航天概论设计报告

1、设计报告一一实现火星着陆探测与返回的方案千百年来，人类一直梦想的飞天梦正在逐渐实现。从齐奥尔科夫斯基的伟大 构想到航天员加加林的飞绕地球，从阿姆斯特朗跨出人类登月的第一步到各种系 列探测器。人类对宇宙空间的深空探测活动方兴未艾，并且已从地球空间探测扩 展到火星空间探测。作为距离地球次近的一颗行星，火星有着许多与地球相似的地理环境特征， 蕴藏着巨大的探索价值。迄今人类对火星的探测已达40余次。随着世界航天强 国和新兴国家深空探测计划的实施，将有越来越多的空间探测器飞往火星，并将 掀起新一轮火星探测的高潮。“十一五”期间，在中俄两国政府航天合作框架协议的基础上，开展了中俄 联合火星探测项目。中方独

2、立研制的“萤火一号”火星探测器将搭载俄罗斯“福 布斯”探测器飞向火星，实现环绕火星的科学探测。我国参与的“火星一500” 项目也正在有序的开展。但是，火星探测是一项浩大的工程，探测火星的难点在于飞行速度、持续飞 行时间和推进系统。因为个人水平原因，本设计报告不论述探测器着陆，而简单 论述火星往返方案中的关键技术与组成一一核推进器火箭技术与空间交会与对 接技术。核推力器火箭技术对远征火星而言是十分具有可实行性的。虽然核推力器火 箭并非不可或缺，但是它和其他新研究一起可以让整个行动更安全、更有效。核 推力器火箭的原理非常简单，事实上就是一个将冷却气体变成火箭排气流的气冷 核反应堆。对于那些对核反应

3、堆的印象来自核电站的人而言，将核反应堆缩小到 可以装入火箭内的想法似乎很荒谬。事实上，核推力器相当小。我们被两个因素 所迷惑：冷战期间出于安全原因故意混淆了反应堆所需的铀的数量以及发电站和 火箭发动机对核能的不同要求。出于经济性考虑，核发电站需要连续运行了 20 年以上，并且要装在经济发达地区，因此核发电站需要大量核燃料和减速剂，以 及大量屏蔽设备。核推力器火箭仅在太空中使用，总共只运行大约1小时。需要 的核燃料和屏蔽设备要少得多。20世纪60年代研发出的试验性核推力器并不比 当时普通的火箭发动机大。美国和苏联都研制出了核推力器火箭，并在美国的内 华达沙漠和苏联的某地做过试验。是禁止核试验协定

4、中止了这些计划，因为 这些试验会排放少量放射性物质到大气中。核推力器对远征火星的可实行性在于它结合了化学火箭发动机的高推力和 稳定的高排气速度一一大约是航天飞机主发动机的2倍。假设质量为M的火箭携 带推进剂质量为P，那么它所能达到的最大速度v = v0lnQ，V0是燃料喷射速 M度。化学火箭燃料喷射速度在4500m/s至5000m/s之间难以存在提升，所以如果 使用化学燃料火箭，增大速度的唯一途径就是增加化学燃料比重，然而由上公式， 要携带M质量的有效载荷，欲提升速度，所需化学燃料与速度呈现e的指数递增 关系。通过单纯增加化学燃料量来使增大速度显然作用不大。但如果使用核推力 器，就可以比较容易

5、的增大燃料比重。这意味着大型航天器用适量核推进剂就可 以加速到很高的速度。所以核推力器火箭技术不仅解决了持续飞行续航能力，而 且对于飞行速度也有很大改善。当然，过去50年的经验教训必须铭记于心。航天员和大众的安全毫无疑问 是最重要的，即使最小的核推力器放射性事故也是我们无法接受的。不幸的是， 使用化学火箭发动机的事故记录也并不光彩，就连最新的设计也经历过重大事故， 造成运载火箭巨大的损失和破坏。所以我们必须保证携带惰性核反应堆的运载火 箭发生故障时不会造成任何与人员相关的危险。核反应堆和火箭发动机必须装备 自动防故障装置，任何重大事故隐患都必须根除，这是可以实现的。核推力器火 箭核推力器以惰性

6、状态发射，在空间中仅发生一次裂变，惰性核裂变不具有放射 性。它由浓缩铀构成，放射性不比花岗岩铺路石料大，只有反应堆工作时它才会 具有放射性。运载火箭如果发生故障，不会因为携带惰性核推力器给人类带来更 多的危害。为了避免核推力器火箭在大气层内出现事故和探测器从火星返回地球，我们 可以采用空间交会与对接技术。空间交会对接是指两个航天器（宇宙飞船、航天飞机等）在空间轨道上会合并 在结构上连成一个整体的技术，它是实现航天站、航天飞机、太空平台和空间运 输系统的空间装配、回收、补给、维修、航天员交换及营救等在轨道上服务的先 决条件。交会对接过程分4个阶段：地面导引，自动寻的，最后接近和停靠，对接 合拢。

7、在导引阶段，追踪航天器在地面控制中心的操纵下，经过若干次变轨机动， 进入到追踪航天器上的敏感器能捕获目标航天器的范围（一般为15100千米）。 在自动寻的阶段，追踪航天器根据自身的微波和激光敏感器测得的与目标航天器 的相对运动参数，自动引导到目标航天器附近的初始瞄准点 （距目标航天器 0.51千米），由此开始最后接近和停靠。追踪航天器首先要捕获目标的对接轴， 当对接轴线不沿轨道飞行方向时，要求追踪航天器在轨道平面外进行绕飞机动， 以进入对接走廊，此时两个航天器之间的距离约100米，相对速度约31米/ 秒。追踪航天器利用由摄像敏感器和接近敏感器组成的测量系统精确测量两个航 天器的距离、相对速度和

8、姿态，同时启动小发动机进行机动，使之沿对接走廊向 目标最后逼近。在对接合拢前关闭发动机，以0.150.18米/秒的停靠速度与目 标相撞，最后利用栓一锥或异体同构周边对接装置的抓手、缓冲器、传力机构和 锁紧机构使两个航天器在结构上实现硬连接，完成信息传输总线、电源线和流体 管线的连接。我们可以通过并发展此项技术，一次性发射两艘化学火箭，分别运载探测 器与核推力器，让核推力器在绕地球轨道上与探测器进行交会对接之后，再奔向 火星。等探测器将要完成探测火星任务时，再从地球发射两艘化学火箭，都运载 核推力器，核推力器在绕地球轨道交会对接成功后，用核推力器将另一个核推力 器运向火星，解离后再与探测器对接，将探测器运载回来。理论上说，将探测器 换成飞行器、货运飞行器乃至载人飞行器也可。在可预见的未来，火星探测对人类来说不再困难。但是人类是否可以踏上 火星，就靠我们这一代人或者下一代人的努力了。参考文献：【1】远征火星/（英）特纳著；陈昌亚，方宝东，俞洁译一北京：中国宇航 出版社，2011.7【2