们参考了易拉罐的设计原理——侧面挤压易拉罐很容易被挤扁,但如果从底部用力,则很难挤扁。在设计太空巴士燃料箱的时候我们充分借鉴了这个原理,我们让太空巴士飞行抛物面侧面受力尽量小,顶部受力尽量大一些,这样就完成了太空巴士燃料箱的设计,既坚固可靠质量又足够轻。

最后一道保险锁——生命保障系统

对于太空巴士来说,它的飞行速度和高度都远远超过飞机,这样的话一旦安全出问题后果不堪设想,所以必须有一套可靠性更高的安全系统,或者说生命保障系统。

旅客进入到轨道空间以后,他要有和地面类似的,他希望呼吸干净的空气,喝干净的水,包括是不是能够吃到可口的食物,这样就要求有一套相应的环境控制和生命保障系统。

ISS_ECLSS_diagram.jpeg

对于类似的系统,针对不同的工作模式,可以分成三类。

第一类:短期的轨道的驻留。对于这种短期模式,我们可以采用非再生式系统,也就是说把人员需要的水、空气、食物从地面带到空间去。

第二类:中期或者中长期的长期在轨的模式。这种情况下,生命保障系统必须是能够可再生的,这样的话我们就需要把水,把空气进行在轨道期间的再生的利用。

第三类:未来长期在轨驻留,包括在深空的探测。这就需要在太空巴士或者说相应的轨道舱内建立一个可再生,可进行循环的一个小型生态系统。这个生态系统可以由微生物、植物、动物包括人类共同组成,满足人类在里面生存需要的水、空气和食物。


160718733.jpeg


应该说,太空巴士随着我们航天技术,包括我们其他的学科技术的发展,正在一步步走向现实。如果太空巴士设计成功,从纸面变成了现实,它将极大的改变我们的生存空间和生活方式。

我们有了汽车,可以工作和生活在城市里不同的区域;

有了高铁,可以工作和生活在不同的城市;

有了飞机,可以工作和生活在不同的国家;

那么有了太空巴士,这就意味着我们可以生活和工作在地面或者太空。

我们相信,随着太空巴士技术的发展,我们普通老百姓也很有可能在近期就可以进入太空,体验太空飞行的美妙感受。


文字 | 汉岚

校对丨其奇

  • 航天
  • 航天飞机
  • 太空巴士
29:06
青山周平 B.L.U.E.建筑设计事务所 创始合伙人、主持建筑师

这20年,我们建了很多很多房子,也越来越失去了“家”

2018-08-17
07:32
黄英 著名抒情花腔女高音歌唱家 歌剧表演艺术家

女高音歌唱家黄英:那一刻,我觉得自己就像被王子选中的灰姑娘

2018-08-21

造就评论0

造就  发现创造力