載人充氣密封艙結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究

常潔 姜超 黃文宣 從強(qiáng) 梁東平 許煥賓 鄭世貴

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

密封艙是人類進(jìn)行地外活動(dòng)所必需的資源。無論是近地空間的載人飛行和在軌駐留，還是行星際乃至恒星際的載人航行，都需要為乘員準(zhǔn)備一個(gè)可靠的密封環(huán)境，以便創(chuàng)造其賴以生存的環(huán)境，以及存放支持其基本生存條件的物資。充氣密封艙主體結(jié)構(gòu)由柔性材料組成，發(fā)射時(shí)處于折疊狀態(tài)，在軌充氣展開形成密封艙體。相比與傳統(tǒng)的剛性密封艙，充氣密封艙有如下主要特點(diǎn)：質(zhì)量輕，為傳統(tǒng)金屬艙質(zhì)量的1/3～1/4；發(fā)射體積小，艙體直徑可壓縮、不受目前運(yùn)載整流罩包絡(luò)限制；折疊效率高，展開后體積與折疊狀態(tài)體積之比可達(dá)4以上；展開可靠，艙體展開過程通過氣壓控制，可控性強(qiáng)、風(fēng)險(xiǎn)小。

國(guó)外已經(jīng)開始了充氣密封艙的飛行試驗(yàn)，并取得了良好的效果。我國(guó)空間站工程[1]、深空探測(cè)工程即將全面鋪開，充氣密封艙可發(fā)揮越來越大的作用[2-4]。本文通過對(duì)國(guó)外充氣密封艙技術(shù)發(fā)展的分析，結(jié)合充氣密封艙的使用需求，提煉了四項(xiàng)目前亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)研究成果進(jìn)行了介紹。

1 充氣密封艙研究概況

1.1 國(guó)外概況

美國(guó)畢格羅(Bigelow Aerospace)公司早在本世紀(jì)初就開始充氣密封艙的研制工作，在繼承了TransHab太空艙項(xiàng)目研究成果后[5]，于2006年和2007年研制并發(fā)射了“起源I號(hào)”和“起源II號(hào)”兩個(gè)試驗(yàn)太空艙[6]，如圖1所示。

圖1 起源號(hào)充氣式太空艙

這兩個(gè)無人飛行器主要驗(yàn)證充氣結(jié)構(gòu)的折疊壓緊、微重力環(huán)境下的充壓展開、密封等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，兩個(gè)飛行器也達(dá)到了在軌驗(yàn)證的目標(biāo)，為后續(xù)載人任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。隨后畢格羅公司和NASA簽署了一份協(xié)議，研制與國(guó)際空間站直接對(duì)接的充氣密封艙，直接用于載人飛行任務(wù)。2016年，畢格羅公司的可充氣式太空艙(BEAM)搭載龍貨運(yùn)飛船上行、并與國(guó)際空間站實(shí)現(xiàn)了對(duì)接[7](如圖2所示)。在首次展開實(shí)驗(yàn)時(shí)，在經(jīng)歷了數(shù)小時(shí)的嘗試后，艙體只展開了數(shù)厘米，遠(yuǎn)未達(dá)到完全展開的目標(biāo)。經(jīng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)分析，是由于充氣艙柔性織物材料在長(zhǎng)時(shí)間壓縮后，結(jié)構(gòu)層間的摩擦力增加，導(dǎo)致了艙體未能按預(yù)期展開。在幾天后再次進(jìn)行展開實(shí)驗(yàn)，采用慢充壓的策略，艙體在氣壓作用下緩慢展開。

圖2 畢格羅充氣艙

在軌充氣展開后，航天員打開艙門、進(jìn)入到密封艙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了充氣密封艙的載人應(yīng)用。為了得到充氣密封艙艙內(nèi)環(huán)境，航天員定期進(jìn)入艙內(nèi)，對(duì)艙內(nèi)氣體環(huán)境、輻射劑量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以評(píng)估充氣密封艙載人應(yīng)用的安全性。

隨著充氣式太空艙技術(shù)的突破性發(fā)展，NASA還打算將充氣式艙體這一共性技術(shù)應(yīng)用到深空探測(cè)任務(wù)中。

1.2 國(guó)內(nèi)研究情況

國(guó)內(nèi)在充氣式載人密封艙方面的研究起步較晚，主要是中國(guó)空間技術(shù)研究院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)等單位開展相關(guān)研究。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)在剛化技術(shù)、仿真分析技術(shù)、成型技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了進(jìn)展，研制了不同結(jié)構(gòu)形式的充氣展開結(jié)構(gòu)模型和月球基地模擬件。2013年，與北京空間機(jī)電研究所聯(lián)合完成“充氣式重力梯度桿”研制并進(jìn)行了在軌試驗(yàn)應(yīng)用[8]，突破薄膜結(jié)構(gòu)控制展開等技術(shù)。2021年，研制了可用于太空垃圾收集的充氣艙[9]，艙體蒙皮結(jié)構(gòu)由氣密層、承壓層和防護(hù)層組成，氣囊結(jié)構(gòu)通過了壓力試驗(yàn)考核，并對(duì)艙體折疊和展開性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

浙江大學(xué)等高校在平面薄膜和充氣薄膜結(jié)構(gòu)的折疊建模和展開動(dòng)力學(xué)仿真方面做了較多工作[10-12]：對(duì)充氣薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并采用彈簧質(zhì)點(diǎn)法開發(fā)了展開動(dòng)力學(xué)分析程序，模擬了平面薄膜面陣和充氣展開天線的展開動(dòng)力學(xué)行為。

北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部從2014年開展了充氣密封艙樣機(jī)研制工作，先后突破了剛?cè)徇B接、柔性結(jié)構(gòu)承壓等關(guān)鍵技術(shù)。2018年，研制了我國(guó)首個(gè)充氣密封艙結(jié)構(gòu)工程樣機(jī)，完成地面力學(xué)、熱等環(huán)境試驗(yàn)和測(cè)試工作，2021年，將充氣密封結(jié)構(gòu)的技術(shù)成果應(yīng)用到某載人預(yù)研型號(hào)中，柔性密封得到了進(jìn)一步考核。

1.3 小結(jié)

從國(guó)外充氣密封艙的發(fā)展和國(guó)內(nèi)研究情況來看，我國(guó)充氣密封艙在工程應(yīng)用之前，還需要針對(duì)柔性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和載人任務(wù)的需求，從充氣展開功能入手，結(jié)合密封和長(zhǎng)壽命的要求，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，同時(shí)考慮人員居住的安全性，開展高效防護(hù)設(shè)計(jì)。

2 充氣密封艙蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

充氣密封艙結(jié)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)密封、承受內(nèi)外壓差和防護(hù)的功能。這些功能將全部由多功能柔性蒙皮結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 充氣密封艙蒙皮結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)

多功能蒙皮結(jié)構(gòu)由柔性材料組成。其中，最內(nèi)層為耐磨層，選用有一定強(qiáng)度的涂層織物材料，能保護(hù)氣密層經(jīng)受磨損、劃傷的風(fēng)險(xiǎn)；氣密層是保持充氣艙體內(nèi)部壓力的結(jié)構(gòu)層，防止氣體以滲透或流出的方式泄漏，為保證載人密封艙密封性能，氣密層材料透氣在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下每天應(yīng)不大于0.5 L/m2；承壓層包裹在氣密層外面，主要承受艙內(nèi)壓力載荷并維持充氣后的構(gòu)型，一般選用高強(qiáng)度的芳綸織物結(jié)構(gòu)，可做成整體編織結(jié)構(gòu)，為保證載人安全性，至少要能承受0.4 MPa壓力載荷；碎片防護(hù)層選用織物緩沖結(jié)構(gòu)、可折泡沫結(jié)構(gòu)和織物增強(qiáng)結(jié)構(gòu)組成的夾層結(jié)構(gòu)，滿足碎片防護(hù)需求，同時(shí)中間的泡沫結(jié)構(gòu)還能起到隔熱作用；隔熱層是減小充氣密封艙在軌飛行時(shí)軌道外熱流變化對(duì)充氣密封艙艙內(nèi)溫度波動(dòng)的影響，選用由雙面鍍鋁聚酯薄膜和滌綸網(wǎng)組成多層隔熱組件，碎片防護(hù)層需要一定的厚度以確保防護(hù)效果，一般不小于100 mm；最外層為抗輻照層，主要為了抵抗原子氧和紫外輻射對(duì)密封艙結(jié)構(gòu)的不利影響，選用帶阻燃功能的防原子氧布材料。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 高效折疊展開技術(shù)

1)非連續(xù)蒙皮的正交Z形折疊技術(shù)

“可折疊”是充氣密封艙最重要的特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有較為成熟的折疊理論主要針對(duì)較薄的平面結(jié)構(gòu)，如Miura-Ori法、葉內(nèi)折疊法和葉外折疊法等，同時(shí)國(guó)外在仿生折疊、多邊形折疊等方面都取得了一定進(jìn)展。對(duì)于充氣密封艙而言，由于有柔性防護(hù)層的存在，蒙皮厚度一般達(dá)十幾厘米或數(shù)十厘米，折痕處材料堆積嚴(yán)重，達(dá)不到理想的效果，經(jīng)典的折疊理論難以直接應(yīng)用。

充氣密封艙沿著艙體軸向折疊可采用“Z”形折疊方式。同時(shí)在預(yù)先設(shè)定的折痕處，將防護(hù)層材料斷開，只留下必要的氣密層和承壓層，如圖4所示。這種方式有效避免材料堆積。

圖4 Z形折疊

非連續(xù)蒙皮的“Z”形折疊解決了沿艙體軸線方向的高效壓縮，為了實(shí)現(xiàn)沿艙體徑向尺寸的減少，在艙體不同高度上，采用了折疊方向相互垂直的正交折疊的方法，可進(jìn)一步壓縮徑向尺寸，如圖5所示。

圖5 艙體折疊形式

折疊后，艙體軸向和徑向尺寸都會(huì)減小(h1

圖6 充氣密封艙折疊效果

設(shè)計(jì)時(shí)氣密層尺寸盡可能比承壓艙尺寸大，這樣在折疊時(shí)，氣密層不至于受到折彎拉伸效應(yīng)。承壓層為纖維編織帶結(jié)構(gòu)，可能會(huì)發(fā)生纖維屈曲現(xiàn)象、甚至是分層破壞，需要進(jìn)行損傷評(píng)估。

2)展開動(dòng)力學(xué)仿真分析

針對(duì)充氣密封艙常采用Z形折疊方式，可采用ABAQUS等軟件對(duì)展開過程進(jìn)行仿真模擬。

建模時(shí)，充氣艙蒙皮結(jié)構(gòu)采用薄膜單元。對(duì)流體腔進(jìn)行設(shè)置，激活流體壓力自由度，實(shí)現(xiàn)流體壓強(qiáng)和結(jié)構(gòu)壁面之間的耦合。由于薄殼單元在外力作用下會(huì)發(fā)生較大的位移，且位移對(duì)載荷大小、持續(xù)時(shí)間、施加方式很敏感，為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算過程收斂，仿真分析時(shí)采用逆向方式進(jìn)行模擬，即首先建立艙體展開到位狀態(tài)的模型，如圖7所示，在折疊折痕處、用氣壓模擬“折疊力”對(duì)艙體進(jìn)行分布加載，使艙體在外力作用下逐步完成折疊，如圖8所示。充氣展開是折疊過程的逆過程，充氣展開過程與氣體壓力正相關(guān)。仿真分析預(yù)示了艙體展開運(yùn)動(dòng)情況，也為艙體折疊設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算依據(jù)。

圖7 充氣密封艙動(dòng)力學(xué)建模

圖8 充氣密封艙展開動(dòng)力學(xué)分析

上述仿真過程未考慮蒙皮厚度、艙內(nèi)殘余氣體、剛性件等參數(shù)的影響，在后續(xù)研究時(shí)，還將結(jié)合具體的工程實(shí)際參數(shù)，結(jié)合試驗(yàn)、開展更為精密的仿真分析，研究材料參數(shù)、充氣速率等參數(shù)對(duì)展開動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律，分析不同折疊應(yīng)力狀態(tài)下的展開過程。

3.2 低漏率密封技術(shù)

氣密層材料和連接環(huán)節(jié)是充氣密封艙泄漏的主要環(huán)節(jié)。其中氣密層材料是低漏率密封的基礎(chǔ)，通常選用涂層織物的復(fù)合材料或者聚氨酯薄膜材料。這類柔性材料為高分子結(jié)構(gòu)，彈性好，分子致密，氣密性較好。氣密層結(jié)構(gòu)拼接處采用高溫?zé)岷系姆绞竭M(jìn)行連接，確保材料連續(xù)性和拼接處的密封。

剛?cè)徇B接環(huán)節(jié)，采用柔性密封壓緊設(shè)計(jì)方案，如圖9所示?？紤]到氣密層較薄，在密封設(shè)計(jì)時(shí)，選用模量較低的橡膠密封圈，氣密膜和密封圈之間相互擠壓產(chǎn)生適中的密封接觸應(yīng)力以保證氣密性。密封接觸面寬度一般應(yīng)大于5 mm，接觸應(yīng)力在2～5 MPa之間。

圖9 剛?cè)徇B接設(shè)計(jì)

為了對(duì)氣密層設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，選擇4種不同的氣密層材料制作了包含剛?cè)徇B接環(huán)節(jié)的氣密層結(jié)構(gòu)樣件，模擬艙內(nèi)外壓差0.1 MPa情況下，測(cè)試產(chǎn)品的氣密性。

設(shè)計(jì)如圖10所示的氣密層結(jié)構(gòu)漏率測(cè)試系統(tǒng)，氣密層安裝在金屬法蘭上，金屬法蘭與檢漏充氣室相連。試驗(yàn)時(shí)，檢漏室充0.1 MPa氦氣，通過氣密層泄漏的氣體將最終通過金屬法蘭上的孔向外泄漏至氦氣收集室內(nèi)，通過收集室內(nèi)的氦氣濃度計(jì)算漏率值。

圖10 氣密檢漏測(cè)試

氣密測(cè)試結(jié)果見表1，從表中結(jié)果看出：

表1 氣密測(cè)試結(jié)果

相同氣密層結(jié)構(gòu)各子樣測(cè)試數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，說明剛?cè)徇B接設(shè)計(jì)是可靠的。

熱塑性聚氨酯(TPU)膜結(jié)構(gòu)氣密性在10-7Pa·m3/s量級(jí)左右，密封性能好；涂層織物結(jié)構(gòu)子樣1和2的氣密性在10-5Pa·m3/s量級(jí)，密封性能良好。兩種結(jié)構(gòu)形式均可滿足使用要求。類比計(jì)算，一個(gè)直徑2 m左右的充氣密封艙泄漏量可控制在0.05 kg/天，可滿足載人密封艙的氣密性要求。

3.3 長(zhǎng)壽命承壓設(shè)計(jì)技術(shù)

充氣艙承壓層長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)首先要根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定充氣艙的展開尺寸，然后由薄壁密封艙經(jīng)典應(yīng)力公式計(jì)算出織帶的受力情況。對(duì)于柔性織帶，通常不采用應(yīng)力來評(píng)估其強(qiáng)度和蠕變壽命，而是采用單位寬度載荷來描述和評(píng)估，因此還需要將經(jīng)典公式計(jì)算的應(yīng)力值轉(zhuǎn)換為織帶的單位寬度載荷。

承壓層結(jié)構(gòu)工作時(shí)始終經(jīng)受內(nèi)壓產(chǎn)生的拉伸載荷，長(zhǎng)期工作狀態(tài)下，承壓層不可避免產(chǎn)生蠕變，影響承壓層的壽命，因此織帶蠕變性能直接影響艙體結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)壽命。充氣密封艙承壓層長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)技術(shù)流程如圖11所示。主要分為承壓織帶壽命特性研究和充氣密封艙壽命評(píng)估兩條途徑[13-14]，其中織帶的蠕變壽命特性是充氣艙壽命評(píng)估的基礎(chǔ)。

圖11 長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)技術(shù)流程

針對(duì)承壓層常用的維克特拉聚芳酯纖維(Vectran)織帶、高強(qiáng)滌綸織帶開展了蠕變?cè)囼?yàn)。試驗(yàn)載荷為織帶拉伸強(qiáng)度值的50%，其中Vectran織帶加載1296 N，滌綸織帶加載826 N。分別記錄了第25天、50天、75天、125天、175天的蠕變量。

試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，圖中V1、V2、V3代表Vectran織帶3個(gè)子樣，D1、D2代表滌綸織帶2個(gè)子樣。從兩種織帶蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果看出：

圖12 不同織帶蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

(1)兩種織帶的蠕變量隨時(shí)間變化呈對(duì)數(shù)關(guān)系變化，開始變化快，到50天后，逐漸趨于平緩；

(2)相同時(shí)間下，Vectran織帶蠕變比滌綸織帶的蠕變小50%；

(3)75天后，Vectran織帶蠕變量很小，100天內(nèi)的變化率小于2‰。

在進(jìn)行充氣密封艙長(zhǎng)壽命承壓設(shè)計(jì)時(shí)，首先需確保承壓織帶受力小于其極限強(qiáng)度的一半，優(yōu)選Vectran織帶作為承壓層。

3.4 全柔性防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)

針對(duì)充氣密封艙的技術(shù)特點(diǎn)，碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)首先要可折、可展。擬采用全柔性的空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)來滿足防護(hù)功能要求。防護(hù)結(jié)構(gòu)由多層緩沖屏和彈性支撐層組成。其中緩沖屏位于外層，可選擇玄武巖纖維和芳綸纖維復(fù)合而成：玄武巖纖維可破碎空間碎片，高強(qiáng)芳綸纖維對(duì)碎片進(jìn)行進(jìn)一步阻擋。

多個(gè)緩沖屏之間填充聚氨酯泡沫作為彈性支撐層。發(fā)射時(shí)，壓縮緩沖屏間的聚氨酯泡沫，以縮減防護(hù)結(jié)構(gòu)體積，實(shí)現(xiàn)折疊并被壓緊；入軌解鎖后，泡沫恢復(fù)初始高度，起到支撐緩沖屏、保持防護(hù)間距的作用，如圖13所示。同時(shí)，泡沫選用熱控泡沫材料，兼具溫控和支撐作用。為進(jìn)一步減重和增加可壓縮性，可以在泡沫中挖孔，不影響其膨脹支撐作用。

圖13 壓縮和展開示意圖

針對(duì)玄武巖和芳綸組成的防護(hù)結(jié)構(gòu)開展了功能驗(yàn)證試驗(yàn)工作，功能驗(yàn)證對(duì)試驗(yàn)件狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化。前3層為緩沖屏，每層由4層玄武巖布組成，最后一層為后墻，由12層芳綸布組成。各層之間的間距用剛性支柱隔開，如圖14所示。

圖14 高速撞擊試驗(yàn)件

共開展了5次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2，除低速撞擊試驗(yàn)件S-2的后墻被擊穿外，其余撞擊試驗(yàn)均未能完全擊穿芳綸織物后墻[15]。試驗(yàn)初步驗(yàn)證了全柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)空間碎片的防護(hù)是有效的。

表2 柔性結(jié)構(gòu)高速撞擊試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論與展望

本文通過分析充氣密封艙在軌應(yīng)用的基本功能需求和產(chǎn)品特點(diǎn)，歸納了關(guān)鍵技術(shù)，目前充氣密封艙結(jié)構(gòu)高效折疊展開技術(shù)、低漏率密封技術(shù)、長(zhǎng)壽命承壓設(shè)計(jì)技術(shù)、全柔性防護(hù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)已基本突破，各項(xiàng)性能指標(biāo)能滿足載人密封艙對(duì)艙體結(jié)構(gòu)的需求。

為實(shí)現(xiàn)工程化實(shí)施目標(biāo)，后續(xù)可從以下幾方面繼續(xù)開展研究：

(1)對(duì)柔性結(jié)構(gòu)折疊后的材料損傷情況進(jìn)行評(píng)估；

(2)從載人安全性出發(fā)，開展材料耐空間環(huán)境性能研究；

(3)對(duì)柔性結(jié)構(gòu)的承載和剛化進(jìn)行研究，進(jìn)一步擴(kuò)寬充氣密封艙的應(yīng)用場(chǎng)景。