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太空探索技术复杂 低成本航天器需长期努力

2014年02月26日 08:07 来源:中国航天报 参与互动(0)

  开发低成本航天器有没有戏?

  近年来,美国太空探索公司的龙飞船和轨道科学公司的天鹅座飞船都取得了不俗的成绩,以较低的成本为国际空间站提供了货物运输服务,龙飞船甚至可以将货物带回到地面进行回收。这两种由私人公司开发的飞船,都是在美国宇航局“商业轨道运输服务计划”的框架下开发的,在一定程度上实现了比以前低很多的航天运输成本。

  然而,昂贵的航天器真的能够完全实现低成本吗?从目前人类的技术水平来看,依然很困难。从空间飞行原理上看,从地面到太空,依然需要依靠推力巨大的化学燃料火箭才能实现。而基于化学燃料的火箭,都需要装载超过总重量90%以上的推进剂才能将航天器发射入轨。这些燃料虽然不算很贵,但也是一笔不菲的成本。

  而价格更为高昂的是技术复杂的火箭发动机、导航与制导控制设备等。美国的“商业轨道运输服务计划”虽然通过充分利用已有技术成果、发挥发动机的潜能等举措,在一定程度上降低了天地往返的成本,但并没有质的飞跃。可以说,若没有在新的技术上取得重大突破,将人和货物送上太空的运载火箭,依然是人类空间活动的主要成本之一。

  除此之外,航天器在空间实现各种复杂的功能,需要克服从发射到在轨运行,乃至于返回过程的各种恶劣条件。例如,运载火箭在发射过程中不可避免会有较高的加速度和剧烈的振动,而被承载的航天器在经历这个过程后还能否正常工作,是一定要在研制阶段进行充分的地面试验才能够确认。这方面的成本不可忽视。

  另外,长期在太空工作的航天器,由于处在热真空环境,在有太阳照射的时候以及没有太阳照射的地影区,会有极大的温差。因此,航天器的热设计是一门非常复杂的学问,设计好的航天器还要放在真空罐中进行试验。这些真空罐可不是简单地抽成真空即可,它们还需要充满液氮的热沉来模拟真空中的低温环境,用红外热笼等设备模拟太阳照射时的强热流。只有将这些严酷的考验都真实地模拟,才能确保航天器在太空中不会因为“发烧”或“受凉”而一命呜呼。

  除了恶劣的力学环境和温度环境外,长期在轨飞行的航天器还必须面对各种空间辐射的挑战。例如在来自太阳或银河系的高能质子作用下,计算机存储器中存储的“0”或“1”会因为“单粒子效应”发生翻转,产生错误,很多情况下这些错误都是致命的。

  为了有效避免空间辐射的影响,不但要在软件方面和系统设计上有各种特殊的考虑,对航天器使用的元器件也都是有等级要求的,最高等级的称之为“宇航级”。我们在市面上买到的电子元器件也许只需要花几毛钱、几块钱,而在航天器上使用的相同功能元器件,经过严格的筛选或抗辐射加固后,其价格会成百上千倍地增加。这也是航天器成本组成的很重要方面。

  综上所述,航天器能够在轨运行,其实有很多的措施需要采取,有很多的地面试验需要去做,这些都是航天活动高成本的因素来源。虽然科学家和工程师都在致力于降低航天活动的成本,但有这些因素的存在,低成本依然只是一个相对的概念,我们普通老百姓想要上天旅行,依然是一个需要长期努力才能实现的梦想。

  (杨宇光)

【编辑:高辰】

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