本文來自微信公眾號：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：埃茲?皮爾遜（Ezzy Pearson），譯 ：葉少紅，編：趙佳明
在國家自然科學(xué)基金委員會發(fā)布的“十四五”第一批重大項目指南中，有一個尺寸超過 1000 米的“超大型航天結(jié)構(gòu)空間組裝動力學(xué)與控制”的項目。
千米級大型超級航天器是個什么概念？
目前，人類建造的最大航天器是國際空間站，它的體量也只是長 110 米、寬 88 米，大致相當(dāng)于兩個足球場大小，總質(zhì)量達(dá) 400 余噸。
而美國超級航母“福特”號全長約 330 米，也就是說中國未來規(guī)劃建造的超大型航天器，相當(dāng)于 10 個國際空間站或者 3 艘“福特”號航母那么長！
近年來，航天任務(wù)日益朝著大尺度、遠(yuǎn)距離、 高復(fù)雜度方向發(fā)展。
“希望號”、“天問一號”、“毅力號”相繼奔向火星；“旅行者一號”成為首個沖出太陽系的人造飛行器；“隼鳥二號”完成了小行星采樣返回。
與此同時，中國的空間站正在穩(wěn)步推進(jìn)，SpaceX 的星艦逐漸成型。伴隨而來的是在軌航天器對功能、性能、環(huán)境適應(yīng)能力的要求越來越高，大尺度的太陽能帆板、散熱板和天線等的需求越來越大。
如 2010 年發(fā)射的 Skyterra-1 衛(wèi)星天線口徑達(dá)到 22m;2020 年發(fā)射的“實踐 20 號”衛(wèi)星太陽能帆板展開尺寸超過 40m 長。
然而，受火箭發(fā)射包絡(luò)的限制，大尺度結(jié)構(gòu)的航天器部件的折疊與在軌展開技術(shù)越來越引起各航天機構(gòu)的重視和發(fā)展。
2022 年 8 月，NASA 原計劃完成“阿爾忒彌斯”計劃的首次發(fā)射，為未來的月球登陸任務(wù)做準(zhǔn)備。但是，由于故障，這次發(fā)射一再推遲。
在接下來的 10 年里，NASA 將組建一個國際合作團(tuán)隊，建造“月球門戶”空間站 （Lunar Gateway）――這是一座月球空間站，將作為登陸月球，甚至登陸火星的中轉(zhuǎn)站。
“月球門戶”空間站和國際空間站（ISS）、中國空間站一樣，由多個模塊組裝而成，每個模塊都要由火箭運送到固定軌道。但是要想實現(xiàn)星際旅行，還需要更大的宇宙飛船。
在零重力環(huán)境中，長期的太空飛行會導(dǎo)致宇航員出現(xiàn)肌肉萎縮、心功能失常、骨質(zhì)疏松、視力退化、免疫力下降等健康問題。
要解決這些問題，就需要建造能夠旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生人造重力的航天器（就像《星際旅行》《2001 太空漫游》等科幻電影描繪的那樣）。
可問題是，要讓宇航員隨著航天器旋轉(zhuǎn)，又不能讓他們惡心嘔吐，就必須得有一艘加上各艙室，總長度至少達(dá)到 1 千米的航天器。
建造這樣的航天器，需要數(shù)十次高成本的發(fā)射任務(wù)才能完成。但美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機器人專家扎克?曼徹斯特（Zac Manchester）提出了一個新方案，可能只需一次發(fā)射即可。
“我們的目標(biāo)是設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)，可以搭載在單枚火箭的整流罩內(nèi)。這個方案的挑戰(zhàn)在于，整流罩只有幾米寬，但大型航天器展開之后的長度，要達(dá)到 1 千米，”曼徹斯特說，“不過，這艘航天器只需要在太空運行，而在太空中，作用在航天器上的力非常微弱，因此不必非常堅固。只是在發(fā)射階段，需要承受很大的力，因此航天器只需在折疊狀態(tài)下足夠堅固就行。”
曼徹斯特一直在研究由剪式連桿相互 連接組成的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為復(fù)雜形狀，而且大小可以擴(kuò)展至原尺寸的 150 倍。
這樣的結(jié)構(gòu)需要數(shù)千個活動部件，但在航天器中，這樣的設(shè)計通常不合適，因為如果這些部件出現(xiàn)問題，可能需要派出不止一位機械師去處理。
“這是最困難的挑戰(zhàn)之一，我們也非常擔(dān)心航天器在展開過程中會出現(xiàn)機械卡阻，”曼徹斯特說，“我們正在想辦法，通過工程學(xué)手段，讓航天器的結(jié)構(gòu)具有一定的柔韌性，以降低卡阻的風(fēng)險。”曼徹斯特目前的工作主要是完善設(shè)計，最大程度地降低出現(xiàn)結(jié)構(gòu)錯誤的風(fēng)險。
或許，超大航天器很快就會從設(shè)計階段進(jìn)入驗證階段，并在不久的將來飛越地球近地軌道，飛往其他星球。
原文刊載于《科學(xué)焦點》2022.10
部分內(nèi)容參考資料：
張元勛，徐莉萍，陳國輝，等.航天器大尺度部件折疊展開原理分析及應(yīng)用 [J]. 中國空間科學(xué)技術(shù)，2022, 42 (4): 129-145.
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