充氣式月球基地防護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)綜述

徐 彥，鄭 耀，關(guān)富玲

(1.浙江大學(xué)航空航天學(xué)院，浙江，杭州310027;2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江，杭州310058)

1 引言

月球基地建設(shè)是人類移民外太空的重要一步。近年來(lái)，美國(guó)、中國(guó)、歐洲、俄羅斯、日本和印度等都紛紛制定新的探月工程計(jì)劃，致力于發(fā)展月球探測(cè)的新技術(shù)［1］。人類對(duì)月球的探測(cè)活動(dòng)，可以劃分為探、登、駐(住)三個(gè)階段:探是指對(duì)月球情況進(jìn)行近距離或有接觸的無(wú)人探測(cè);登是指人登上月球，與月球直接接觸，進(jìn)行有人直接操作的探測(cè);駐(住)分兩個(gè)層次:一是駐，即人攜帶設(shè)備登陸月球后很快返回，設(shè)備儀器長(zhǎng)期駐留月球開(kāi)展探測(cè)活動(dòng);二是住，即人在月球上長(zhǎng)期居住和工作［2］。由于月面環(huán)境的極端惡劣，包括高度真空，缺少水分，隕石沖擊，微重力(0.18 g)，惡劣的溫度循環(huán)變化和輻射暴露［3］，設(shè)計(jì)和建造月球基地將面對(duì)很多挑戰(zhàn)。應(yīng)用于月球基地建設(shè)的典型結(jié)構(gòu)體系有:充氣結(jié)構(gòu)、剛性展開(kāi)結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)工程等［4-5］。充氣結(jié)構(gòu)是其中最可行的方案之一，它具有高體積/重量比、高折疊率、不需要月球表面的材料和二次輻射危害少等優(yōu)點(diǎn)［1］。

充氣式月球基地概念已經(jīng)討論了很久，美國(guó)NASA聯(lián)合ILC公司，希望利用充氣結(jié)構(gòu)技術(shù)使月球基地方案變成現(xiàn)實(shí)。ILC公司在宇航員艙外服和火星著陸減速氣囊等方面廣泛利用柔性織物［7］。美國(guó) NASA 的 Johnson Space Center(JSC)實(shí)驗(yàn)室為了更深入地進(jìn)行月球和火星探測(cè)，一直致力于將充氣展開(kāi)技術(shù)應(yīng)用于宇宙移民地的建設(shè)，提出了充氣式月球基地概念［8］，如圖1所示;在研究居住單元的裝載和展開(kāi)技術(shù)基礎(chǔ)上，于1998年研制了直徑為35英尺的Transhab實(shí)驗(yàn)單元實(shí)驗(yàn)室模型，如圖2所示［9］。近年來(lái)，不斷將新技術(shù)(如3D打印技術(shù))應(yīng)用于月球基地的構(gòu)建中［10］，采用月面當(dāng)?shù)夭牧虾驼归_(kāi)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的形式，通過(guò)月壤的微波燒結(jié)形成輻射和微小隕石撞擊的防護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖1 充氣式月球基地結(jié)構(gòu)概念Fig.1 Inflatable lunar habitat structure concept

圖2 Transhab實(shí)驗(yàn)單元Fig.2 Transhab experimental element

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)和NASA、ILC公司等合作，在南極的極端環(huán)境下開(kāi)展了雙層墻充氣結(jié)構(gòu)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)［11］，如圖3所示。Bigelow公司在美國(guó)北拉斯維加斯研究建造了超過(guò)50英畝的空間棲息地，并已經(jīng)在2006-2007年分別進(jìn)行了兩個(gè)居住艙模塊Genesis I和Genesis II的空間實(shí)驗(yàn)［12］，目前還在工作，該實(shí)驗(yàn)積累了大量充氣結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役的數(shù)據(jù)。

圖3 在南極的充氣結(jié)構(gòu)測(cè)試實(shí)驗(yàn)Fig.3 Experiment of inflatable structures in Antarctica

國(guó)外對(duì)充氣式月球基地的防護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，包括其結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、熱防護(hù)系統(tǒng)、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地面測(cè)試技術(shù)等方面［13］，取得了一定的成果，但距離工程實(shí)踐還存在較大差距，有必要?dú)w納技術(shù)發(fā)展歷程和展望發(fā)展方向，為實(shí)現(xiàn)充氣式月球基地提供技術(shù)支撐。

2 月球基地的發(fā)展歷程

科學(xué)家們對(duì)月球基地的發(fā)展提出了各種各樣的想法和建議，最典型的是將整個(gè)發(fā)展過(guò)程分為六個(gè)階段［14］。先建機(jī)器人基地，用機(jī)器人“開(kāi)路”;而后是初級(jí)基地，航天員居住艙能到各地進(jìn)行探測(cè)和考察;再后是中級(jí)月球基地，它由若干個(gè)空間站艙組成，艙體之間由接口艙連接在一起，都埋在地表以下;接下來(lái)是高級(jí)月球基地，它可以建在月球的熔洞內(nèi)，也可以用鋼筋混凝土建在地下，混凝土是用月球上的巖石經(jīng)開(kāi)采和加工混合而成;隨后是月球工廠，月球工廠除開(kāi)采月球礦物以外，還要負(fù)責(zé)生產(chǎn)一些重型設(shè)備。這些設(shè)備除供應(yīng)月球移民區(qū)的建設(shè)外，還供應(yīng)太陽(yáng)系其它行星和天體的開(kāi)發(fā)之用;最后是月球移民區(qū)，這也是最核心的階段，該階段將形成一個(gè)超大規(guī)模的月球基地網(wǎng)，成為人類在月球上的一個(gè)永久性的定居點(diǎn)。月球基地結(jié)構(gòu)體系可以劃分為以下幾種形式［15］:

1)按時(shí)間劃分，可分為臨時(shí)性基地、半永久性基地和永久性基地;

2)按活動(dòng)性劃分，可分為活動(dòng)基地和固定基地;

3)按位置劃分，可分為地上基地、半地下基地、地下基地和月球溶洞基地;

4)按建設(shè)規(guī)模劃分，可分為小型基地、中型基地、大型基地和超大型基地;

5)按建筑材料劃分，可以分為充氣式基地和硬結(jié)構(gòu)式基地。

在以往的研究中，已經(jīng)提出很多關(guān)于月球基地的結(jié)構(gòu)體系，包括充氣式、金屬框架式或剛性塑料預(yù)制構(gòu)件式及復(fù)合式，各種結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)簡(jiǎn)介如下:

1)枕狀充氣式月球基地［16］。防護(hù)結(jié)構(gòu)由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)成，外部加載了土被進(jìn)行防護(hù)。和傳統(tǒng)的球狀膨脹式結(jié)構(gòu)體系相比，能使宇航員居住面積最大化，并具有能耐壓和伸長(zhǎng)的特性，以及良好的吸光性和持久性。

2)承壓的薄膜狀結(jié)構(gòu)月球基地［17］。它由充滿結(jié)構(gòu)型的泡沫材料組成，內(nèi)部材料能相互擠壓展開(kāi)，圓環(huán)形地基能適應(yīng)不同情況的壓力環(huán)境。

3)裝配式的月球基地［18］。采用不同幾何學(xué)配置的八位元三維空間設(shè)計(jì)理念，且各位元是捆綁在一起的，既能做砌塊又能做月臺(tái)擴(kuò)充結(jié)構(gòu)的空間框架單元。

4)混凝土式的月球基地［19］。采用月球的天然資源材料作為基地的基礎(chǔ)材料結(jié)構(gòu)以及防護(hù)物，以硫磺取代水作為混凝土材料的粘合物，由機(jī)器人采取分層式的建造模式。

5)移動(dòng)式月球基地［17］。有可移動(dòng)式的永久性、半永久性月球基地兩種形式，可根據(jù)任務(wù)條件和危險(xiǎn)情況進(jìn)行隨處移動(dòng)。

6)熔巖管道式月球基地［20］。基地位于月表以下，比較適合作為“前哨戰(zhàn)”，安全和可靠性比較好，不僅保溫性能好，而且還可以有效防護(hù)航天員不受宇宙輻射和微隕石雨的傷害，是基地建設(shè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展途徑。

月球基地的結(jié)構(gòu)體系概念必須從不同的角度去滿足使用功能。為了減少來(lái)自太陽(yáng)的輻射和隕石的撞擊，月球基地的表面結(jié)構(gòu)應(yīng)該既有承載功能又有防護(hù)功能。最常用的方法是將很厚的月壤土層覆蓋在結(jié)構(gòu)的外部。這給施工過(guò)程帶來(lái)了挑戰(zhàn)，對(duì)于進(jìn)出艙體也帶來(lái)了一定的困難。所以在結(jié)構(gòu)體系確定和詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用合適的防護(hù)技術(shù)。

3 防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1 總體設(shè)計(jì)要求

月球基地防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以從軌道居住艙的經(jīng)驗(yàn)中獲得很多技術(shù)儲(chǔ)備，但是還需要考慮更多的約束條件和特殊問(wèn)題。

首先，軌道居住艙由于不處于范愛(ài)倫輻射帶上，避免了大量的太陽(yáng)和宇宙輻射。但是在月面上月球基地暴露在太陽(yáng)和宇宙輻射中，因此月球基地首先要求具備必要的宇宙輻射防護(hù)設(shè)施。其次，月面上的溫度循環(huán)對(duì)建筑材料來(lái)說(shuō)是重要的環(huán)境影響因素。同樣需要考慮微小隕石碰撞，雖然大多數(shù)輻射/溫度防護(hù)系統(tǒng)同時(shí)提供了對(duì)微小隕石碰撞的防護(hù)［3］。

對(duì)月球基地結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)要求是:體積-實(shí)用面積比小，輕質(zhì)化，可擴(kuò)展，裝配工作量小，模塊化，耐久性能好，安全可靠，最少的艙外活動(dòng)、最短的建造時(shí)間，適當(dāng)建筑設(shè)備和工藝。

所以為了滿足這些總體設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要進(jìn)行常規(guī)的強(qiáng)度、剛度、疲勞、展開(kāi)機(jī)構(gòu)和構(gòu)件連接的分析和設(shè)計(jì)，還要進(jìn)行循環(huán)熱載荷作用下的防護(hù)設(shè)計(jì)、沖擊防護(hù)設(shè)計(jì)等，并需要在常規(guī)工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，發(fā)展合適的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

和地球表面建筑相比，由于月球的特殊環(huán)境，在月球基地的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中應(yīng)該考慮很多特殊問(wèn)題［21］:

1)安全和可靠度。對(duì)于任何工程而言，人的安全和容許接受的最低風(fēng)險(xiǎn)是應(yīng)該首先考慮到的。最低的風(fēng)險(xiǎn)意味著結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備，當(dāng)其它所有構(gòu)件破壞后，居民可以輕易的從結(jié)構(gòu)中逃生。安全因素原本是為在地球上設(shè)計(jì)和施工的不確定性而考慮的，毋庸置疑，在月球的環(huán)境下是需要調(diào)整的，至于向上或向下調(diào)整取決于人的觀察和承受風(fēng)險(xiǎn)的容忍力。

2)微重力場(chǎng)。月球表面的重力場(chǎng)為1/6 g，總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于一個(gè)給定的結(jié)構(gòu)而言，在月球上的承載力是地球上承載力的6倍。因此，為了最大的利用材料，在進(jìn)行月球基地的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該使用質(zhì)量計(jì)算準(zhǔn)則而不是重力計(jì)算準(zhǔn)則。在月球重力場(chǎng)的環(huán)境下，考慮恒荷載和活荷載的問(wèn)題。

3)內(nèi)部空氣壓力。月球基地的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是一個(gè)封閉的生物圈，在一個(gè)封閉的環(huán)境下施加壓力，并且內(nèi)部的壓力應(yīng)該是103，500 Pa，維護(hù)結(jié)構(gòu)必須包含本壓力，從而可以抵抗由于自然界和事故引起的災(zāi)難。

4)真空環(huán)境。真空環(huán)境對(duì)于露在外面的鋼筋、合金及其它的高級(jí)材料性能的影響以及對(duì)于暴露在外部的結(jié)構(gòu)、材料的疲勞性能與月球上氣溫交替的關(guān)系都需要進(jìn)一步研究。

5)浮塵。在月球的表面懸浮和分布著大量的浮塵。這些浮塵可以吸附在所有物體的表面，因此對(duì)于施工的裝置具有非常大的危害。

6)防護(hù)結(jié)構(gòu)。增加防護(hù)結(jié)構(gòu)的最初考慮是抵抗來(lái)自月球表面的惡劣環(huán)境:例如來(lái)自太陽(yáng)和紫外線的輻射、隕石的沖擊、極端的氣候變化。防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮同一個(gè)構(gòu)件的不同部分對(duì)于溫度的靈敏性，以及超低溫度的影響和材料的脆性破壞;同時(shí)還需考慮由于小隕石的沖擊而引起新的破壞類型。

月球基地一般由若干個(gè)艙體組成，有必要進(jìn)行不同艙體區(qū)塊的概念及功能設(shè)計(jì)［22］。機(jī)組操作區(qū)包括基本的宇航員生活，例如睡覺(jué)、吃飯、衛(wèi)生設(shè)施。艙外活動(dòng)操作區(qū)應(yīng)擁有額外的艙外活動(dòng)能力和冗余的氣閘室功能，例如冗余氣閘室、宇航服保持、備品裝載和宇航服裝載。后勤操作區(qū)包括整個(gè)服役期的增強(qiáng)居住，例如閉環(huán)生命保障系統(tǒng)硬件、消費(fèi)品裝載、備品裝載、和其他居住單元的連接設(shè)備。

另外還需要研究月球基地的效率和適居性之間的平衡［23］，從空間分配、表面積、總體積和區(qū)塊體積等方面進(jìn)行分析，建立空間效率(工程造價(jià))和適居性(舒適度和生產(chǎn)率)之間的基本關(guān)系，尋找適用于月球基地設(shè)計(jì)的臨界平衡。

3.3 設(shè)計(jì)方法

充氣式月球基地由于其服役環(huán)境和性能需求的特殊性，防護(hù)結(jié)構(gòu)需要研究新的設(shè)計(jì)方法，主要包括:

1)月球基地選址和月面環(huán)境研究，明確重力場(chǎng)、熱、浮塵、輻射和微小隕石撞擊等;

2)月球基地功能分區(qū)設(shè)計(jì)，確定居住艙體幾何拓?fù)?、整體尺寸和內(nèi)部使用空間;

3)月球基地初始形態(tài)設(shè)計(jì)，考慮柔性結(jié)構(gòu)的幾何非線性，分析合適的內(nèi)部充氣氣壓和充氣前的結(jié)構(gòu)初始形態(tài);

4)防護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，包括強(qiáng)度分析、剛度分析、熱力耦合分析、撞擊響應(yīng)分析、疲勞分析和展開(kāi)動(dòng)力學(xué)分析等;

5)防護(hù)結(jié)構(gòu)的閉合設(shè)計(jì)，在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行閉合設(shè)計(jì)，確定合適的材料類型和幾何參數(shù)，確保所有性能參數(shù)都在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi);

6)工藝設(shè)計(jì)，包括充氣成型工藝、氣腔密封工藝和月球基地施工工藝等。

4 柔性熱防護(hù)技術(shù)

對(duì)月面充氣結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)惡劣的熱環(huán)境是最重要的外部環(huán)境要素之一。月球表面溫度變化幅度很大，從小于 -173℃(暗邊)到127℃(臨近日下點(diǎn));月球赤道附近的熱環(huán)境會(huì)在一個(gè)月球日(28個(gè)地球日)的過(guò)程中發(fā)生一次循環(huán)變化，這種變化容易使結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形和材料發(fā)生熱疲勞。此外，在進(jìn)入照射區(qū)和進(jìn)入陰影區(qū)的兩個(gè)過(guò)程，月面建筑所受的外熱流急劇變化，容易引起熱致振動(dòng)［24］。為了避免溫度循環(huán)對(duì)月球基地的不利影響，也有建議將月面建筑選址在月極上［25］。不幸的是，這個(gè)月面上熱流最平穩(wěn)的區(qū)域也是月面上最寒冷的區(qū)域，而且由于太陽(yáng)一直出現(xiàn)在月極的地平線上，月面建筑的一側(cè)被太陽(yáng)照射，而其他陰影區(qū)溫度將很低。為了創(chuàng)造適合宇航員居住的人工環(huán)境，保持操作艙和電子設(shè)備的溫度在可以接受的范圍內(nèi)，非常有必要設(shè)計(jì)月面充氣結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)系統(tǒng)。

由于充氣式月球基地的可折疊和展開(kāi)特性，一般采用柔性熱防護(hù)系統(tǒng)(FTPS)，如圖4所示［26］。柔性熱防護(hù)系統(tǒng)由柔性層合薄膜材料構(gòu)成，包括:防熱層、隔熱層、阻氣層，每一層又由多層薄膜組成。美國(guó)NASA Langley研究中心對(duì)充氣阻尼式再入飛行器PAIDAE進(jìn)行MLI熱防護(hù)研究［27］，充分利用“貨架產(chǎn)品”(0ff the shelf)，使用成熟的商業(yè)產(chǎn)品研制多種柔性防熱材料試樣，并進(jìn)行了熱防護(hù)試驗(yàn)。柔性熱防護(hù)系統(tǒng)研究主要集中在材料熱性能測(cè)試，此外還包括可折疊性能和熱傳導(dǎo)性能、機(jī)械張拉性能、防隕石碰撞性能等測(cè)試。Del Corso等［28］綜述了近年來(lái)柔性熱防護(hù)系統(tǒng)的試驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)方法、熱分析方法和結(jié)果。

現(xiàn)有的柔性熱防護(hù)系統(tǒng)性能研究主要針對(duì)充氣式再入錐［29］，目前大多采用試驗(yàn)手段，研究層合薄膜在氣動(dòng)力/熱作用下的服役性能［30］。限于試驗(yàn)條件的限制，針對(duì)柔性熱防護(hù)系統(tǒng)整體的試驗(yàn)還很少?，F(xiàn)有的數(shù)值分析研究相對(duì)較簡(jiǎn)單，采用順序求解框架［31］，按照氣動(dòng)熱分析-傳熱分析-結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析-材料選擇的順序進(jìn)行數(shù)值模擬，沒(méi)有考慮其中的流-固-熱耦合效應(yīng)。針對(duì)月球基地的柔性熱防護(hù)系統(tǒng)的性能研究也很少，在層合薄膜材料設(shè)計(jì)等方面可以借鑒充氣式再入錐的研究成果。

圖4 柔性熱防護(hù)系統(tǒng)Fig.4 Flexible thermal protection system

層合薄膜是熱防護(hù)系統(tǒng)的隔熱結(jié)構(gòu)，也是月球基地的承載構(gòu)件。柔性熱防護(hù)系統(tǒng)中層合薄膜的傳熱和熱力學(xué)研究引起了廣泛關(guān)注，現(xiàn)有的研究大多基于一維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型［32-34］，考慮相互并列的導(dǎo)熱、輻射兩條傳熱途徑。這些一維傳熱模型及對(duì)應(yīng)的數(shù)值算法，即“點(diǎn)”設(shè)計(jì)方法，不能完全真實(shí)地反映熱防護(hù)實(shí)際三維結(jié)構(gòu)的溫度分布，也不能考慮由于結(jié)構(gòu)大尺寸引起的表面熱流分布不均的影響。

層合薄膜現(xiàn)有的一維分析模型，不能解決自遮擋問(wèn)題和準(zhǔn)確地分析加強(qiáng)索對(duì)結(jié)構(gòu)整體的熱力性能的影響?，F(xiàn)有的柔性熱防護(hù)性能分析模型大多采用順序分析框架，無(wú)法準(zhǔn)確地模擬耦合效應(yīng)。為了更好地預(yù)測(cè)柔性熱防護(hù)系統(tǒng)的服役行為及評(píng)估其服役性能，有必要進(jìn)行柔性熱防護(hù)系統(tǒng)的分析模型、工作機(jī)理和防熱/承載性能研究。

前述的柔性熱防護(hù)系統(tǒng)屬于被動(dòng)熱控，也有人嘗試將屬于主動(dòng)熱控的蛇形蒸發(fā)器用于月球基地的熱防護(hù)中［35］，但現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案中蒸發(fā)器的質(zhì)量仍然較大，如何實(shí)現(xiàn)其輕質(zhì)化設(shè)計(jì)以適用于充氣式月球基地還有待研究。

柔性熱防護(hù)系統(tǒng)和承載/防沖擊系統(tǒng)結(jié)合在一起，構(gòu)成充氣式月球基地的防護(hù)系統(tǒng)［36］，如圖5所示。承載/防沖擊系統(tǒng)由 Kevlar(凱夫拉)、Nextel等高強(qiáng)纖維復(fù)合材料和鋼墊片構(gòu)成，而圖中的多層隔熱結(jié)構(gòu)由單層鋁箔和Kapton層合薄膜、多層鋁箔和Kapton層合薄膜、滌綸網(wǎng)間隔層等構(gòu)成。

圖5 充氣式月球基地的防護(hù)系統(tǒng)方案Fig.5 Protection system scheme of inflatable lunar habitat

5 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)

5.1 健康監(jiān)測(cè)需求分析

對(duì)于所有載人航天器而言，保證宇航員的安全性是最主要的。有效地監(jiān)控結(jié)構(gòu)受到的沖擊破壞，并迅速精確地將沖擊破壞的分布和程度反饋給宇航員是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首當(dāng)其沖的任務(wù)。沖擊破壞包括高速粒子(比如微型流星)造成的沖擊［37］，以及由于宇航員和太空車在結(jié)構(gòu)內(nèi)部或者外部活動(dòng)造成的緩慢移動(dòng)沖擊。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求能夠識(shí)別每次沖擊的時(shí)間、位置分布、貫穿深度和造成傷害的程度范圍，并告知宇航員是否需要迅速地做出反應(yīng)。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的另一項(xiàng)要求即不同界面的結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)，尤其是剛性材料和柔性材料的交接界面。絕大多數(shù)的基地設(shè)計(jì)方案中都包含了柔性和剛性構(gòu)件，其中柔性構(gòu)件包括氣囊薄膜、纖維約束層等;剛性構(gòu)件包括金屬隔板、氣閘、窗戶等。這些柔性和剛性材料的交接界面以及結(jié)構(gòu)特性的突變情況很難被建模和分析［38］。因此，通過(guò)接觸界面兩側(cè)的內(nèi)置傳感器對(duì)相應(yīng)的物理量進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，對(duì)于驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性就顯得尤為重要。

還有一些結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的需求，對(duì)于保障長(zhǎng)期任務(wù)中宇航員的安全不甚重要，卻是成功建造充氣式月球基地的關(guān)鍵。比如這些基地必須在宇航員登月之前完成發(fā)射、著陸和展開(kāi)，在此過(guò)程中，動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)能夠確保充氣展開(kāi)過(guò)程平穩(wěn)。監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的最終尺寸和基地形狀，因此也被考慮為結(jié)構(gòu)健康管理系統(tǒng)的可能任務(wù)。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠讓地面工作人員利用嵌入式的傳感器網(wǎng)絡(luò)和船載攝像頭確認(rèn)整個(gè)基地構(gòu)建情況正常，在這之后才能進(jìn)行載人登月?；诩沈?qū)動(dòng)器的調(diào)節(jié)能力，如果在展開(kāi)過(guò)程中發(fā)生問(wèn)題［39］，使得結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)需要進(jìn)行形狀或構(gòu)型的調(diào)整。鑒于充氣式月球基地獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案、材料特性和監(jiān)測(cè)需求，要求有新的系統(tǒng)構(gòu)成和監(jiān)測(cè)手段來(lái)滿足其工程應(yīng)用需求。

5.2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

之前大多數(shù)宇航結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)都是針對(duì)剛性結(jié)構(gòu)發(fā)展而來(lái)［40］，對(duì)此類結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，傳感器的集成和裝配不是顯著的問(wèn)題。不管是數(shù)據(jù)傳輸還是供能分配的有線電纜和光纖布線，都能適用于大量的航空電子子系統(tǒng)。

如果在充氣式月球基地結(jié)構(gòu)中采用傳統(tǒng)技術(shù)(如黏貼式應(yīng)變計(jì)和光纖傳感器)，有線電纜和光纖必須在裝載包裝之前安裝好(且在折疊和展開(kāi)過(guò)程中必須保持完整)，或者在整個(gè)展開(kāi)過(guò)程結(jié)束之后再進(jìn)行安裝［41］。后者將會(huì)增加展開(kāi)過(guò)程的復(fù)雜性和人力投入，且只有在電纜光纖安裝好之后，才能啟用傳感器。這就意味著這一部分傳感器不能用于展開(kāi)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)技術(shù)中，龐大數(shù)量的分散式節(jié)點(diǎn)傳感器，在供能和數(shù)據(jù)采集方面也帶來(lái)巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

充氣式月球基地的健康檢測(cè)系統(tǒng)將綜合使用無(wú)線點(diǎn)式傳感器和嵌入式彈性傳感器，彈性傳感技術(shù)可用于監(jiān)測(cè)沖擊傷害或者大面積應(yīng)變監(jiān)測(cè)，而無(wú)線點(diǎn)式傳感器更適用于無(wú)需大面積覆蓋監(jiān)測(cè)的情況，例如撞擊監(jiān)測(cè)(通過(guò)加速計(jì))或者泄漏檢測(cè)(通過(guò)超聲波和聲學(xué)傳感器)。

對(duì)于分散式傳感器系統(tǒng)，綜合考慮能源分布、產(chǎn)能和儲(chǔ)能，可以發(fā)現(xiàn):傳統(tǒng)的有線電力分布系統(tǒng)由于其龐大的導(dǎo)線導(dǎo)體、連接器、功率轉(zhuǎn)換設(shè)備和故障檢測(cè)線路，占據(jù)了月球基地的很大的質(zhì)量百分比。當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用低能耗分散式節(jié)點(diǎn)時(shí)，也要重新考慮相應(yīng)的設(shè)計(jì)概念。比如每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用低壓供電，就可以取消節(jié)點(diǎn)上的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備;在某一個(gè)遙控節(jié)點(diǎn)采用電池或者電容儲(chǔ)能裝置，就能減少某些電源的實(shí)時(shí)電流要求，從而減少有線電纜光纖和故障檢測(cè)線路的規(guī)模。

在充氣式月球基地結(jié)構(gòu)中安裝這類傳感器時(shí)，要保障傳感器在展開(kāi)前后保持位置不變且不能干擾展開(kāi)，還有一些待解決的問(wèn)題，比如安裝固定點(diǎn)引起的應(yīng)變集中、黏貼或者其他連接技術(shù)改變了基層物質(zhì)特性，都對(duì)結(jié)構(gòu)本身有一定的損傷和影響。規(guī)避以上問(wèn)題的一個(gè)方法就是采用某種多功能的材料，在分層之間整合或者嵌入式彈性材料傳感器和相關(guān)電子設(shè)備，用于數(shù)據(jù)采集和處理。

5.3 相關(guān)算法研究

針對(duì)充氣式月球基地的沖擊分析，需要考慮風(fēng)化土防護(hù)層和氣壓引起的預(yù)應(yīng)力剛度，沖擊荷載為作用在膜面上的移動(dòng)沖擊力，利用非線性有限元技術(shù)研究其動(dòng)力響應(yīng)分析［42］。因?yàn)樵旅嫒鄙倏諝?，?nèi)部氣壓對(duì)于任何的月面建筑來(lái)說(shuō)是必不可少的，然而這將提高結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力剛度，影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)。建筑材料盡可能利用月球當(dāng)?shù)氐牟牧?，例如風(fēng)化土可以用于輻射、溫度和沖擊的防護(hù)，同時(shí)也增加了整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，大大影響了結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。

基于加速度傳感器陣和無(wú)線傳感技術(shù)，對(duì)充氣式月球建筑的微小隕石撞擊進(jìn)行監(jiān)測(cè)［43］，目的在于使得健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠識(shí)別每次沖擊的時(shí)間、位置分布、貫穿深度和造成傷害的程度。通過(guò)檢測(cè)從撞擊點(diǎn)傳出的表面波，基于小波分析研究撞擊定位算法和撞擊強(qiáng)度算法。

6 地面測(cè)試技術(shù)

國(guó)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)充氣式月球基地進(jìn)行了一系列性能測(cè)試，主要包括:材料性能測(cè)試、展開(kāi)過(guò)程測(cè)試、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、區(qū)塊功能測(cè)試、防護(hù)系統(tǒng)性能測(cè)試等［44］。

ILC公司設(shè)計(jì)并測(cè)試了一個(gè)圓柱體的充氣式月球基地居住單元［45］，包括兩個(gè)剛性端頭和中間柔性可展開(kāi)部件，柔性部件可折疊包裝在剛性端頭內(nèi)，展開(kāi)后長(zhǎng)度方向大致變?yōu)閮杀丁榱蓑?yàn)證充氣式月球居住單元在特定荷載條件下的包裝和展開(kāi)，進(jìn)行了地面展開(kāi)過(guò)程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。

美國(guó)馬里蘭大學(xué)借鑒其在增壓服方面的幾十年研究經(jīng)驗(yàn)，研制了一個(gè)足尺的X-Hab充氣居住單元［46］。設(shè)計(jì)了宇航員居住的內(nèi)部空間，內(nèi)部布置包括4個(gè)獨(dú)立的臥室、一個(gè)多功能娛樂(lè)/保健區(qū)塊、儲(chǔ)藏空間、窗戶、照明、通風(fēng)設(shè)備、緊急出口和電源出口，居住單元還包括壓力監(jiān)測(cè)器和一系列環(huán)境傳感器。完成了一系列商業(yè)研究及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，包括各種樣機(jī)模型的張拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、液壓實(shí)驗(yàn)及居住單元所有連接界面的有限元分析。

圖6 展開(kāi)過(guò)程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)Fig.6 Deployment process confirmatory experiment

在充氣式月球基地的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，為了檢測(cè)高速粒子對(duì)傳感器單元模型的損傷并建立損傷模型，NASA進(jìn)行了一系列的高速粒子沖擊試驗(yàn)［3］，如圖7所示。試驗(yàn)裝置由數(shù)層基材組成，以模擬月球基地的防護(hù)結(jié)構(gòu)，包括玻璃纖維-7781(五層)、電容傳感器(3層)、凱夫拉710(5層)和一層0.508毫米厚的6061-T6型鋁板。高速粒子采用直徑為1.0 mm和2.8 mm的鋁制小球，小球運(yùn)動(dòng)速度為7 km/s。沖擊后直接觀測(cè)各層的損傷情況，電容傳感器的電容變化量則由標(biāo)準(zhǔn)LCR計(jì)測(cè)量。

圖7 高速粒子沖擊試驗(yàn)Fig.7 High-speed particle impact test

7 展望

為了在不久的將來(lái)建設(shè)我國(guó)的充氣式月球基地，需要系統(tǒng)地開(kāi)展防護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究，包括結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、熱防護(hù)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地面測(cè)試技術(shù)等。在后續(xù)的研究中需要特別關(guān)注以下幾個(gè)科學(xué)問(wèn)題:

1)混合結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈辖缑娣治?。它包括剛性?gòu)件和柔性構(gòu)件間的連接設(shè)計(jì)和有限元分析，考慮連接界面兩側(cè)的單元選擇、自由度耦合關(guān)系、材料特性突變等對(duì)力學(xué)性能的影響。

2)充氣式月球基地的流-固-熱耦合分析和熱防護(hù)設(shè)計(jì)。建立充氣式結(jié)構(gòu)的流-固-熱非線性耦合分析框架，尤其要考慮層合薄膜的三維傳熱行為和耦合界面場(chǎng)信息的高精度傳遞。

3)充氣式月球基地的非線性展開(kāi)動(dòng)力學(xué)分析。它包括剛性展開(kāi)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)副中的間隙、柔性構(gòu)件充氣展開(kāi)中的流固耦合非線性動(dòng)力學(xué)行為、剛性構(gòu)件和柔性構(gòu)件之間的碰撞和纏繞現(xiàn)象等。

4)防護(hù)系統(tǒng)的材料/結(jié)構(gòu)多功能一體化設(shè)計(jì)。選擇合適的防護(hù)結(jié)構(gòu)方案和材料方案，進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足承載、隔熱、防熱、防沖擊、防輻射、阻氣等多功能要求。

5)分布式網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線傳感器的組網(wǎng)技術(shù)。針對(duì)大型月球基地的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大、單個(gè)節(jié)點(diǎn)能源極其有限和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葐?wèn)題，研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)，設(shè)計(jì)高效節(jié)能的路由協(xié)議。

6)自修復(fù)功能性材料應(yīng)用技術(shù)。研究太陽(yáng)紫外線輻射等太空因素對(duì)于自修復(fù)高聚物的影響，使得自修復(fù)材料在低溫環(huán)境下能夠保持自我修復(fù)性能。

目前我國(guó)對(duì)充氣式月球基地防護(hù)系統(tǒng)的研究還比較少［47］，相信通過(guò)開(kāi)展對(duì)月球基地防護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究，能夠?yàn)樵缛战ㄔO(shè)我國(guó)月球基地奠定基礎(chǔ)。

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