千米级超大型航天器将通过模块化设计多次发射空间组装建造

　　近日，国家自然科学基金委员会关于发布了＂十四五＂第一批重大项目指南，涵盖数学物理、化学、生命、地球、工程与材料、信息、管理、医学、交叉等九大领域，可以说每个项目都是重量级的。其中，＂超大型航天结构空间组装动力学与控制＂项目尤其让人感兴趣。
　　该项目指南提到，尺寸达千米量级的超大型航天器是未来空间资源利用、宇宙奥秘探索、长期在轨居住的重大战略性航天装备，需通过结构模块化设计、多次发射、空间组装的方式进行建造，并解决极其复杂的耦合动力学问题。
　　这对超大型航天器的动力学设计提出了两方面的要求：
　　一是结构的轻量化设计，以最大程度减少发射次数，降低建设成本；
　　二是结构的可控性设计，以有效抑制组装过程中组合体轨道与姿态漂移、控制结构变形与振动。
　　本项目的科学目标包括：
　　1、瞄准超大型航天结构的减重设计和空间组装需求，提出满足在轨动力学要求的组装结构轻量化设计新理论；
　　2、建立空间组装过程的＂轨道-姿态-结构＂耦合动力学新模型，揭示空间组装过程的耦合动力学演化新规律；
　　3、提出空间组装过程的＂轨道-姿态-结构＂一体化稳定控制新理论；
　　4、探索解决超大型航天结构动力学试验＂天地一致性＂问题的新方案。
　　研究内容则有四大方面，分别是：超大型航天结构的轻量化和可控性设计、超大型航天结构空间组装过程的动力学演化、空间组装过程轨道-姿态-结构一体化稳定控制、空间组装过程动力学与控制的地面模拟试验。
　　我国千米级航天器预研，说说意义、时间表，以及2个可能会增加申报科学家工作量的彩蛋 。
　　为什么超大型航天器要单开国家级课题去研究它的结构和控制？我们国家已经发布了未来若干重大航天项目路线图，比如载人火星探测，明确将采用核电与核热推进。这类飞船为了隔绝辐射保护乘员，需要让推进系统远离乘员舱；又比如，计划在空间建立的太阳能电站、太空工厂、巨型望远镜等等，它们的尺寸确实需要达到千米级别，才能发挥出应有作用。这些项目路线图时长20年左右，因此基金委提出的课题也必须在这个时期落实应用。
　　人类目前建造的最大航天器是100米长的国际空间站。航天器尺寸扩大到千米级别后，最显著的变化是各种金属或非金属支撑结构都不再是刚体，而会体现出类似面条或者弹簧的柔性 。不只是上下左右柔软，前后也会压缩。
　　在地球上，建筑结构可以依托稳固大地（包括通过桥墩、悬索等结构间接依托）将柔性的不利影响减至最少，但空间站只能自己硬扛；而且大型空间站舱体向多个方向延伸，不同方向的不确定性会叠加影响，简单控制方案已经无法应付 - 不久前俄罗斯科学号实验舱顶翻国际空间站的时候，计算机曾紧急启动其它舱体的发动机反向顶推以稳定姿态。如果在千米级空间站也这样随意顶牛，发动机对空间站的扭矩和力矩可以轻松达到国际空间站这次事件的十几倍，极有可能直接拧碎舱体。
　　柔性结构控制的关键是建立精确可解的数学模型，而人类目前在地面大型结构的计算上还偶有失误（比如乱晃的虎门大桥和深圳赛格广场），更不必说复杂得多的空间计算。因此，千米级航天器的结构和控制计算，配得上国家级课题。
　　最后送两个可能会增加申报科学家工作量的＂彩蛋＂
　　1、千米级航天器除了课题说明的＂地面制造、空间组装＂模式外，还有可能采用在太空通过3D打印等技术建造。新舱体在建造过程中，其自身特性和对空间站其它部分的影响会实时变化，控制方案应对此有所考虑 。
　　2、国内外不少学者提出过就近回收轨道上废弃的火箭上面级加以改造，变身空间站舱体；如不便改造，也能作为1的建材使用。这种模式能不能简化建站工作，降低成本？
　　先说这么多。键盘侠敲字总是容易的，难的活儿都留给科学家了 。