柔性可展開太空艙研究進(jìn)展

付新衛(wèi) 孟少華 周印佳 石泳

（1 中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）（2 中國空間技術(shù)研究院總裝與環(huán)境工程部，北京 100094）

0 引言

載人航天器太空艙設(shè)計(jì)，通常需要考慮加工工藝、構(gòu)型布局、密封效果以及技術(shù)成熟度等因素，大多數(shù)載人天地往返系統(tǒng)、軌道空間站、載人探測(cè)器采用剛性金屬艙。大型剛性金屬太空艙結(jié)構(gòu)質(zhì)量和體積大，發(fā)射成本高，在軌組裝困難，且受火箭發(fā)射載荷和整流罩包絡(luò)限制、有效空間狹窄等，導(dǎo)致眾多大型航天探索任務(wù)無法開展，特別是載人航天器留給航天員活動(dòng)空間非常有限，因此剛性金屬太空艙無法滿足未來載人航天和深空探測(cè)任務(wù)需要[1]。

新型柔性可展開太空艙結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、發(fā)射體積小、折疊效率高、功能集成度高、空間防護(hù)能力強(qiáng)、工程實(shí)施方便和發(fā)射成本低等優(yōu)點(diǎn)，它可在軌充氣展開為更大體積的空間艙體，柔性可展開太空艙是未來載人天地往返系統(tǒng)、深空探測(cè)器、月球居住艙、行星居留艙、火星基地的重要發(fā)展方向[1-3]。

1 柔性可展開太空艙發(fā)展概況

1.1 前蘇聯(lián)

20 世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)已經(jīng)初步掌握了柔性可展開太空艙設(shè)計(jì)及研制技術(shù)。“上升1 號(hào)”載人飛船形狀和尺寸大體上與“東方號(hào)”飛船相似，如圖1 所示。“東方號(hào)”載人飛船的搭載能力為1 人，為了滿足搭載3 名航天員需求，研制人員減輕了“東方號(hào)”載人飛船的質(zhì)量，縮小了其包絡(luò)尺寸?！吧仙? 號(hào)”載人飛船長約5m，直徑2.4m，質(zhì)量約5.5t，艙內(nèi)自由空間1.6m3。1964年10月12 號(hào)，前蘇聯(lián)成功發(fā)射“上升1 號(hào)”載人飛船，在近地軌道上飛行了17 圈，次日安全返回。受當(dāng)時(shí)前蘇聯(lián)生命保障系統(tǒng)的制約，“上升1 號(hào)”載人飛船在軌飛行時(shí)間較短，在軌運(yùn)行僅25h30min。為解決火箭運(yùn)載質(zhì)量和整流罩包絡(luò)的瓶頸問題，開創(chuàng)性地在其“上升2 號(hào)”載人飛船上應(yīng)用柔性可展開氣閘艙。該氣閘艙有兩個(gè)閘門，一端與飛船相連，另外一端與外界相通，收縮后高度為0.7m，伸長后高度為2.5m，內(nèi)徑1m。1965年3月“上升2號(hào)”飛船發(fā)射成功，航天員列昂諾夫穿過柔性可展開氣閘艙第一次走出飛船，實(shí)現(xiàn)了柔性可展開太空艙的首次在軌應(yīng)用，出艙活動(dòng)完成后，將該氣閘艙拋棄。據(jù)文獻(xiàn)[4-5]記載，此階段前蘇聯(lián)未完全掌握柔性可展開太空艙剛化技術(shù)。

圖1 “上升號(hào)”飛船的柔性可展開氣閘艙Fig.1 Inflatable airlock of voskhod spacecraft

1.2 美國

1.2.1 “蘭利”柔性可展開太空艙

NASA 的“蘭利”研究中心早在20 世紀(jì)60年代就提出了柔性可展開太空艙的概念[1]。當(dāng)時(shí)大多數(shù)太空探索者都認(rèn)為地球軌道載人空間站是進(jìn)行深空任務(wù)的必經(jīng)過程，可以借助該站進(jìn)行長期飛行對(duì)航天員心理和生理等影響的研究，并可作為航天新技術(shù)的測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)。經(jīng)過一系列柔性可展開太空艙概念論證之后，“蘭利”研究中心與“固特異”飛機(jī)公司共同提出了柔性可展開的空間站方案，柔性可展開艙為直徑7.3m 的圓環(huán)，充氣后通過自旋提供人工重力，載人往返飛行器通過充氣艙環(huán)芯的端口進(jìn)行對(duì)接與分離。

該項(xiàng)目后來被終止主要來自兩個(gè)層面的原因：一是技術(shù)層面，20 世紀(jì)60年代用于制作柔性可展開密封艙的柔性材料強(qiáng)度性能無法滿足其使用要求，而且柔性材料剛化技術(shù)不成熟。載人太空艙不僅內(nèi)壓遠(yuǎn)超非載人柔性可展開結(jié)構(gòu)，還對(duì)安全防護(hù)性能要求特別高，不僅要防護(hù)隕石或空間碎片的擊穿，也要防止由于各種原因航天員從內(nèi)部刺穿。為此“固特異”公司專門研制了三層尼龍加強(qiáng)的橡膠材料，但仍然無法抵擋空間碎片撞擊。另外一個(gè)非技術(shù)層面的原因在于為了進(jìn)行登月競(jìng)賽，美國取消了軌道空間站建造計(jì)劃?！疤m利”研究中心原計(jì)劃利用地面模型開展的一系列關(guān)于柔性可展開太空艙的試驗(yàn)隨之取消。由于航天任務(wù)需求不明確，到20 世紀(jì)80年代中期美國關(guān)于柔性可展開太空艙的相關(guān)研究幾乎停滯。

1.2.2 TransHab 太空艙[1-7]

1997年美國NASA 啟動(dòng)了運(yùn)輸居住艙TransHab（Transit Habitation Module）太空艙項(xiàng)目[1-4]，該項(xiàng)目研究目標(biāo)是為空間站提供更廉價(jià)、更大型化的空間艙段，仍保留了火星項(xiàng)目星際轉(zhuǎn)移的痕跡。

TransHab 是一種專門用于航天員生活的太空艙，目標(biāo)是提供6~12 名航天員在太空長期生活。TransHab太空艙發(fā)射狀態(tài)下包絡(luò)尺寸直徑3.35m，長度10.97m，展開后的包絡(luò)尺寸直徑23m，長度10.97m，可擴(kuò)展容積339.8m3，質(zhì)量1315.4kg。TransHab 太空艙為硬式中央芯級(jí)+柔性可展開蒙皮外殼，采用碳復(fù)合材料的中心承力筒結(jié)構(gòu)，分上、中和下層，對(duì)接機(jī)構(gòu)、艙門機(jī)構(gòu)、舷窗等為剛性結(jié)構(gòu)，充氣展開后，靠內(nèi)部氣壓保形。TransHab 太空艙無獨(dú)立飛行能力，擬采用航天飛機(jī)將折疊狀態(tài)下的TransHab 太空艙送入軌道。

該項(xiàng)目在防護(hù)技術(shù)和總體方案方面已經(jīng)相當(dāng)完善。柔性可展開結(jié)構(gòu)的蒙皮采用了20 余層的復(fù)合材料，自外向內(nèi)提供了五級(jí)防護(hù)，蒙皮展開后總厚度達(dá)0.51m，包括外部溫度防護(hù)層（尼龍層和聚酯薄膜，絕熱）、空間碎片防護(hù)層（尼龍和聚乙烯，防輻射）、約束層（凱夫拉和亞苯基材料，維型與強(qiáng)度加強(qiáng)）、密封氣囊以及內(nèi)部防刮層（凱夫拉纖維和諾梅克斯，密封和防刺破），如圖2 所示，充分考慮了空間環(huán)境、空間碎片撞擊和艙內(nèi)航天員操作可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 Transhab 太空艙柔性可展開防護(hù)系統(tǒng)Fig.2 Shield system of Transhab capsule

1.2.3 Bigelow 太空艙[7-10]

Bigelow Aerospace 成立于1999年，在全面繼承了TransHab 太空艙項(xiàng)目研究成果的基礎(chǔ)上，先后成功發(fā)射了“起源I 號(hào)”（Genesis I）和“起源II 號(hào)”（Genesis II）柔性可展開太空艙。Bigelow Aerospace 規(guī)劃了一系列宇航產(chǎn)品，其中包括已經(jīng)發(fā)射并成功在軌運(yùn)行的Genesis I、Genesis II 和BEAM，在研的B330和BA2100，Bigelow 柔性可展開太空艙模塊如圖3 所示。

圖3 Bigelow 柔性可展開太空艙發(fā)展路線圖Fig.3 The development road of Bigelow space capsule

（1）Genesis I 太空艙[1-3,11-12]

Genesis I 太空艙沿用了TransHab 太空艙的設(shè)計(jì)，于2006年7月12日，搭乘俄羅斯“第聶伯”火箭成功進(jìn)入太空，成為世界首個(gè)實(shí)驗(yàn)性太空艙。Genesis I 太空艙在軌成功展開，在柔性可展開太空艙發(fā)展史上具有里程碑的意義。這次空間試驗(yàn)首次驗(yàn)證了柔性材料的空間適應(yīng)性、柔性可展開艙體、空間環(huán)境下的折疊展開、金屬與柔性材料的結(jié)合及密封等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

（2）BEAM 太空艙[1-3,7-10,13-17]

BEAM 太空艙對(duì)柔性可展開載人級(jí)太空艙進(jìn)行驗(yàn)證，以確定在整體受力和載人的情況下，柔性可展開太空艙的可居住性和貯存性能，驗(yàn)證工作涵蓋了先進(jìn)的系統(tǒng)生活艙、環(huán)境控制與生命支持系統(tǒng)等。

該項(xiàng)目設(shè)立了三大技術(shù)目標(biāo)：發(fā)展、驗(yàn)證并集成輕質(zhì)柔性可展開太空艙所需技術(shù)、自主交會(huì)對(duì)接所需技術(shù)以及閉合回路生命支持循環(huán)系統(tǒng)所需技術(shù)。

BEAM 太空艙各部分組成見圖4。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由前后兩層金屬隔板、鋁合金骨架、軟質(zhì)多層織物（內(nèi)含約束層和密封層）及充氣系統(tǒng)等部分組成。BEAM 太空艙發(fā)射時(shí)被折疊成長2.4m、直徑2.36m 的大包裹。BEAM 太空艙特制的防護(hù)層是一層厚厚的纖維狀材料，采用了20 多層材料，從里到外共設(shè)計(jì)了五層防護(hù)結(jié)構(gòu)：內(nèi)部防磨損層、密封氣囊、凱夫拉約束層、微流星和空間碎片防護(hù)層、外部防熱層。不僅能夠進(jìn)行熱防護(hù)，還能防太陽輻射、宇宙射線、空間碎片、原子氧、紫外輻射以及其他空間環(huán)境物質(zhì)等。BEAM太空艙采用類似于聚芳酯纖材料制作而成，空間防護(hù)能力遠(yuǎn)高于國際空間站鋁合金艙，其安全系數(shù)更高。

圖4 BEAM 太空艙各組成部分Fig.4 Thecomponentsof BEAM space capsule

2 柔性可展開月球居住艙研究進(jìn)展

2.1 臥式圓柱形柔性可展開月球居住艙

進(jìn)入21 世紀(jì)，NASA 將柔性可展開太空艙這一共性技術(shù)應(yīng)用到載人登月、行星探測(cè)領(lǐng)域。在NASA的資助下，美國多家研究機(jī)構(gòu)展開了柔性可展開太空艙和星球基地的新概念柔性可展開艙論證。美國月球基地建造小組根據(jù)Area V 火箭的載荷情況設(shè)計(jì)的臥式圓柱形柔性可展開月球居住艙[18]，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。該模型尺寸高約3m，折疊狀態(tài)時(shí)長度約5.2m。展開后長度約10m，折展比接近2︰1，適合身高1.62~1.75m的航天員使用。臥式圓柱形柔性可展開月球居住艙兩端為剛性端蓋，柔性可展開結(jié)構(gòu)位于中部，同樣是由多層不同功能的柔性復(fù)合材料構(gòu)成：內(nèi)膽層、增強(qiáng)層、熱防護(hù)層和微流星體防護(hù)層。這種柔性可展開月球艙采用Z 型折疊方式，柔性部分折疊后裝載于兩個(gè)端蓋之內(nèi)，如圖6 所示。

圖5 臥式圓柱形月球居住艙組成Fig.5 Composition of Horizontal cylindrical-shaped inflatable lunar module

圖6 臥式圓柱形月球艙折疊/展開尺寸Fig.6 The pack and unfold dimensions of horizontal cylindrical-shaped lunar module

2.2 旋轉(zhuǎn)橢圓體柔性可展開月球居住艙

旋轉(zhuǎn)橢圓體柔性可展開月球居住艙是由NASA Johnson Space Center 的LSS Habitation Lead 小組設(shè)計(jì)[19]，如圖7 所示。兩個(gè)扁圓形柔性可展開月球居住艙單元是該月球基地的重要組成部分，一個(gè)用于居住艙，另外一個(gè)用于實(shí)驗(yàn)艙，艙體直徑8.5m，長度3.6m，體積約174m3，可居住4 名航天員。若再增加一個(gè)78m3的圓柱型柔性可展開月球居住艙后勤保障艙，整個(gè)LS1 型柔性可展開月球基地可滿足4 名航天員執(zhí)行180 天的月球探測(cè)任務(wù)需求。柔性可展開月球居住艙體四周有三個(gè)接口，一個(gè)接口連接氣閘艙，另兩個(gè)接口可與其他單元連接。未來月球基地可以由多個(gè)這種不同功能的單元連接而成，將為航天員提供集生活、工作和科研于一體的大型月球居住基地。

圖7 旋轉(zhuǎn)橢圓體月球基地月球艙Fig.7 The ellipsoid moon module of lunar base

旋轉(zhuǎn)橢圓體柔性可展開月球居住艙單元為環(huán)形結(jié)構(gòu)，中心有一剛性結(jié)構(gòu)“心軸”。該設(shè)計(jì)概念來源于TransHab 太空艙結(jié)構(gòu)。其內(nèi)部心軸由橫板和縱梁組成，縱梁頂端和底部分別布置有隔離壁。柔性可展開蒙皮設(shè)計(jì)與TransHab 太空艙類似。對(duì)接口和艙口作為地板系統(tǒng)的一部分，連接于結(jié)構(gòu)中心。蒙皮圍繞對(duì)接口和艙口周圍并包裝折疊于結(jié)構(gòu)中心，飛船運(yùn)輸過程中附有保護(hù)罩，并與著陸艙連接。充氣展開時(shí)，中心部件即可隨之展開，具體展開過程如圖8。

圖8 旋轉(zhuǎn)橢圓體居住艙展開過程Fig.8 Expansion process of ellipsoid space inflatable capsule

圖9 SICSA/ILC-Dover月球艙概念Fig.9 SICSA/ILC-Dover lunar module concept

2.3 最小功能月球居住艙

柔性可展開月球基地概念2000年就開始論證，NASA聯(lián)合ILC-Dover 公司，希望采用柔性可展開結(jié)構(gòu)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)月球基地方案。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)，一直致力于將柔性可展開結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于宇宙移民基地，率先提出了柔性可展開組合結(jié)構(gòu)概念。柔性可展開月球基地是由柔性可展開膜結(jié)構(gòu)與空間可展開梁組成，利用柔性可展開膜可折疊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開展月球基地的設(shè)計(jì)研制工作。

為滿足短期月球探測(cè)任務(wù)需求，休斯頓大學(xué)建筑學(xué)院的研究組織（Sasakawa International Center for Space Architecture，SICSA）引入了最小功能月球艙單元概念[19-21]，如圖9 所示。最小功能月球艙單元其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是底端為剛性結(jié)構(gòu)，上端為柔性的柔性可展開太空艙體。

3 柔性可展開太空艙關(guān)鍵技術(shù)

梳理柔性可展開太空艙的發(fā)展歷程及關(guān)鍵技術(shù)，可為我國未來載人登月和深空探測(cè)航天器設(shè)計(jì)提供借鑒。柔性可展開太空艙關(guān)鍵技術(shù)有以下5個(gè)方面。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柔性可展開太空艙的材料體系和剛性太空艙有質(zhì)的區(qū)別，相對(duì)于剛性太空艙需要考慮更多的約束條件和特殊問題，需要采用新的設(shè)計(jì)方法[22-24]，如：需要考慮柔性材料的幾何非線性特征，研究展開前后的結(jié)構(gòu)初始形態(tài)，充氣成型工藝及密封工藝。因此，需要深入研究柔性可展開太空艙的總體論證、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和總體方案，明確技術(shù)指標(biāo)以及技術(shù)要求，確定柔性可展開太空艙的設(shè)計(jì)方案，開展關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)主要針對(duì)當(dāng)前柔性可展開太空艙體結(jié)構(gòu)的任務(wù)需求，開展具體結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)、艙體內(nèi)部布局設(shè)計(jì)、剛?cè)徇B接設(shè)計(jì)、氣密設(shè)計(jì)等內(nèi)容，突破并掌握柔性可展開太空艙結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)及設(shè)計(jì)方法，為將來大型、多用途柔性可展開太空艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的建立提供一套初步的設(shè)計(jì)依據(jù)和參考。

根據(jù)空間環(huán)境適應(yīng)性要求和柔性太空艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，柔性可展開太空艙總體設(shè)計(jì)要求：體積/實(shí)用面積比小；材料輕量化；艙體可擴(kuò)展；模塊化組裝；安全可靠性高；艙外活動(dòng)少；建造時(shí)間短；建造工藝簡單[3]。

3.2 多功能蒙皮設(shè)計(jì)[3,17,24-27]

多功能蒙皮設(shè)計(jì)制作與選型是柔性可展開太空艙結(jié)構(gòu)研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從蒙皮材料的使用角度及所處空間環(huán)境考慮，要求選擇密度小、柔軟、耐高溫、抗輻射、氣密性好和易剛化等特點(diǎn)的材料。

柔性可展開太空艙一般用于大型長期在軌飛行的軌道空間站或月球居住地，依據(jù)使用環(huán)境通常選用高性能復(fù)合材料作為多功能蒙皮主體材料，通常由多層柔性復(fù)合材料（如薄膜或織物）構(gòu)成：氣密層（或氣體阻隔層）、增強(qiáng)層（或結(jié)構(gòu)層、限制層）、微流星體/軌道碎片防護(hù)層和防輻射層，以及多層隔熱層。根據(jù)任務(wù)性質(zhì)和周期長短，可以自由地增減某些功能層，以滿足具體任務(wù)需求。太空艙防護(hù)結(jié)構(gòu)材料的選擇需要綜合考慮材料力學(xué)性能、密度、可展開性能以及材料的成熟度和費(fèi)效比等因素[3]。

多功能復(fù)合材料蒙皮是柔性可展開太空艙在宇宙空間能夠生存并且保持長壽命的基礎(chǔ)。只有突破多功能蒙皮設(shè)計(jì)制作技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)柔性可展開太空艙的工程化應(yīng)用。綜合調(diào)研結(jié)果總結(jié)出目前國內(nèi)外柔性蒙皮材料各功能體系如表1 所示。

表1 柔性可展開太空艙體蒙皮體系各功能層[3]Tab.1 Functional layers of space Inflatable capsule skin system

3.3 艙體折疊與展開控制技術(shù)研究

柔性可展開太空艙的折疊和展開技術(shù)旨在提高太空艙發(fā)射過程的折疊效率和保證在柔性可展開的可靠性。折疊展開方式、充氣方式及充氣順序、折疊的緊湊性以及折疊展開的精度和可靠性是折疊與展開技術(shù)研究的重點(diǎn)。

折疊設(shè)計(jì)方面，主要是針對(duì)艙體結(jié)構(gòu)的幾何特點(diǎn)，設(shè)計(jì)更小收攏體積的折疊方式。目前柔性可展開結(jié)構(gòu)比較成熟的折疊方式是Z 型折疊和卷曲折疊；同時(shí)國外也在研究仿生折疊設(shè)計(jì)、多邊形折疊設(shè)計(jì)。Z 型折疊技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的柔性可展開折疊技術(shù)，尤其是對(duì)于載人航天器太空艙結(jié)構(gòu)，美國Bigelow公司的BEAM 艙就是采用Z 型折疊技術(shù)。該技術(shù)主要是艙體直徑不變、沿艙體軸線方向折疊。Z 型折疊結(jié)構(gòu)在真空環(huán)境下展開過程中需要克服折疊層間的接觸摩擦力。

柔性可展開太空艙蒙皮材料通常采用功能承載一體化設(shè)計(jì)，需要考慮折疊方式對(duì)蒙皮材料損傷和密封性的影響。保證柔性可展開太空艙折疊狀態(tài)下對(duì)柔性蒙皮材料的零損傷、去褶皺影響是衡量折疊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。柔性可展開太空艙折疊設(shè)計(jì)與展開控制、剛化設(shè)計(jì)是密不可分，折疊機(jī)構(gòu)要和展開鎖緊機(jī)構(gòu)一起設(shè)計(jì)，保證折疊展開機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的緊湊。

折疊展開仿真分析是該領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，通常采用有限元仿真分析和多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)柔性可展開太空艙從折疊狀態(tài)到完全展開過程進(jìn)行仿真，考慮剛?cè)狁詈弦蛩氐挠绊憣?duì)折疊展開順滑的影響，分析蒙皮和骨架剛度強(qiáng)度是否符合指標(biāo)要求，分析殘余氣體、不同材料參數(shù)、邊界條件、充氣速率、模型尺寸對(duì)展開過程影響。

3.4 艙體剛化技術(shù)研究[3,22]

剛化技術(shù)是保證柔性可展開太空艙在零內(nèi)壓狀態(tài)下保形能力及抗變形能力的決定性技術(shù)。雖然目前已經(jīng)研究多種可用于柔性可展開太空艙的剛化技術(shù)，主要是針對(duì)小空腔結(jié)構(gòu)，而適合柔性可展開太空艙這種大型空腔結(jié)構(gòu)的剛化技術(shù)適應(yīng)性極為有限。此外選擇何種剛化技術(shù)不但會(huì)影響柔性可展開太空艙結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)，而且對(duì)其蒙皮材料體系、折疊展開控制等方面都會(huì)產(chǎn)生顯著影響，因此，柔性可展開太空艙的在軌剛化技術(shù)也是一項(xiàng)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

柔性可展開太空艙結(jié)構(gòu)剛化是指通過某種方式賦予柔性艙體一定的剛度，使其能夠承受自身及其他額外載荷而不發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。對(duì)于柔性可展開太空艙，氣體內(nèi)壓作用下在艙體蒙皮上產(chǎn)生的面內(nèi)應(yīng)力足以使艙體抵抗外力變形的能力，再輔以艙內(nèi)的可折疊鎖定的剛性金屬支撐，通常不需要額外手段實(shí)現(xiàn)剛化。

柔性可展開太空艙艙體剛化之后具有承載和維型功能；同時(shí)具有高柔性，方便高效折疊包裝；在室溫條件下儲(chǔ)存壽命長；熱穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)接近為零；能抵御惡劣的空間環(huán)境；充氣硬化過程中的形狀易控制。

3.5 地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)

柔性可展開太空艙暴露于在軌空間環(huán)境中，要經(jīng)歷長期的原子氧、高低溫交變、紫外線輻射、微流星體或空間碎片撞擊等惡劣環(huán)境。柔性可展開太空艙研制過程中要充分識(shí)別空間環(huán)境引起的風(fēng)險(xiǎn)，通過相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證其整個(gè)生命周期的安全性和可靠性。由于柔性可展開太空艙和剛性太空艙承載和防護(hù)機(jī)理有著明顯差別，針對(duì)這種新型的航天器常規(guī)的航天器試驗(yàn)方法不一定適用，要改進(jìn)原有的試驗(yàn)方法；另外針對(duì)驗(yàn)證柔性可展開太空艙一些特殊性能開展專門試驗(yàn)。柔性可展開太空艙試驗(yàn)常規(guī)項(xiàng)目有氣密性試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)、展開試驗(yàn)、剛化試驗(yàn)，還包括高低溫交變、宇宙射線、微流星體和空間碎片撞擊、毒性、壽命等多種試驗(yàn)。

依據(jù)相關(guān)報(bào)告，NASA 對(duì)Transhab 太空艙采用的柔性纖維材料進(jìn)行了力學(xué)、高速?zèng)_擊、高低溫交變、微流星體或空間碎片撞擊、宇宙輻射、氣密性、耐壓、展開、剛化、毒性、壽命等多種綜合性能試驗(yàn)，建立了柔性可展開太空艙簡單有效的試驗(yàn)方法與技術(shù)，建立了相應(yīng)的試驗(yàn)準(zhǔn)則與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)柔性可展開太空艙柔性蒙皮材料的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試與評(píng)估。

柔性可展開太空艙型面精測(cè)也是研究的重點(diǎn)方向之一，目前主要采用非接觸式掃描測(cè)量技術(shù)對(duì)柔性薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量。大面積柔性薄膜柔性可展開機(jī)理復(fù)雜，具有瞬時(shí)、隨機(jī)及非線性等特點(diǎn)，因此需要研究大面積薄膜結(jié)構(gòu)的標(biāo)定方法、測(cè)量方法和測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法，設(shè)計(jì)專用測(cè)量工裝，實(shí)現(xiàn)柔性可展開形狀精度的有效測(cè)取。

4 柔性可展開太空艙應(yīng)用展望

隨著人類對(duì)太空探索逐步深入，對(duì)長期有人駐留、短期出艙活動(dòng)、星際轉(zhuǎn)移的大尺寸太空艙體的需求更加迫切，集工作、起居、飲食、鍛煉、娛樂、私人空間于一體的多功能大型柔性可展開太空艙成為一種趨勢(shì)。柔性可展開太空艙將被廣泛應(yīng)用于新一代天地往返系統(tǒng)、新一代空間站、外星基地建設(shè)、太空酒店、星際旅行等。

特別是未來的月球基地、行星居留艙、火星基地建設(shè)，由于基地內(nèi)部需要較大的活動(dòng)空間，為了節(jié)約建造和發(fā)射成本，柔性可展開太空艙的艙段將會(huì)是理想的基地建造選擇。以火星基地為例，由于火星距離地球遙遠(yuǎn)，再加上運(yùn)載火箭和運(yùn)輸飛船的燃料和容積的限制，向火星運(yùn)送的艙段的體積和質(zhì)量受限，為了建造盡可能大容積的基地，必然需要使用柔性可展開太空艙。

本著節(jié)約發(fā)射成本和提高經(jīng)濟(jì)效益的原則，未來發(fā)展商業(yè)太空旅游也必然選擇柔性可展開太空艙。柔性可展開太空艙相對(duì)于金屬艙成本更低，容積更大，建造時(shí)間更短、使得居住環(huán)境更加舒適。

綜上所述，柔性可展開太空艙應(yīng)用前景非常廣闊，我國該領(lǐng)域涉及的關(guān)鍵技術(shù)亟需盡早開展相應(yīng)研究，以儲(chǔ)備相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)我國載人航天及深空探測(cè)的可持續(xù)發(fā)展。