最优化的研究结果表明

最优化的研究结果表明

2019-05-02 09:35

一个长远的策略

为了验证在太空生产燃料和建造设施是否对火星探索任务有益,石松教授开发了一系列的物流模型来探索各种从地球至火星的可能性路线——从直接装载物资至多种沿途“加油站”补给路线。

nasa载人探索与运行部首席助理威廉姆?格斯登迈尔说,了解哪些资源可被利用,在飞赴火星的飞行中和在火星的探索中,这些可利用的资源将成为“人类超出近地轨道进行可持续性深空探索的必备条件”。

麻省理工学院航空航天与工程系教授奥利弗·德·威克(olivier de weck)表示,这种路线偏离了nasa从地球直接前往火星的路线。

前往火星的载人飞船将最终对接燃料罐,随后至最近的燃料站加满燃料再飞赴目的地火星。

该研究小组开发了一个模型,以确定前往火星的最佳路线,模型假设可以利用月球的可用资源并在月球上建设燃料生产设施。

以往太空探索项目的补给方法主要有两种:一种是一次性装载完成,即所有的飞行器和资源随宇航员一起一次性装载—阿波罗登月采用的就是这种方法,另一种是“再补给策略”,即定期的对宇航员与飞船进行资源补给,比如飞船装载资源飞行至国际空间站对其进行补给。

“nasa已预先制定了计划,利用火星资源生产燃料,从而减少在火星探索所需装载的火箭推进剂。结合其他的研究,该研究也验证了利用月球资源的潜在优势。”

目前的研究表明,月球上某些陨石坑内可能蕴藏着土壤和水冰,可以把它们提取出来,然后转化为燃料。麻省理工学院研究小组发现:假定将这一技术应用于火星探索任务,绕道月球“加油”将能在最大程度上减轻68%的出发载荷重量。

德·威克 补充道,“最优化的研究结果表明,月球将在未来我们可持续性地来往地球与火星之间发挥重要作用。虽然之前提到过这一点,但我们这个研究是第一次权威地用数学的方法,来验证绕道月球是最经济实用的。”

研究小组提出了“原位资源利用(isru)的补给策略,这将使得飞赴火星和其它更远目的地的太空探索任务受益。资源(比如燃料)和供应品(比如水和氧气)将沿着太空探索的线路就地取材进行生产和采集。在太空中生产的材料将代替从地球发射时携带的材料。

模型的目标是将从地球出发时的载荷重量最小化,甚至包括大量的燃料生产厂,在所有的路线中,备件都是需要预先配置的。

根据计算,他们确定了前往火星的最佳路线:绕道月球进行“加油”,从而减轻从地球出发时的载荷重量——而这往往占据了太空探索任务中最大一部分的开支。

石松教授说,”我们的终极目标是征服火星,移民火星,并且建立永久的自给自足的人类定居点。但同样重要的是,我认为,我们需要在太空建立一条‘补给通道’,能够允许我们以更经济,在承受范围之内的方式进行地球与火星之间的星际旅行。”

石松教授称,研究论证了在太空中建立资源生产设施的重要性。他强调这种设施对于人类对火星的初级探索来说可能不是必需的,但太空物流网络的建立将使人类能够可持续地在太空中进行探索与开拓。

拉格朗日点是指受两大物体引力作用下,能够使小物体稳定的点。 一个小物体在两个大物体的引力作用下在空间中的一点,在该点处,小物体相对于两大物体基本保持静止。这些点的存在由法国数学家拉格朗日于1772年推导证明的。1906年首次发现运动于木星轨道上的小行星在木星和太阳的作用下处于拉格朗日点上。

建造太空物流网络

德·威克教授说:“我们对这些资源的存在和利用有很大的信心,假如你可以开采利用这些资源,你会把它用于什么用途?之前几乎没人重视过这个问题。”

这个结论基于麻省理工学院博士卓人石松((现为麻省理工学院博士后)的理论,被刊登在aiaa学会的航天学术期刊《航天器与火箭杂志》(journal of spacecraft and rockets)上。

该方法模拟了货物和商品的运转,在太空中会有一个供应链网络,比如燃料的运转。石松教授研发了一个新的数学模型,以提升完善飞船飞行线路的常规物流模式。他对模型做出调整,以适应太空长期探索任务更复杂的情况——充分考虑了太空飞行的条件限制。

他们发现最有效的路线是,从地球发射宇航员时仅携带能够使之进入环地球轨道飞行的燃料。然后,月球表面的燃料生产工厂将燃料罐发射到太空进入环地球轨道。

“研究报告清晰地验证了太空中水和其它宝贵资源的利用将降低人类进行太阳系探索的成本。”格斯登迈尔说道,他并未参与到该项研究中。

但是,随着人类对太空的探索逐渐超出近地轨道的范围,这两种补给方法都将不再沿用,正如德·威克教授和石松教授所写:“由于太空探索项目预算受限,太空探索项目也越来越远离近地轨道朝向深空探索发展,精心规划的物流策略便成为当务之急。

例如,水冰,未来很可能会被开采并加工制作为火箭燃料,而在火星和月球上都发现了水冰的存在。

德·威克教授说:“这种路线与人们对从地球前往火星的常规理解完全相反,人们惯有的想法是将飞船从地球直接发射到火星,发射时即携带齐全所需的所有载荷。相比较而言,绕道月球的方法显得不直接。但是从最佳的物流网络和长远的眼光来看,因为从地球发射时不必携带所有必须载荷,绕道月球的方案从成本上从长期太空探索来看,更容易在成本承受范围之内。”

该模型假定在未来的场景,燃料可以在月球加工生产并运输至太空。同样地,模型假定在太空的某些拉格朗日点(lagrange points,见上解释)建造燃料库。给定一个任务目标,比如一系列的重量限制,模型将根据目标确定最佳的补给网络物流路线,同时也符合基础物理学的约束条件。