多了去了:农用耕田用犁具等工具,锯木头收据,以前木匠用的刨子等工具,古建筑的发明,书写用的毛笔等等各行各业都有数不胜数啊!
中国第五大发明;袁老师的杂交水稻!
真实版空天航母来了!我国计划研发的千米级超大型航天器是什么?
国家机密,无可奉告。
需要强调的是,这项计划不同于中国的高铁建设,技术成熟,原材料丰富,一下子可以投资几万亿,全国开工。
中国将要打造的“千米级巨型航天器”,它是分阶段的,就像盖楼房,从来都是先设计,再打造主体结构,最后再确定的功能。
而这次中国发布的项目——“超大型航天结构空间组装动力学与控制”,这无疑是攻克“怎么在太空失重的环境下,建立一个千米级别的稳定空间结构”。
也就是,“怎么在太空中,搭建地基”这一步。
这里也不难看出,中国在科技突破上,从来都是一步一个脚印,由易到难,站稳了就不放弃,谁干扰都没用。
就比如现在刚在太空服役的“天宫”空间站,这可是从2011年,也就是十年前,就开始积累技术,当时发射的是“天宫一号”飞行器。
在这十年,先后有“神舟八、九号”,以及“神舟十号”的对接,这就让我们掌握了“航天员短期驻扎”和“空间交会对接的技术”。
“神舟十一号”载人飞船,与“天舟一号”无人飞船的成功,也让我们掌握了“航天员中期驻扎”以及“空间补给技术”。
你看,有了这些技术积累,中国才有底气说去尝试“千米级巨型航天器”设计和组装。
而“千米级别”的超大型航天器,又是实现“未来空间资源利用”,比如星际矿石的采集,“宇宙奥秘的探索”,比如跨星系级别的飞行,亦或者是“长期在轨居住”比如星际移民的前身,等等的重大战略性航天装备。
现在太空中最大的家伙是“国际空间站”,它长110米,宽88米,总重423吨,也就是说,大概在一个“百米级别”航天器,大概重400吨左右,这里咱们没有考虑厚度。
而,如果把这个设定扩展到“千米级别”航天器,那么保守的估计,中国计划建造的这座巨无霸,就至少有上万吨。
注意,这里没有考虑一些很奇葩的形状,比如“长度有一千米,宽只有十几米”的这种结构,因为无论是从宇航员的活动,还是从实用性的角度考虑,效率都太差。
但话又说回来,估算“千米级航天器”的质量,可以简单的类比,但并不意味着,可以用搭搭建“国际空间站”或者“天宫号”,那样的“模块化”方法,直接拿来构建“千米级航天器”。
这其中会遇到的“两个最难的技术壁垒”,就明确的写在这次的项目内容中。
首先,千米级别的航天器太大了,而且,肯定会有一定的厚度,就算只有100米,总体积也有1亿立方米,除去必要的支撑结构,可用的空间,保守估计也在5000万立方米以上。
中国第二大河,黄河的平均流量是2,571 m³/s,要填满整个空间站,需要5个半小时。
当然,如果要换算成能住多少人的话,最保守也能住进去上万人。
而这么巨大的结构,这么重的质量,在太空想要组装,你就得考虑结构的“超大尺度效应”,“构型变化效应”与“太空失重环境”的相互作用。
一旦处理不好,就会产生极其复杂的“耦合动力学现象”,威胁到整个航天器的安全。
这是首先需要解决的问题。
其次,还是因为质量和结构都太过庞大,显然无法通过单次火箭发射和入轨展开的方式构建,也就是说,之前用来建造“国际空间站”和“天宫”的那套“搭积木”的方法行不通。
而要解决这个问题,就需要开源和节流。
一方面是通过“轻量化”的设计,尽可能在保证航天器强度的前提下,降低质量,从而降低发射成本;
另一方面是,开发新型重型运载工具或者新型空天运输方案。
海平面推力高达213吨的RD-191试车
总的来讲,要攻克这两个难题,就需要将航天动力学中的三大研究对象“轨道”,“姿态”,“结构”进一步整合,再与“控制”学科深度交叉。
做好了这一步,才算是为“超大型空间基础设施”的建造奠定理论和技术基础。
所以你看,这次的发布的项目,只是在建造超大型航天器之前,投下的一块“问路石”。
而这项计划,又是作为2021年,数理科学部共发布10个重大项目的其中之一;
而与“数理科学部”齐头并进的,还有“化学科学部”,“生命科学部”“工程与材料科学部”等等9个科学部门,一共78个重大项目;
每个科学部门,都会有5个项目,获得国家不超过1500万元人民币的资助。
而站在更大的角度看,以上“78个重大项目”也只是中国“十四五计划”的第一批重大项目。
所以你看,用百花齐放,全面赶超,来形容中国科技进步是一点都不为过。
接下来,我们就来细说说这个“千米级别航天器”该怎么搭建。
当然,具体这个航天器内部应该怎么设计,这是最高机密,我们根本查不到,所以,我们就从“这上万吨的材料怎么运上太空”和“这么大的太空站怎么供能”这两个方面入手。
首先,“怎么把这近万吨的材料运上去”,按照技术难度由低到高,依次为——重型火箭,空天飞机,以及只能在实验室中出现的太空电梯。
长征九号,大家可或许有些人没听说过,这个是中国最新研制的超重型运载火箭,高110米,起飞推力7000吨。
长征5号
根据“深空探测学报”提供的数据,近地运载能力,最高可达200吨,奔月转移轨道运载能力50吨,奔火转移轨道运载能力12吨至44吨。
相比起中国目前最大的运载火箭,长征5号,近地运载能力25吨,长征九号可以说是直接高了一个数量级。
世界上最大的运载火箭,土星5号,近地运载能力250吨,所以你看,长征九号也是当仁不让。
目前的研究进展是,长征9号已经完成了深度论证,计划于2028年至2030年首飞。
可以说,只要问世,中国就可以载人登月了。
空天飞机,这是中国在35年前就开始的计划,但由于技术门槛太高,一直到2021年7月,也就是两个月前,才有明确的消息。
那就是我国研制的“亚轨道重复使用运载器”成功首飞。
这个亚轨道,通常指“飞行高度超过海拔100公里”,这个海拔100公里,就是国际航空联盟所定义的卡门线,但更重要的一点是,亚轨道飞行有一个特点就是“没法绕地球一周”。
也就说,它只能大致触摸到太空,然后就被地球引力俘获,坠落地面,而降落的方式,根据报告,是“平稳着陆与阿拉善右旗机场”。
平稳降落到机场,也就意味着,这个“亚轨道飞行器”是有机翼的,而“只能到达太空边缘,然后就降落”这一点就说明,这架飞机是作为“接力棒”,把货物运载到亚轨道,自己返回,货物继续往太空飞。
而报道中接下来的那句“亚轨道飞行器”可以作为“升力式火箭动力重复使用航天运输系统的子级”也应证了我先前的猜测。
所以,这架“亚轨道飞行器”可以称作”可重复空天飞机的一级飞机“。
那二级空天飞机在哪?
2020年9月4日,中国发射的长征2号F运载火箭,它里面装的“可重复使用试验航天器”,正是“二级空天飞机”。
所以,中国目前的可重复空天飞机计划的全貌就是,运载火箭由一种巨型的飞机形态载具担任,能够水平起飞,直入太空,并且能全部降落回收,需要更换的只是燃料和例行的维护。
而其背上背负的小型航天器,则相当于“载人航天”或者“货物运输”的部分,同样能全部回收,而这架小型航天飞机,已经早在2007年就曾经出现过,当时网上有一张轰——6轰炸机,其机身下方挂在的小型无人航天飞机。
这就是大家听说过的“神龙”。
这也就是中国可回收航天飞机的全貌。
虽然说,可回收航天飞机的运载能力,没有长征九号那么夸张,但胜在成本低廉,只需要考虑燃油和理性的维护,所以,具体在未来,中国在正式开始建造“千米级别航天器”的时候,用哪种还真不好说。
但我个人倾向于前者。
如果说,在攻克“千米级别航天器材料运输上”,长征九号和空天飞机,都是往技术方面做突破,那么“太空电梯”就是在“基础科学”上做文章。
简单粗暴地想,原则上,只要我们能制造出一种,有极高强度的“绳子”,在尾部装上配重块,站在赤道,往太空上抛,只要配重块落到落在地球同步轨道上。
届时,地球的自转,就会像扔铅球一样,把这根绳子绷直,然后,人类就可以顺着这根绳子,直接到太空。
所以,其中最难的地方就是能不能找到一个“比强度”超级高的物质,现在,这条超级缆绳的候选者是“碳纳米管”。
但问题就出在这,人类能制造出的,最长的“碳纳米管”,也就50厘米,而太空电梯的整体长度,在3.6万公里。
很骄傲地说,就这杯水车薪的“50厘米”,还是咱们清华大学化工系联合微纳米力学中心,一同研制出来的。
固定在纤维表面形成均一的碳纳米管网状组织扫描电镜表征
除此之外,太空电梯的建设,还要克服诸如,
“长细比”太高而引起的共振问题,
在“应力”作用下,同步轨道处最容易发生的断裂问题,
为了减小“月球摄动”,“降低太空电梯风险”而不得不加的配重块,这块配重块的运输成本问题
地面赤道“地面站”选址要符合的诸如“常年风力低于2级”“无积雨云”“季风环流”,和考虑到“缆索断裂”极端情况等等的条件问题;
“轿厢”上升中的动力和能耗问题等等
当然,最棘手的,还是如何“批量制造碳纳米管”以及“如何提高长度”的工程问题。
虽然听上去,太空电梯的建造“机会渺茫”,但要说哪个国家能最先建造,我认为还是中国,当然,已经有国家夸下海口,比如日本的公司“大林组”计划在 2050 年之前建成第一座太空电梯。
我们就拭目以待吧。
以上是三种“千米级别航天器”原材料的运输设想,而如果一切顺利,接下来就是能源问题。
第一种比较成熟也比较靠谱的,就是太阳能阵列。
每时每刻,太阳都会沿着一个球面,均匀往四周辐射能量,在地球这个位置,垂直于与太阳光,一平方米能够接收到的太阳能,有1.362 kW/m²,这个也被称为“太阳常数”。
不同于大气对太能能的耗散,在太空,太阳能阵列的效率会出奇的高,而千米级别的航天器,就按照1000米*1000米来算,就有100万平米,折合为136万千瓦的能量。
太阳常数的测定
就算是考虑能量转化效率,这也已经相当于大型水电站中,最高级别的发电量。
而一旦这种技术成熟,也不排除未来,人类会在近地轨道,建立太空发电站,再将能源以微波辐射的形式输送回地面。
这也就是“卡尔达舍夫等级”中的一级文明:利用整颗行星的能源。
第二种,离现在比较远,就是可控核聚变。
目前最前沿,最新的突破是2021年5月,中国科学院合肥物质科学研究院,开发的有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)。
你看,又是中国处在最前沿。
但距离真正可以商用的可控核聚变,还是有很长的路要走。
以史为鉴,谨记过去的教训
实干兴邦,走好现在的道路
开拓创新,构建未来的复兴
中国会越来越好。
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