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深空航天器五大技术简介

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猎户座

NASA的”猎户座”飞船在探测任务1(Exploration Mission-1)期间经过月球40,000英里,这是它首次搭载太空发射系统火箭飞行。

导语

当一个载人航天器探索深空时,它需要一系列的举措来保证航天器和里面机组人员的安全。航行距离和持续时间上都要求航天器必须有一套在很远的地方都能够可靠运行的系统,该系统能够在紧急情况下保证宇航员的生命安全,而且还必须足够轻使得火箭可以发射它。

当NASA的”猎户座”飞船搭载世界上最强大的火箭——NASA的太空发射系统离开地球时,月球附近的任务将开始执行。“猎户座”从NASA位于佛罗里达州的肯尼迪航天中心发射升空后,将在月球之外飞行,离地面的距离是国际空间站在近地轨道上距离的1000倍以上,比迄今为止的任何载人航天器都要远。为了完成这项壮举,”猎户座”拥有可以让机组人员和航天器深入到太阳系深处进行探索的内置技术。

生存和呼吸系统

01 生存和呼吸系统

当人类在距离地球更远的地方执行更长时间的任务时,生存系统必须是高度可靠的,同时具有最小的质量和体积。”猎户座”将装备根据深空任务需要而设计的先进的环境控制和生命保障系统。一个已经在空间站上测试过的高科技系统能够将“猎户座”内的二氧化碳和湿气排除。排除二氧化碳和湿气对于确保机组人员呼吸空气的安全至关重要。控制航天器硬件上的水汽凝结以防止水侵入敏感设备或腐蚀主压结构。

该系统还可以节省航天器内部的体积。如果没有这个技术,“猎户座”就不得不携带很多化学容器,这将会占据航天器内127个篮球大小的空间 (或32立方英尺)—约占航天员可活动区域的10%。“猎户座”还将有一个新型小巧的厕所,比空间站上的更小。长时间远离地球的任务要求使得工程师必须要设计紧凑的系统,这不仅可以最大程度地增加可利用的空间以提高宇航员的舒适度,而且还可以提供在持续几日或数周的任务中携带的消耗品所需要的容纳空间,例如足够的水和食物。

当远离地球的宇航员没有受益于来自地球频繁的物资再补给所带来的备用配件时(就像地球运送到太空站的配件一样),高度可靠的系统就至关重要了。即使是小系统都必须可靠地运行以维持在太空中的生存,从可使用的厕所到自动灭火系统,再到可以帮助宇航员保持身材的运动装备以防止太空中失重环境下可能造成的肌肉或者骨骼萎缩。遥远的距离还需要“猎户座”有特制的宇航服,可以在太空舱失压的情况下维持宇航员存活6天,以支持漫长的返回行程。

推力

02 合适的推力

航天器探索太空的距离越远,它的推进系统维持航天器的行程精度和确保宇航员可以顺利返回的能力越强。

“猎户座”有一个功能强大的推进舱,用来作为航天器的动力室,它提供了一个强大的推进能力,可以让“猎户座”环绕月球和重新回到探索任务上来。推进舱有33个不同大小的引擎。主引擎将在整个任务过程中提供主要的空间操纵能力,包括让“猎户座”进入绕月轨道和提供足够强大的推力以脱离月球轨道返回地球。其他32台引擎用于在轨道上操纵和控制“猎户座”。

“猎户座”的推进舱可以在恶劣环境下执行远距离和长时间的任务,同时可以有能力在各种紧急情况下将宇航员送回地球,这种能力一部分得益于它的推进能力,包括能够储存将近2000加仑推进剂的油箱和在发生故障时的备用主引擎。

隔热

03 隔热能力

进入月球不是一项简单的事,上述只是整个历程的一半。航天器在太空中航行的距离越远,当它返回地球时它产生的热量就会越多。保证航天器安全返回需要很多技术,这些技术可以让航天器承受30个马赫的速度和两倍火山熔浆温度的高温或者太阳温度的一半。

当“猎户座”从月球返回时,它将以大约每小时25000英里的速度航行,这个速度可以在六分钟内从洛杉矶飞到纽约。它先进的防热罩是由一种叫做AVCOAT的材料制作而成的,它会随着温度的升高而烧蚀掉。“猎户座”的防热罩是迄今为止建造的最大的防热罩,将会帮助航天器在再入大气层过程中承受大约5000华氏度的高温。

在再入段之前,“猎户座”还会承受从-150°F到550°F高达700度的温差,“猎户座”强大的热防护系统,配合温度控制器,将在阳光直射和一片漆黑的时候保护“猎户座”,同时它上面的宇航员将会舒适地享受着大约77华氏度(25℃)安全稳定的室内温度。

辐射

04 辐射防护

当航天器执行的任务超出了地球磁场的保护范围时,它将暴露在一个比近地轨道更恶劣的辐射环境中,受到更多的来自带电粒子和太阳风暴的辐射,对关键计算机设备、电子设备和其他设备造成干扰。受到大量辐射的人可能会遇到急性和慢性的健康问题,从短期的辐射病到长期可能发展为癌症。

“猎户座”从一开始就被设计成具有内置系统级功能,以确保航天器的基本元件在可能有辐射的情况下的可靠性。例如,“猎户座”配备有四台完全相同的计算机,它们每一台都能进行自我检测,加上一台完全不同的备份计算机以确保“猎户座”在出现故障的情况下仍然能够发出命令。工程师们已经对零部件和系统进行了高标准的测试以确保所有关键系统即使在极端情况下也能正常工作。

“猎户座”在乘员舱的主甲板下还有一个临时的风暴避难所。在太阳辐射事件发生的情况下,NASA已经为航天器上的宇航员制定了计划,利用航天器上的材料建造一个临时的避难所。各种辐射传感器也将在航天器上帮助科学家们更好地了解远离地球的辐射环境。一项名为“AstroRad”的研究将会在 探测任务1(Exploration Mission-1)上进行,并测试一种实验背心,它有可能有助于保护重要器官和减少暴露在太阳粒子事件情况的发生。

通信和导航

05 持续通信和导航

航天器探索的距离超出了GPS和近地轨道上通信卫星定位范围。为了与在休斯敦的航天地面指挥中心进行对话,“猎户座”的通信和导航系统将从被用在国际空间站上的NASA的跟踪和数据中继卫星(TDRS)系统上进行切换,并通过深空网络进行通信。

“猎户座”还配备有备用通信和导航系统,以帮助航天器在主要系统失灵时与地面保持联系和自身定位。备用导航系统是一种名为光学导航的相对较新的技术,它使用相机来拍摄地球、月亮和恒星的照片,并自动从照片中对“猎户座”进行三角定位。它的备用应急通信系统不使用主系统或者天线进行高速数据传输。

来源:NASA 编译:周程林

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