徐鏵東, 王玉林, 于 東, 石景富, 崔嘉鑫, 苗常青?
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150001; 2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院,北京 100076; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)系, 哈爾濱 150001)
月面居住艙是一種空間密封艙體,是未來月球探測(cè)、資源開發(fā)利用及月面科考的基本保障,是構(gòu)建月球基地的關(guān)鍵設(shè)施。 考慮到未來航天員長(zhǎng)期駐留及開展大型科研、探測(cè)及建設(shè)活動(dòng)的需求,建造大容積、高可靠的月面居住艙將是未來月球探測(cè)及月球基地建設(shè)的關(guān)鍵。
目前已提出了多種月面居住艙構(gòu)建方案,包括剛性金屬艙、利用月球原位資源建造的月面居住艙和充氣展開艙等。 剛性金屬艙的應(yīng)用最為廣泛,如國(guó)際空間站、神舟系列飛船、天宮空間站等均采用剛性金屬密封艙方案,但地月之間運(yùn)輸距離遙遠(yuǎn),且受火箭運(yùn)載能力(發(fā)射重量、發(fā)射體積)及發(fā)射成本的限制,難以構(gòu)建大容積月面居住艙。 月面原位資源建造是利用月壤等月面資源建造月面居住艙的防護(hù)殼,以減少月球基地建設(shè)對(duì)地球運(yùn)送資源的需求量,降低月球建設(shè)的發(fā)射成本,但該技術(shù)難度較大,不利于初期的月球基地建設(shè)。
充氣展開結(jié)構(gòu)可柔性折疊、發(fā)射體積小、質(zhì)量輕、發(fā)射成本低,可在軌充氣展開成型,且展開體積大,為大型航天器的構(gòu)建提供了一條新的途徑。近年來,充氣展開結(jié)構(gòu)在航天器結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛。 20 世紀(jì)90 年代初,NASA 開展了充氣載人艙TransHab 的研究工作。 相比于相同發(fā)射體積的傳統(tǒng)金屬艙,TransHab 全尺寸模型擁有3 倍的體積容量和超過2 倍的儲(chǔ)能空間,具有很好的應(yīng)用前景。 一系列試驗(yàn)結(jié)果表明,TransHab 充氣艙具有良好的承壓、微流星體和空間碎片超高速撞擊防護(hù)性能,能夠折疊包裝并在真空中充氣展開,驗(yàn)證了充氣艙空間應(yīng)用的可行性。 2006 年7 月和2007 年6 月,Bigelow 公司相繼成功發(fā)射了起源一號(hào)、起源二號(hào)實(shí)驗(yàn)性充氣艙,完成了在軌充氣展開,并驗(yàn)證了充氣艙的長(zhǎng)期在軌運(yùn)行能力。 2016 年4 月,Bigelow 公司的BEAM充氣艙由龍飛船發(fā)射成功,完成了在軌充氣展開試驗(yàn)驗(yàn)證,成為首個(gè)與國(guó)際空間站對(duì)接并展開的充氣艙。 2017 年11 月,NASA 完成對(duì)BEAM 充氣艙在軌測(cè)試,BEAM 充氣艙由技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)艙正式成為國(guó)際空間站組件,作為貨艙使用。BEAM 艙的應(yīng)用,驗(yàn)證了充氣艙空間應(yīng)用的可行性。 充氣展開驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單、可靠,且建造難度小、周期短、易于維修與擴(kuò)展,適用于月面居住艙的建造。
月面居住艙運(yùn)行期間將面臨復(fù)雜的月面環(huán)境,如極端溫度、微流星體超高速撞擊和空間輻射等。 此外,月面重力約為地球的1/6,空間站圓柱式艙體結(jié)構(gòu)不再適用,為保證月面居住艙安全可靠使用,需重點(diǎn)考慮其月面環(huán)境防護(hù)功能以及航天員在月面重力下的站立、坐臥等活動(dòng)的方向性要求。
為提高月面居住艙內(nèi)部使用空間、減小發(fā)射體積與發(fā)射質(zhì)量,本文提出并設(shè)計(jì)一種具有多層夾芯多功能防護(hù)層的充氣展開月面居住艙,研制充氣展開月面居住艙樣機(jī),進(jìn)行微流星體超高速碰撞、隔熱、艙體折疊與充氣展開性能測(cè)試,初步驗(yàn)證充氣展開月面居住艙在月面應(yīng)用的可行性。
本文設(shè)計(jì)了一種具有多層夾芯多功能防護(hù)層的充氣展開月面居住艙,其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 充氣展開月面居住艙為橢球柱形,可在豎直方向展開,并利用桁架對(duì)縱向空間進(jìn)行分層利用,形成3層結(jié)構(gòu),其內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖1 充氣展開月面居住艙示意圖Fig.1 Schematic diagram of inflatable deployable lu?nar habitation module
圖2 充氣展開月面居住艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局Fig. 2 Internal structure of inflatable deployable lunar habitation module
充氣展開月面居住艙主要由剛性封頭、柔性復(fù)合材料艙壁、艙門、舷窗等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。 居住艙內(nèi)部包含充氣桁架、基座、支架及氣瓶等設(shè)備,外部安裝有充氣展開氣閘艙,方便航天員進(jìn)出居住艙。
充氣桁架是輔助居住艙充氣展開并為居住艙長(zhǎng)期運(yùn)行提供內(nèi)部支撐的重要結(jié)構(gòu)部件,桁架結(jié)構(gòu)及其裝配示意圖如3 所示。
圖3 充氣桁架與剛性封頭的裝配示意圖Fig.3 Assembly of the inflatable truss and rigid head
充氣桁架由薄壁的、相互連接的軸向充氣管和周向充氣環(huán)構(gòu)成,隨充氣展開月面居住艙一起折疊發(fā)射,并輔助居住艙充氣展開。 展開后充氣桁架可進(jìn)行電加熱剛化,在內(nèi)部形成剛性的充氣桁架,提高整個(gè)居住艙的承壓能力和結(jié)構(gòu)剛度。
考慮月面的真空、微流星體超高速碰撞、極端溫度、輻射、紫外等月面環(huán)境,設(shè)計(jì)了一種具有多層夾芯多功能防護(hù)層的柔性復(fù)合材料艙壁結(jié)構(gòu),以進(jìn)行月面環(huán)境的一體化防護(hù)設(shè)計(jì),其結(jié)構(gòu)及材料分布示意圖如圖4 所示。
圖4 柔性復(fù)合材料艙壁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the flexible composite bulkhead structure
月面居住艙艙壁由多層柔性復(fù)合材料制成,其外層結(jié)構(gòu)為月面環(huán)境多層夾芯多功能防護(hù)層,內(nèi)層結(jié)構(gòu)為密封承壓內(nèi)囊。 其中,多層夾芯多功能防護(hù)層由隔熱層、微流星體超高速碰撞防護(hù)層構(gòu)成,隔熱層為鍍鋁復(fù)合薄膜,微流星體超高速碰撞防護(hù)層由鋁絲網(wǎng)、石英纖維布、芳綸纖維布和開孔聚氨酯泡沫構(gòu)成,上述材料同時(shí)還具有防輻射、抗紫外老化等功能。 密封承壓內(nèi)囊由聚氨酯(TPU)和聚乙烯(PE)等多層薄膜材料復(fù)合而成,具有較好的密封承壓性能。
為方便艙體的折疊和展開,將具有一定厚度的多層夾芯多功能防護(hù)層進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),模塊間通過條帶進(jìn)行連接,艙體局部區(qū)域的模塊形狀和連接方式如圖5 所示。
圖5 防護(hù)模塊連接示意圖Fig.5 Connection of the protection module
圖5 中,多層夾芯多功能防護(hù)模塊通過軸向條帶和周向條帶進(jìn)行連接,并采用模塊間分塊穿插疊合方案進(jìn)行折疊。 防護(hù)層模塊的展開狀態(tài)、折疊方式和折疊后的狀態(tài)如圖6 所示。
圖6 防護(hù)層的折疊和展開示意圖Fig.6 Folding and deployment of the shielding structure
防護(hù)模塊采用斜截面設(shè)計(jì),可使模塊間展開平順,減小摩擦力。 采用如上方法對(duì)居住艙防護(hù)層進(jìn)行折疊,解決了防護(hù)層因厚度太大而難以折疊的問題。
當(dāng)前,眾多研究者對(duì)柔性材料的超高速碰撞防護(hù)性能進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋁金屬絲網(wǎng)、石英纖維織物具有較好的彈丸破碎性能,芳綸纖維、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維織物具有較好的能量吸收性能,且對(duì)低速碎片具有良好的攔截作用。 因此,在微流星體防護(hù)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中,將鋁金屬絲網(wǎng)和石英纖維織物放置在前,充分破碎微流星體,分散沖擊載荷;芳綸纖維織物和UHMWPE 纖維織物放置在后,攔截微流星體破碎后形成的碎片。 本文設(shè)計(jì)了7 種多層夾芯多功能防護(hù)結(jié)構(gòu),其試驗(yàn)編號(hào)及材料分布如表1 所示。
表1 防護(hù)結(jié)構(gòu)及其材料分布Table 1 Material distribution of each bumper of the protective structure
上述防護(hù)結(jié)構(gòu)均為5 屏結(jié)構(gòu),每個(gè)防護(hù)屏厚度約為2 mm。 在E#1 ~E#5 中,屏間距均為18 mm,結(jié)構(gòu)總體厚度為80 mm。 艙壁太厚不利于月面居住艙的折疊和展開,進(jìn)而設(shè)計(jì)了總體厚度為40 mm 的E#6 和E#7,其屏間距均為8 mm。此外,在E#7 中的第2、3 屏中,采用了混合材料設(shè)計(jì),其中E#7 第2 屏中鋁絲網(wǎng)和石英纖維布各占1/2,第3 屏中石英纖維布和芳綸纖維布各占1/2。
利用二級(jí)輕氣炮對(duì)上述防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行超高速碰撞試驗(yàn),所用彈丸材料為Al-2017 鋁合金,直徑為3. 97 mm,采用磁測(cè)速方法測(cè)量彈丸的入射速度,圖7 為安裝好的靶架和二級(jí)輕氣炮的靶艙。
圖7 超高速碰撞試驗(yàn)設(shè)備Fig.7 Equipment for hypervelocity impact test
防護(hù)屏是由多層織物或鋁絲網(wǎng)疊合而成,尺寸為200 mm×200 mm。 將安裝好的靶架四周固定約束,放置在靶艙內(nèi)部。 超高速碰撞試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。 在E#1、E#2 和E#6 中,彈丸穿透了前4 屏,并在第5 屏上產(chǎn)生撞擊損傷,而在E#3、E#4、E#5 和E#7 中,彈丸僅穿透了前3 屏,并在第4 屏上產(chǎn)生撞擊損傷,第5 屏為完整狀態(tài)。
圖8 超高速碰撞試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Results of hypervelocity impact test
為比較每種防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能,定義防護(hù)結(jié)構(gòu)剩余質(zhì)量百分比為式(1)所示:
式中,為未被彈丸穿透的材料層數(shù),為材料總層數(shù),AD為每一層材料的面密度。 當(dāng)防護(hù)結(jié)構(gòu)剩余質(zhì)量百分比值越高時(shí),防護(hù)性能越好。 7 種防護(hù)結(jié)構(gòu)總體面密度、彈丸入射速度以及值比較結(jié)果如表2 所示。
表2 超高速碰撞試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of hypervelocity impact test
在E#1~E#5 中,防護(hù)結(jié)構(gòu)的總面密度、結(jié)構(gòu)總厚度和彈丸速度基本一致,其比較結(jié)果表明:E#4 中,“鋁絲網(wǎng)\鋁絲網(wǎng)\芳綸\芳綸\芳綸”的防護(hù)結(jié)構(gòu)具有37.28%的剩余質(zhì)量,優(yōu)于其他結(jié)構(gòu),確定了防護(hù)結(jié)構(gòu)中鋁絲網(wǎng)放置在前,芳綸纖維布放置在后的材料布設(shè)方案。
結(jié)構(gòu)總厚度為40 mm 的E#6 是E#4 的改進(jìn)方案,發(fā)現(xiàn)屏間距由80 mm 減小為40 mm 后,值由原來的37.28%降低為14.34%,防護(hù)性能大幅降低。 E#7 是在E#6 的基礎(chǔ)上進(jìn)行的材料分布改進(jìn)設(shè)計(jì),將石英纖維布放置在第2 屏后部和第3 屏的前部,結(jié)果發(fā)現(xiàn)值為23.19%,較E#6 有很大的性能提升。 所設(shè)計(jì)的E#7 不僅能防護(hù)直徑為3.97 mm、速度為4.20 km/s 的微流星體,而且還有較高的剩余質(zhì)量,能防護(hù)直徑更大、速度更高的微流星體。
考慮到月面艙的折疊、展開以及微流星體防護(hù)性能,采用E#7 中的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并以此進(jìn)行隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和月面居住艙樣機(jī)加工。
綜上所述,PCOS患者的性激素紊亂較為明顯,同時(shí)PTX3明顯下降,而瘦素水平明顯上升,相關(guān)指標(biāo)與PCOS患者肥胖、胰島素抵抗的發(fā)生可能密切相關(guān)。
為有效降低防護(hù)層的導(dǎo)熱性能,在微流星體多層夾芯防護(hù)層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,增加了開孔泡沫、鍍鋁復(fù)合薄膜等隔熱材料,進(jìn)行隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 開孔泡沫材料放置在相鄰2 個(gè)防護(hù)屏中間,形成多孔結(jié)構(gòu),增大屏間接觸熱阻;鍍鋁復(fù)合薄膜(Coating Aluminum Membrane, AM)作為反射層放置在多層夾芯防護(hù)結(jié)構(gòu)的前\中\后位置,提高隔熱性能,同時(shí)可提高結(jié)構(gòu)抗輻射及紫外老化性能。 經(jīng)過隔熱設(shè)計(jì)的月面環(huán)境多層夾芯防護(hù)層蒙皮結(jié)構(gòu)及材料分布如表3 所示。
表3 多層夾芯防護(hù)層結(jié)構(gòu)及材料分布Table 3 Multilayer sandwich sheilding structure and material distribution of each bumper
根據(jù)表3 中的材料及結(jié)構(gòu)方案,研制了月面居住艙縮比樣機(jī)(1 ∶3),并利用臨近空間環(huán)境模擬裝置進(jìn)行了隔熱性能試驗(yàn)測(cè)試,以得到月面居住艙在熱真空環(huán)境下的導(dǎo)熱系數(shù),評(píng)估其隔熱性能。
試驗(yàn)過程中,先將臨近空間環(huán)境模擬裝置內(nèi)進(jìn)行抽真空操作。 月面居住艙縮比樣機(jī)在內(nèi)部剩余氣體作用下展開,待其完全展開后再進(jìn)行加熱,加熱時(shí)長(zhǎng)為90 min。 研制的縮比樣機(jī)及其在臨近空間環(huán)境模擬裝置中的放置位置如圖9 所示。
圖9 縮比樣機(jī)及其隔熱性能測(cè)試Fig.9 Scaled prototype and thermal insulation test
縮比樣機(jī)的內(nèi)、外表面共布置有4 個(gè)測(cè)溫點(diǎn),分別位于外防護(hù)層蒙皮上端、中部,密封承壓內(nèi)囊上段、中部。 試驗(yàn)記錄的溫度數(shù)據(jù)曲線如圖10 所示。 縮比樣機(jī)外部測(cè)溫點(diǎn)1 初始溫度=12.4 ℃,外部測(cè)溫點(diǎn)1 結(jié)束溫度=135.0 ℃;外部測(cè)溫點(diǎn)2 初始溫度=12.2 ℃,外部測(cè)溫點(diǎn)2 結(jié)束溫度=127.4 ℃;內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)1 初始溫度=13.8 ℃,內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)1 結(jié)束溫度=26.8 ℃;內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)2 初始溫度=13.0 ℃, 內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)2 結(jié)束溫度=40.7 ℃。
圖10 縮比樣機(jī)及其隔熱性能測(cè)試Fig.10 Scaled prototype and thermal insulation test
在熱真空環(huán)境下,樣機(jī)內(nèi)部升溫所需能量來源于多層夾芯防護(hù)層的導(dǎo)熱過程,即氣密層內(nèi)囊由于外部材料導(dǎo)熱吸收的能量導(dǎo)致其溫度升高。根據(jù)傳熱學(xué)公式,氣密層由外部材料導(dǎo)熱所吸收的能量為式(2):
式中,為熱通量,為氣密層面積,為時(shí)間。 熱通量可進(jìn)一步表示為式(3):
式中,為導(dǎo)熱系數(shù);為柔性蒙皮厚度,試驗(yàn)測(cè)得=40.219 mm;Δ為內(nèi)外溫差,此處取加熱結(jié)束時(shí)刻的溫度差平均值為式(4):
經(jīng)計(jì)算,其值為97.45 ℃。 氣密層溫度升高所需能量為式(5):
式中,為氣密層內(nèi)囊材料的比熱容,=1.7 J/g·℃;Δ為氣密層初始至結(jié)束溫差,取內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)初始與結(jié)束溫差平均值為式(6):
經(jīng)計(jì)算,其值為19.65 ℃。 氣密層材料質(zhì)量為式(7):
式中,為氣密層材料密度,試驗(yàn)測(cè)得其值為1.073 g/cm,為氣密層體積,為氣密層面積,為氣密層厚度,其值為0.219 mm。 根據(jù)氣密層由外部材料導(dǎo)熱所吸收的能量與氣密層溫度升高所需能量平衡,可得式(8):
根據(jù)式(2)、(3)和(5)得導(dǎo)熱系數(shù)為式(9):
可得多層夾芯防護(hù)層蒙皮的導(dǎo)熱系數(shù)為0.0006 W/m·K,低于航天器常用的多層隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)0.03 W/m·K,具有更優(yōu)的隔熱性能。
月面居住艙發(fā)射前需包裝折疊,到達(dá)月面后解鎖釋放,充氣展開成型為航天員居住艙,艙體的折疊展開性能是其正常工作的關(guān)鍵。
月面居住艙由密封承壓內(nèi)囊和多層夾芯多功能月面環(huán)境防護(hù)層構(gòu)成,首先對(duì)內(nèi)囊進(jìn)行折疊展開試驗(yàn),分析展開過程,然后將多層夾芯多功能月面環(huán)境防護(hù)層安裝在內(nèi)囊外部,對(duì)月面居住艙整體樣機(jī)進(jìn)行折疊展開試驗(yàn),以分析月面艙的折疊展開性能,并驗(yàn)證月面應(yīng)用可行性。
密封承壓內(nèi)囊采用手風(fēng)琴式折疊,該折疊方式簡(jiǎn)單,便于操作,易于控制展開。 全尺寸內(nèi)囊結(jié)構(gòu)樣機(jī)折疊后的形狀如圖11 所示。 內(nèi)囊折疊后為邊長(zhǎng)1. 5 m、高0. 1 m 的長(zhǎng)方體,折疊后總體積約0. 325 m(含剛性艙門體積0. 1 m)。 可以看出,內(nèi)囊折疊效率較高,其折疊體積與展開體積之比約為1 ∶40,對(duì)更大尺寸的內(nèi)囊,其折疊效率將會(huì)更高。 對(duì)折疊后的內(nèi)囊進(jìn)行了充氣展開試驗(yàn),圖12 為展開過程。可以看出,折疊的密封承壓內(nèi)囊可在充氣壓力驅(qū)動(dòng)下可靠有序地展開,并最終在充氣20 min后完全展開成型。
圖11 折疊后的密封承壓內(nèi)囊Fig.11 Shape of the sealed pressure?bearing internal capsule after folding
圖12 密封承壓內(nèi)囊充氣展開過程Fig.12 Deployment process of the sealed pressure?bearing internal capsule
根據(jù)第3 節(jié)中多層夾芯多功能防護(hù)層結(jié)構(gòu)與材料方案,制作了全尺寸月面環(huán)境防護(hù)層樣機(jī),并安裝在密封承壓內(nèi)囊外部。 通過模塊穿插疊合方式折疊后的防護(hù)層及手風(fēng)琴折疊后的內(nèi)囊組成的全尺寸月面艙樣機(jī)如圖13 所示。
圖13 月面居住艙樣機(jī)折疊后形狀Fig.13 The shape of the inflatable deployable lunar habitation prototype after folding
月面艙樣機(jī)折疊后為圓柱形結(jié)構(gòu)。 密封承壓內(nèi)囊和月面艙樣機(jī)折疊性能參數(shù)如表4 所示。
表4 樣機(jī)折疊性能參數(shù)Table 4 Folding performance parameters of the proto?type
折疊后的月面艙樣機(jī)直徑為1.44 m,高度為0.88 m,體積為1.43 m,相比展開后的體積15.1 m,其折疊效率達(dá)到10.5。 月面艙樣機(jī)充氣展開過程如圖14 所示。 折疊后的月面艙可以在充氣壓力驅(qū)動(dòng)下可靠有序地展開,并最終在充氣10 min后完全展開成型。
圖14 月面居住艙樣機(jī)充氣展開過程Fig. 14 Deployment process of the inflatable deployable lunar habitation prototype
采用柔性復(fù)合材料制成的月面居住艙可柔性折疊、折疊效率高,可根據(jù)需要折疊成所需要的形狀,折疊后的月面艙具有很小的發(fā)射體積,并可展開成型為大容積密封艙。
1)本文設(shè)計(jì)的多層夾芯微流星體防護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效防護(hù)直徑為3.97 mm、速度為4.20 km/s的鋁彈丸,并具有較高的剩余質(zhì)量百分比,可進(jìn)一步防護(hù)速度更高、質(zhì)量更大的微流星體,具有較好的防護(hù)性能。
2)在微流星體防護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,通過增加鍍鋁復(fù)合薄膜,設(shè)計(jì)了多屏隔熱結(jié)構(gòu),其等效導(dǎo)熱系數(shù)為0.0006 W/m·K,優(yōu)于航天器常用多層隔熱材料的隔熱性能,滿足艙體隔熱需求。
3)充氣展開月面居住艙可柔性折疊,折疊效率高,展開過程快速、有序、可控,可利用較小的發(fā)射體積發(fā)射,在月面展開成為大容積月面居住艙,可為航天員提供良好的月面工作和生活環(huán)境。
現(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)充氣艙關(guān)鍵技術(shù)方面的研究基本與國(guó)際保持技術(shù)同步,但在在軌飛行驗(yàn)證和空間應(yīng)用技術(shù)研究方面還有所欠缺,建議在關(guān)鍵技術(shù)突破基礎(chǔ)上,廣泛開展新型充氣艙樣機(jī)的地面試驗(yàn)驗(yàn)證,并完成部分樣機(jī)的在軌應(yīng)用研究。