中国要建造歼星舰了吗？-轻识

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在国家自然科学基金委员会近日发布的“十四五”第一批重大项目指南中，有个项目内容特别引人关注——“超大型航天结构空间组装动力学与控制”。

专业术语听不懂？有网友将它总结为一句话——中国正在研发千米级超大型航天器！

千米级别的超大型航天器是什么概念？国际空间站长约100米，美国超级航母“福特”号全长约330米，也就是说中国未来规划建造的超大型航天器，相当于10个国际空间站或者3艘“福特”号航母那么长！

啊不对，笔者作为一个重度科幻迷，怎么能用地球上的航母来衡量太空装备。忍不住搓搓手盘算一下：

《星球大战》里的歼星舰

《星河战队》里的星舰“罗杰·杨”号

《星际迷航》里的“企业”号只有300米长；《星河战队》里的星舰“罗杰·杨”号长约560米；《星球大战》里旧共和国军的歼星舰全长也不过1150米；就连《三体》里章北海指挥的“自然选择”号恒星级战舰，体积也不过“3艘二十一世纪海上最大吨位的航空母舰”……

妥了！这尺寸要造出歼星舰完全没问题！呃，中国这是要搞超级星球大战吗？

算了……还是醒醒吧……一名航天专家告诉笔者，现有航天推进技术根本无法持续驱动如此庞大尺寸的星际飞船。

那这个“超大型航天结构空间组装动力学与控制”项目，到底是干什么的？

相关文件显示，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：

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；

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；

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；

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。

中国航天专家庞之浩介绍说，想要建造超大型航天器，除了可以想见的巨大人力和物力需求外，从该项目指南中也可以看出，还必须克服海量的技术难题。别说建造可以横穿星系的歼星舰了，哪怕只是建造环绕地球轨道运行的超级空间站，也面临极大的挑战。

他解释说，目前国际空间站是人类建造的最大航天器。美国航空航天局曾评估称，如果20世纪70年代服役的美国“天空”实验室建造难度系数是5，苏联“和平”号空间站的难度系数为10到20，那么国际空间站则高达2500。这个庞大工程带来的难题不仅停留在技术层面，还涉及整个项目的计划和管理。考虑到千米级超大型航天器的复杂程度远超国际空间站，它的建造难度更将几何级增加。很可能会有数以千计的部件不断通过运载火箭发射到太空中，再按照不同接口进行组装和功能调试，整个过程的复杂程度难以想象。

庞之浩举例说，受限于运载火箭的推力限制，国际空间站采用分别建造各个部件，然后在太空组装的模式。然而国际空间站从1998年发射舱段进入太空到2010年最终完成建设，先后花费了12年，此时2001年发射的“码头”号舱段已经接近寿命末期。美国航天员也曾抱怨说，国际空间站在建造过程中，原先装配好的系统不断因为老化发生故障，地面控制人员一边在建造新系统一边还要规划未来的部件。可以想象，工程量远比国际空间站更为庞大的千米级超大型航天器，可能需要花费更长的建造时间，因此对核心部件的使用寿命提出更高要求，并需要考虑灵活更换部件的需求。

事实上，空间站在太空中的“搭积木”式建造过程中，也并不像很多人想象的那么简单。由于在近地轨道运行的航天器仍会受到稀薄大气分子的阻力，苏联“和平”号空间站在建造工程中，随着舱段的不断增加，就出现因为气动外形不对称带来的姿态控制问题，不得不频繁启动发动机调整姿态和轨道高度，额外消耗了大量燃料。而千米级超大型航天器在建造过程中显然将具备更不规则的气动外形，带来的技术挑战显然更为复杂。

此外，千米级超大型航天器的庞大体积，意味着它必须考虑如何应对太空碎片的威胁。目前国际空间站主要是靠监测周边太空碎片，一旦发现碰撞危险，就改变轨道高度进行避让。但千米级超大型航天器的庞大体积和质量，决定了它恐怕难以靠避让躲避太空碎片。那么未来需要为它安装厚重的防撞装甲，还是安装能拦截太空碎片的防御系统？这些看似科幻的问题，都是千米级超大型航天器必须考虑的问题。

既然千米级超大型航天器的技术难度如此之大，建造它的目的又何在呢？

美国提出的太空电站示意图

庞之浩表示，超大型航天器建造难度虽然大，但它的应用前景也非常广阔。最典型的例子就是太空电站。中科院院士葛昌纯于2021年5月撰文表示，太空电站被认为是最有可能的终极能源解决途径之一。这种运行在3.6万公里高度地球同步轨道上的超级空间站，通过巨型太阳能电池阵，将太阳光转化为电能，再依靠微波或者激光传输到地面。由于太空可以完美避开大气层的衰减，也不受昼夜、季节影响，99％的时间内可以稳定地接收太阳辐射，可以全天候大规模发电，发电效率是地面太阳能电站的几十倍。

此外，美国“阿波罗”登月计划和中国嫦娥探月工程都证明，这类超级太空工程虽然难度大，但它们更催生了多项科技和工程领域的技术突破。从这个意义上看，这次提出的“超大型航天结构空间组装动力学与控制”项目，虽然不是网友们想象的歼星舰，但它可能带来的巨大科技突破，却更值得我们期待。

别忘了，这个项目背后，可是有着“说什么时候落月就什么时候落月”，“说什么时候探火就什么探火”的中国航天。