主题:【原创】天宫遨游 -- 心有戚戚

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2021-04-17 23:36:11心有戚戚
1 【原创】天宫遨游

2021年4月底,中国空间站核心舱就要由长征5号B遥二火箭(下图为长征5号B遥一火箭)从海南文昌发射升空,“天宫”进入全面建设阶段。

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目前, “天和”核心舱测试已经完成,整装待发。

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核心舱发射后,将发射天舟二号货运飞船和神舟十二号载人飞船,与之交会对接,成为天宫组合体的雏形。除了“天和”核心舱,将来“天宫”还将有 “问天” 实验舱Ⅰ和“梦天” 实验舱II作厢房。

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核心舱包括节点舱、生活控制舱和资源舱三部分。生活控制舱就是航天员的居住生活的地方,分成小柱段和大柱段。小柱段直径2.8米, 是航天员的睡眠区和卫生区(即卧室),保障航天员的生活和正常居住。大柱段直径4.2米,是航天员工作和实验的地方(即起居室)。核心舱还是空间站的主控舱段,对整个空间站的飞行姿态、动力、载人环境进行控制。用通俗的话说,它是空间站的中枢神经:任何飞船和舱室接驳后都受其控制。节点舱呈球形,上有5个开口:2个对接口接纳两艘载人飞船同时停靠和2个停泊口用于连接两个实验舱,及另一个出舱口供航天员太空漫步。

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下图中,一个太空假人被放置在天宫地面模拟器的出舱口,所以节点舱还兼具气闸舱功能。在空间站建设和维护阶段,航天员可以通过节点舱进入太空工作。

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核心舱的后端是资源舱,装有推进剂贮箱以及姿轨控动力系统。天宫特别之处是用了4台LHT100霍尔电推力器用于补偿大气阻力带来的轨道高度损失,而这是人类首次将电推动力用于载人航天器。电推动力优势是可以减轻货运补给压力,降低货运飞船发射频次,节约运营成本,还能缩小常规推进剂贮箱尺寸,增大舱内可使用空间。

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作为离子推进器的一种,霍尔推进器通过加速电离子的方式形成等离子体射流,以此来推动飞船前进。离子喷射速度达到每秒20到50公里,而常规的化学燃料喷气速每秒最大只有5公里。所以霍尔推进器的比冲大大高于常规火箭。虽然LHT100单台的推力只有80毫牛,但是细水长流,绵绵不绝。此项关键技术能让天宫省下一大笔运营成本,从而处于和国际空间站竞争的有利地位。

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和天宫1、2号太空实验室不同, 天宫空间站的资源舱是环状的,当中被打通,有一个对接口接纳货运飞船停靠补给。下图是天和一号核心舱大柱段尾段对接口。资源舱对接口和其它对接口不同,具备燃料补给功能,装备特别的管线和阀门等,特别是在对接口外部的液路浮动断接器,用来接受货运飞船上所载火箭燃料。

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货运需要单独的后向对接口是因为天舟货运飞船是和天宫1、2号太空实验室一样粗的“大家伙”,分开对接不会影响载人飞船和实验舱。对应资源舱对接口,天舟货运飞船上也有4个液路浮动断接器,可以形成4条管路。单组元肼推进剂姿控发动机需要一条管路就够了,而双组元发动机则需要两条。所以天宫采取的是冗余设计:氧化剂和肼推进剂分别设置了两套主、备共四个加注口。一次通过液路浮动断接器连通一条管路,分别加注。

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实验舱Ⅰ “问天”个实验舱Ⅱ “梦天” 既是是航天员的工作场所,也是应急避难场所,主要任务是开展舱内和舱外空间科学实验和技术试验。它们有着核心舱部分关键平台功能:在紧急情况下,可以执行对空间站的整个管理和控制。两个实验舱都有气闸舱和机械臂(下图圈中所示),但侧重不同:“问天” 支持航天员出舱活动,而“梦天”支持大型货物和载荷进出(比如实验机柜)。

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天和核心舱、问天实验舱Ⅰ和梦天实验舱Ⅱ,每个舱段规模20吨级,都将由长征5号B运载火箭发射。天宫将于2022年前后完成建造,除了长征5号B,还将由长征2号F火箭发射4艘神舟载人飞船提供乘员运输,以及长征7号火箭 发射4艘天舟货运飞船提供补给支持。下图中实验舱II还在X-轴,最终它将“跑到” Y-轴与实验舱I相对。为啥不直接在 Y-轴对接呢?因为和X-轴上的轴向对接相比,Y-轴上的径向对接的冲击力不通过组合体质心极难调控,会导致空间站姿态失稳、甚至结构损伤。所以实验舱交会对接在X-轴上沿轨道进行。

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实验舱先和核心舱在X-轴上对接完成后,再由核心舱上的机械臂搬到Y-轴上的停泊口。

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和实验舱上用于搬运货物或支撑出舱航天员作业的机械臂相比,核心舱上的机械臂需搬运20多吨的实验舱,要求更高。

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完成了实验舱的搭建后,核心舱上的机械臂是否就完成使命,不再有用了?当然不会浪费。神舟载人飞船一般仍在X-轴上对接,需由机械臂将它搬到Y-轴上的对接口,而将X-轴上的对接口留给下一艘神舟,以同时接驳两艘神舟(天宫常驻3人,乘组轮换期间短期可达6人)。为了航天员出舱作业,机械臂开始是在出舱口一侧,但是神舟飞船在另一侧,如何两者兼顾?诀窍是机械臂头尾可以互换,使得它能在舱外爬行。下图是机械臂的展示样品。

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由于两头都有末端作用器,可以将一头先固定在核心舱的一侧的连接点,再将另一端伸向对侧的连接点,完成固定后脱开原来的连接点。这样,机械臂搬运实验舱和接驳神舟飞船两不误,还可以为航天员作出舱移动平台。

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舱外机械臂已在天宫2号空间实验室上在太空环境验证过,确保设计万无一失。在核心舱和实验舱上,天宫将有三个可移动的机械臂,没有地方够不着。

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有了霍尔推进器的加持,天宫完全可算得上是空间站里的三代半(对应战斗机里的欧洲两风)。

第1代:单舱单接口,一般只能接驳载人飞船对接。中国的天宫一号、天宫二号太空实验室以及前苏联的礼炮1号到5号空间站(其中礼炮3号据说还装备有机关炮,以对付阿波罗飞船,堪称星球大战战斗机)和美国的天空实验室都属与第一代。中国天宫二号试验了和“天舟”货运飞船的对接及火箭燃料的补充。但是货物的转运就不要想了,因为没人搬。下面示意图中蓝色管线就是用于太空加油的,而且从外观上看不出哪个是天宫二号,哪个是天舟一号,因为天舟一号货运飞船就是由天宫一号太空实验室发展而来。

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第2代:单舱多接口。多了一个对接口,意味着可以同时对接载人和货运飞船。由货运飞船补充空间站上的火箭燃料和物资,这样空间站就能长期运行。前苏联的礼炮6号和礼炮7号属与第二代。中国天宫二号验证了火箭燃料太空加注技术,直接跳到第三代。

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第3代:多舱多接口。和平号空间站、国际空间站和天宫都属于此级别。其中和平号空间站和天宫都是标准的积木式结构,通过受力的接口将舱室刚性连接。和平号空间站作为前苏联的巅峰之作,从规模上来说,比天宫还要大些。对应结构在+X,+Z和-Z方向上多出来三个试验舱。 “量子”1号是第一个与核心舱对接的模块,载有天体物理观测设备,可以接驳进步号货运飞船,并将火箭推进剂转送和平号的储罐中。由于管线复杂,天宫没有采用类似“中介舱”设计,而是直接和天舟货运飞船对接。“量子”2号舱是和平号空间站的第一个径向舱,和天宫实验舱Ⅰ “问天”的功能类似,可供航天员实验和出舱活动。对头的“光谱号” 对应天宫实验舱Ⅱ “梦天”。Z轴两个接口都装上了舱室,从而使和平号只有一个通过“量子”2的出舱口,并只能一次接驳一艘联盟载人飞船。当然,可以通过“晶体号”(内有硅晶体生长炉)再对接一架航天飞机,因为其末端配备了一个对接坞站(原计划为暴风雪号准备的,后来让位与美国航天飞机)。与其相对的“自然号”的显著特点是巨大的对地合成孔径雷达。由于雷达技术的进步,原先需要空间站或航天飞机搭载的合成孔径雷达(哥伦比亚号出事的那次就是带这东西),现在几吨的卫星就可以了。所以,Z轴上的“晶体号”和“自然号”如果再放在天宫上就显得多余了。

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与和平号相比,国际空间站还用了大型桁架结构用来放置太阳能电池板,但是舱室还是通过接口受力刚性连接的积木式。而真正的桁架式空间站特征是桁架承力和悬挂舱段,只在绘图板上存在过,从未在现实世界中实现。

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国际空间站舱段的承力连接还是靠接口,而桁架只起到太阳能板支架的作用,所以它本质上和其它三代空间站并没有区别。而桁架是异形组件,很难通过运载火箭搭载。以前桁架结构通过航天飞机发射和组装,而2003年“哥伦比亚号”的悲剧险些导致国际空间站烂尾。在航天飞机退役的今天,估计只有在星舰成熟或空天飞机问世后,真正的桁架式空间站才会重新被考虑。当然,比起和平号,国际空间站不仅在桁架结构上做了尝试,而且采用了标准化机柜和集中供电的设计,可算3代半。

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同为3代半的天宫当然也采用了集中供电和标准化机柜的设计。作为一座大型空间站,天宫对电能需求是多多益善。为此,每一个实验舱的尾端设置了采用了轻型衍架支撑的柔性太阳翼。较大的光伏面积和较高的换能效率使天宫整体功率达100千瓦,而国际空间站也只不过90千瓦(这让国际空间站拥趸引以为豪的大型衍架结构情何以堪)。为此天宫和实验舱之间的接口采用的都是100伏供电系统,比以往飞船上普遍采用的28伏供电系统优化不少。作为天宫的预研,天宫一号和二号空间实验室就已经采用了100伏供电系统,为空间站任务的实施打了先锋。

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有了能源的支撑, 就可以多加实验设备,使得百吨级的天宫拥有23个标准实验机柜。作为对比,400吨级的国际空间站只有31个机柜,性价比实在不高。而且天宫的标准化机柜不仅采用一致的结构、电源和数据接口,可以即插即用,还可以在轨更换,使得任务的灵活性大大提高了。同样,在天宫设计之初就考虑了标准实验机柜(那时实验舱还用的是传统太阳帆板设计),并在天宫一号和二号空间实验室上安装验证了。

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重达420吨的国际空间站规模这么大,其实不是优化的结果。就说对接口有8个之多,却标准不一。对接方式有杆锥式和异体同构周边式两种,对接通道内径尺寸同样有有货运1.2米与载人0.8米两种。和百吨级的天宫比,四百吨级的国际空间站的载人运输条件上并不充裕,比如和龙飞船的对接只有两个对接口可用,其中仅一个是轴向。而天宫除了有节点舱上轴向和径向的两个载人专用对接口,在紧急情况下载人飞船也可接驳轴向的货船对接口。国际空间站的运营成本也过于昂贵,估计和俄罗斯困难时期和平号的下场差不多:即使可以延寿,也逃不过被放弃的命运。相比较而言,天宫的规模成本适中,设计寿命10年,实际寿命估计翻翻没问题,是可持续发展的典范。而且积木式结构也同样具备扩展性。作为备份的天和二号核心舱,在天宫一期工程完工后,也不会甘于一直呆在地面上。而是会上天和天和一号核心舱对接,从而开启二期工程。届时,再发射几个实验舱,天宫就会摇身一变,成为两百吨级空间站。

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主题:4609405
以下是 作者 对本帖的 补充 (2)
1 整装待发

4月23日,空间站天和核心舱与长征五号B遥二运载火箭组合体从组装测试厂房:

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转运至发射区:

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长征五号B两型火箭是中国首型“一级半”火箭: 助推器为“半级”,芯级为“一级”。

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根据空间站任务要求新研制了长度20.5米、直径5.2米的我国最大的整流罩,使得长五B火箭全长约53.7米。

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发射起飞质量约850吨,近地轨道运载能力达到25吨级,带上约22吨的天和核心舱绰绰有余。天和核心舱有三个床位:

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还有人系统柜和医学样本柜,给宇航员检查身体:

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帖:4611389 补 4609405
1 天和核心舱发射成功!

4月29日11时23分,搭载着“天和”核心舱的长征五号B遥二火箭在海南文昌航天发射场点火升空。

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天和和火箭分离,顺利入轨,长征五号B运载火箭跑出了完美的第一棒。

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随着柔性太阳翼的展开,天和获得源源不断的电能,有了自己的生命。

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紧接的第二棒是长征七号运载火箭接力发射货运飞船,为天和送去给养。而第三棒将由长征二号F运载火箭发射神舟载人飞船,首批三名航天员将入住天和。

中国航天进入空间站时代,精彩纷呈,盛况空前。

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帖:4613769 补 4609405
2021-05-03 03:42:12常挨揍
2 据说备份的核心舱也会打上去,长期在轨6人

这个图又得改了

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通宝推:住在乡下,
帖:4615428 复 4609405
注:本帖有补充
2021-05-03 17:00:15心有戚戚
3 届时

天宫就会成为新的“国际空间站”,意大利都已经在规划让中国将自己的实验舱发射上天成为天宫二期的一部分了。

通宝推:住在乡下,
帖:4615692 复 4615428
以下是 作者 对本帖的 补充 (1)
3 如图(A-天和二号核心舱;B&C-国际实验舱)

而此时天和一号核心舱上的太阳翼会被天和二号核心舱上的太阳翼遮挡,所以会移到“问天”和“梦天”实验舱上的太阳翼外端。

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帖:4615908 补 4615692
2021-05-04 01:26:04
胶州大白菜
4 看这个图,再扩展出个第三个核心段,可以再增加2个实验舱

搭积木啊

不考虑向z方向扩展?F

帖:4615931 复 4615692
2021-05-04 11:59:23心有戚戚
5 -Z轴方向

是2个载人飞船对接口,加上-X轴上的1个,共3个。将来二期工程要长期接驳2艘,短期接驳3艘。

而+Z轴上现在是2个出舱口(每个核心舱上一个),有点多余,不知是否可以将天和二号核心舱上的改装成停泊口,以再接上一个实验舱?

帖:4616192 复 4615931
2021-05-01 08:31:28
nanimarcus
2 霍尔这牛逼,很多年前就看过,没想到真用上了。

霍尔这牛逼,很多年前就看过,没想到真用上了。

帖:4614774 复 4609405
注:本帖有补充
2021-05-02 12:22:47心有戚戚
3 霍尔电推力器应该是装在了

下图圈中3个地方,另一个被货船对接口遮挡。

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帖:4615196 复 4614774
以下是 作者 对本帖的 补充 (1)
3 根据最新的照片

霍尔推进器安装在天和核心舱尾部的侧面,和4个大推力的双组元升轨发动机一样倾斜安装,大致指向质心,增加控制稳定性。除此之外,还有22个单组元姿控发动机。

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通宝推:住在乡下,李根,桥上,
帖:4615279 补 4615196
2021-05-02 14:27:11nanimarcus
4 我在实际引用中见到霍尔是在手机上,郁闷。

我在实际引用中见到霍尔是在手机上,郁闷。

看到文档上写的,跑去查,还真是,大材小用啊。

帖:4615213 复 4615196
2021-05-02 17:45:50
胶州大白菜
5 霍尔传感器很常用啊

CPU风扇测速

帖:4615245 复 4615213
2021-05-02 17:38:40心有戚戚
5 手机上的是霍尔传感器

和天宫上的霍尔推力器是两回事。

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两者唯一相通的就是霍尔效应(Hall effect)。这是美国物理学家霍尔(E. H. Hall)在1879年(比电子的发现还要早18年)发现的一种电磁效应。当电流垂直于外磁场通过半导体时,载流子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在半导体的两端产生电势差。这一现象就是霍尔效应,而电势差被称为霍尔电势差。

霍尔效应推力器(Hall effect thruster)将气态半导体工质(天宫上霍尔推力器用的是氙气)通过阴极和阳极电离,利用霍尔电势差将离子加速喷出产生推力。

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通宝推:铁手,
帖:4615242 复 4615213
2021-05-02 18:11:12胶州大白菜
6 两个霍尔电推,80mN就足够维持轨道高度吗?

完成体的空间站有100吨。。。。

真是不怕力小,只怕坚持的典范啊

帖:4615251 复 4615242
2021-05-02 18:36:43
心有戚戚
7 天宫上有4个霍尔电推

共320毫牛,和大气阻力差了不多。

帖:4615257 复 4615251
2021-05-02 18:45:36胶州大白菜
8 我看配置是4个发动机,2个备份

还以为一次只用2个,即使4个,320mN,力量还是小的不得了

节省90%的燃料了不得,维护成本降低的不得了

320mN大概相当于3钱肉的重量,3钱肉大概也就相当于炒菜里的一片肉片F

帖:4615260 复 4615257
帖内引用