可組裝輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)技術(shù)研究進展

熊 健，龔 程，韋興宇，李志彬

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國家級重點實驗室，哈爾濱 150080)

0 引 言

隨著航空航天任務(wù)的發(fā)展，對有效載荷的大規(guī)?；枨笥l(fā)明顯[1-3]。大型空間結(jié)構(gòu)技術(shù)作為衡量各國空間技術(shù)的重要指標，受到各個航天大國的高度關(guān)注。迄今為止，美國為首的航天強國資助了多項空間結(jié)構(gòu)技術(shù)研究項目，提出了針對天文望遠鏡、大規(guī)模太陽能電池陣列、大型遮陽/隱星罩及行星勘探部組件等大尺寸空間結(jié)構(gòu)的太空建構(gòu)方案[4-6]，構(gòu)建了從方案設(shè)計到關(guān)鍵技術(shù)地面驗證再到在軌驗證的空間結(jié)構(gòu)技術(shù)研發(fā)體系，例如，美國的Dragonfly項目實現(xiàn)了大尺寸高精度機械臂的地面模擬太空環(huán)境的演示試驗；美國的韋伯望遠鏡實現(xiàn)了在軌展開重構(gòu)。相比于國外大尺寸空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究，國內(nèi)起步較晚，相關(guān)支撐項目主要以預(yù)研探索為主。中國空間技術(shù)研究院西安分院開展了大型天線的在軌組裝研究[7]，闡述了單元拼接構(gòu)造大尺寸天線的設(shè)計方法，研究了在軌組裝和地面演示試驗方案。上海宇航系統(tǒng)工程研究所[8]研究了大尺寸空間膜式展開結(jié)構(gòu)，通過理論研究建立了薄膜結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型和在軌參數(shù)辨識。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院郭宏偉團隊陶磊[9]采用機械機構(gòu)形式構(gòu)造了空間可展開模塊化單元，并通過機械接口實現(xiàn)了在軌組裝方案的數(shù)值模擬演示。上述研究表明，組裝和展開是當(dāng)前大尺寸空間結(jié)構(gòu)的通用構(gòu)建方法。如今，中國的大尺寸空間結(jié)構(gòu)技術(shù)仍停留于概念性設(shè)計與實驗室驗證階段，離其工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化還有較長距離。

此外，當(dāng)前大部分在軌的大尺寸空間結(jié)構(gòu)主要依賴于內(nèi)部驅(qū)動和控制系統(tǒng)展開重構(gòu)。常見的驅(qū)動控制方法有微電機驅(qū)動、充氣驅(qū)動和智能材料驅(qū)動[10]。微電機驅(qū)動作為目前大尺寸航天結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛的空間可展開結(jié)構(gòu)的展開/關(guān)閉控制方法，有著高精度和高可靠性的優(yōu)勢；充氣驅(qū)動有著結(jié)構(gòu)形式更為簡易、質(zhì)量更輕、便于包裝發(fā)射的特點；以彈性材料和形狀記憶材料為代表性的智能材料驅(qū)動則兼具了微電機驅(qū)動和充氣驅(qū)動的優(yōu)勢，不僅具有高可控性，而且展開的驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量更輕。將柔性形狀記憶聚合物智能材料成功應(yīng)用于太陽能電池系統(tǒng)，并實現(xiàn)了在軌展開試驗[11]，進一步證實了智能材料驅(qū)動空間可展開結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。通過應(yīng)用創(chuàng)新機構(gòu)、輕質(zhì)柔性材料、功能-結(jié)構(gòu)一體化支撐結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了更穩(wěn)、更快、更輕的空間結(jié)構(gòu)展開控制。

但驅(qū)動和控制系統(tǒng)相較于主體結(jié)構(gòu)本身而言屬于冗余部分，占用了較多的重量份額；而且，單獨依靠單一整體結(jié)構(gòu)展開重構(gòu)形成的空間結(jié)構(gòu)尺度有限，難以達到百米級、千米級乃至更大尺度?；诮M件裝配形成更大規(guī)模結(jié)構(gòu)，開發(fā)可組裝輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)技術(shù)是滿足更大尺度構(gòu)件的必然需求。雖然快速發(fā)展的機器人技術(shù)為自主組裝大規(guī)模空間結(jié)構(gòu)提供了新的契機，以空間機械臂為代表[12]的國際空間站通過使用高精度機械臂實現(xiàn)了空間結(jié)構(gòu)的自主裝配，但尚未形成大規(guī)?？臻g結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，缺乏可組裝輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備、表征及應(yīng)用示范的完整工程體系。本文根據(jù)航空航天領(lǐng)域?qū)Υ蟪叽缈臻g結(jié)構(gòu)的需求，瞄準空間結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計、制備工藝和性能表征，概述了當(dāng)前各類可組裝輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的構(gòu)建方法，介紹了可組裝輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的典型應(yīng)用，分析并討論了各種空間結(jié)構(gòu)技術(shù)存在的優(yōu)勢和不足，最后展望了空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的未來發(fā)展方向。

1 可組裝輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)技術(shù)構(gòu)建方法

1.1 嵌鎖組裝

嵌鎖組裝作為一種將二維片層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為三維結(jié)構(gòu)的有效方法，已成功用于制備結(jié)構(gòu)形式較為簡易的格柵式蜂窩結(jié)構(gòu)[13-14]。點陣結(jié)構(gòu)作為另一種輕量化結(jié)構(gòu)形式，被認為最具有開發(fā)新一代輕質(zhì)高強多孔材料的潛力。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)進一步促進了具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的點陣結(jié)構(gòu)的發(fā)展，但由于打印機尺寸限制，這些點陣結(jié)構(gòu)尺寸較小，通常為厘米級，難以滿足航空航天部組件的尺寸需求。嵌鎖組裝方法通過切割設(shè)備加工平板制備二維嵌片結(jié)構(gòu)，再嵌鎖各二維結(jié)構(gòu)得到三維點陣結(jié)構(gòu)，簡化了制造工藝，增大了點陣結(jié)構(gòu)的制造尺寸。相比于傳統(tǒng)的模壓成型和增材制造工藝，雖然增加了工藝流程步驟，但降低了對制造設(shè)備的要求，提高了工程應(yīng)用潛力，尤其適用于航空航天結(jié)構(gòu)中廣泛使用的纖維增強復(fù)合材料[15]。

采用嵌鎖組裝方法制備輕質(zhì)高強的點陣結(jié)構(gòu)受到當(dāng)前研究人員的廣泛關(guān)注。Feng等[16]以金屬材料為母材，采用嵌鎖組裝方法設(shè)計并制備了新型沙漏型點陣結(jié)構(gòu)，試驗證明沙漏型點陣結(jié)構(gòu)相比于金字塔點陣具有更優(yōu)的力學(xué)性能。針對點陣芯子和表面蒙皮之間的接觸面積較小，容易出現(xiàn)面芯脫粘的問題，Wu等[17]進行了面芯增強型點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計，同樣采用嵌鎖組裝方法制備了相應(yīng)的實驗樣品。Dong[18]通過激光線切割鈦合金板、嵌鎖組裝后釬焊成型的方法成功制備了結(jié)構(gòu)形式更為復(fù)雜的華倫桁架式點陣結(jié)構(gòu)。針對曲面結(jié)構(gòu)，Xiong團隊[19-20]基于嵌鎖組裝方法制備點陣夾芯筒和點陣夾芯殼結(jié)構(gòu)(圖1(a))，并研究了其力學(xué)性能，證實了嵌鎖組裝方法制備復(fù)雜大尺寸空間結(jié)構(gòu)的可行性?？紤]到點陣結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用中的周期性特性，孟凡壹[21]設(shè)計了一種新型多胞元點陣結(jié)構(gòu)，采用穿孔、切割、溝槽嵌鎖及釬焊連接的工藝流程，制備了周期性多胞元的不銹鋼三維點陣結(jié)構(gòu)并開展了結(jié)構(gòu)承載性能研究，如圖1(b)所示，研究發(fā)現(xiàn)嵌片槽口的連接強度決定著整體三維點陣結(jié)構(gòu)的失效模式及承載能力。

為了充分發(fā)揮纖維增強復(fù)合材料的高比強度/比剛度優(yōu)勢，Xiong等[22]以碳纖維復(fù)合材料為原料，采用嵌鎖工藝制備并研究了金字塔和蛋殼型點陣結(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示，研究結(jié)果表明這些點陣結(jié)構(gòu)壓縮響應(yīng)曲線具有長且高的平臺階段，使得其吸能特性較其余格柵結(jié)構(gòu)更優(yōu)。Dong等[23]以碳纖維增強復(fù)合材料為基材，采用嵌鎖組裝方法制備了Octet碳纖維點陣結(jié)構(gòu)，實驗證實了Octet結(jié)構(gòu)的高各向同性力學(xué)性能。Xiong團隊Gao等[24-25]基于嵌鎖方法開發(fā)出了拉伸主導(dǎo)概念的高剛度負泊松比點陣結(jié)構(gòu)，實驗表明該結(jié)構(gòu)的剛度較同等密度的傳統(tǒng)負泊松比點陣結(jié)構(gòu)提升了2個數(shù)量級以上。并且設(shè)計的負泊松比結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性能的各向同性，具有應(yīng)用于復(fù)雜工況下的航空航天結(jié)構(gòu)的潛力。

受自然界中人骨、昆蟲殼、竹子等生物結(jié)構(gòu)存在的多層級性能增強現(xiàn)象啟發(fā)，研究人員開發(fā)了具有更優(yōu)性能的輕質(zhì)高強多級點陣結(jié)構(gòu)。熊健等[26]首次基于金字塔點陣結(jié)構(gòu)提出了波紋板-金字塔多級點陣結(jié)構(gòu)概念，在理論層次上初步研究了其失效機制和力學(xué)性能。Wu等[27]采用3D打印制備了二維波紋板-金字塔點陣結(jié)構(gòu)嵌片，再嵌鎖粘接形成三維多級點陣結(jié)構(gòu)，如圖1(d)所示。采用實驗初步評估了該多級點陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，結(jié)果表明相比于單金字塔點陣結(jié)構(gòu)，波紋板-金字塔點陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能更優(yōu)。在此基礎(chǔ)上，Wu等[28]提出了金字塔-金字塔多級點陣結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)性地建立了多級金字塔點陣結(jié)構(gòu)的失效模式和力學(xué)性能的理論模型。

圖1 嵌鎖組裝點陣結(jié)構(gòu)[20-22,25,27]Fig.1 Interlocking assembly lattice structures[20-22,25,27]

考慮到整體結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量受到加工尺寸的影響，美國麻省理工學(xué)院的Neil Gershenfeld教授在二十世紀初提出數(shù)字建造的概念[29]，具體含義為使用計算機控制工具進行建造，并采用單獨制造的離散單元結(jié)構(gòu)體來建造大尺寸空間結(jié)構(gòu)，有效解決了大尺寸空間結(jié)構(gòu)建造的高成本和低效率問題。麻省理工學(xué)院研究人員以幾何多面體結(jié)構(gòu)為原型，開發(fā)了帶嵌槽的數(shù)字點陣材料，采用結(jié)構(gòu)嵌鎖和機械連接方式將多個離散單胞組裝成米級大尺寸空間點陣結(jié)構(gòu)，如圖2所示。并針對生活中的典型應(yīng)用場景，成功開發(fā)了一系列演示性空間結(jié)構(gòu)[30-32]。這些數(shù)字建造空間結(jié)構(gòu)的材料體系囊括了金屬、聚合物以及纖維增強復(fù)合材料。試驗結(jié)果表明基于數(shù)字點陣材料和嵌鎖連接的空間結(jié)構(gòu)不僅具有模塊化、可逆性等優(yōu)勢，還具有超輕高強的特點，填補了現(xiàn)有Ashby工程材料性能圖的空白部分[33]。

1.2 堆疊組裝

考慮到現(xiàn)有嵌鎖組裝得到的復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)存在纖維不連續(xù)和溝槽的應(yīng)力集中問題，Alia團隊[34-35]采用真空輔助樹脂傳遞模塑法制備了具有連續(xù)纖維的復(fù)合材料蜂窩，實驗結(jié)果表明連續(xù)纖維蜂窩結(jié)構(gòu)較嵌鎖蜂窩結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)異的承載和吸能能力?？紤]到模塑工藝制備蜂窩結(jié)構(gòu)工序較為繁瑣，研究人員采用低成本的波紋板堆疊組裝方法制備了復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)。Pehlivan等[36]使用波紋板粘接方法制備了方形、波紋形和六邊形復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)性地研究了單元形狀和結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對蜂窩結(jié)構(gòu)的性能影響規(guī)律，實驗結(jié)果表明所制得的復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強的特點，填補了當(dāng)前Ashby工程材料強度-密度圖的空白區(qū)域。

此外，金屬薄壁圓管作為常用的吸能構(gòu)件，亦可通過將其堆疊組裝形成更大規(guī)模的空間結(jié)構(gòu)。采用堆疊組裝圓管得到的空間結(jié)構(gòu)橫向抗沖擊能力較差，結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)橫向飛濺。對此，傳統(tǒng)處理方式主要使用機械連接或粘接進行固定，無疑增加了結(jié)構(gòu)的安裝時間和制造成本。針對堆疊組裝形成的空間結(jié)構(gòu)在受沖擊過程中會遭遇零件飛濺的問題，Chen等[37]提出了一種具有啞鈴形橫截面的薄壁管結(jié)構(gòu)，通過將啞鈴形管堆疊組裝形成了更大尺寸的空間結(jié)構(gòu)，自鎖形式的結(jié)構(gòu)無需額外的約束，降低了安裝和拆卸難度。在此基礎(chǔ)上，針對啞鈴形自鎖圓管連接板較長，從而降低材料利用率的問題，Chen等[38]提出了一種波紋管自鎖的快速組裝空間結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，如圖3所示，通過實驗、理論和數(shù)值模擬研究了波紋管組裝結(jié)構(gòu)的性能，發(fā)現(xiàn)該方法既可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自鎖，又能提高材料吸能利用率，為研發(fā)防護空間結(jié)構(gòu)提供了新的技術(shù)參考。

基于數(shù)字建造技術(shù)，采用機械臂對模塊化結(jié)構(gòu)進行堆疊組裝形成空間結(jié)構(gòu)是當(dāng)前堆疊組裝的另一種有效方式。德國哈索-普拉特納研究所開發(fā)了可以建造大尺寸空間結(jié)構(gòu)的TrussFab系統(tǒng)[39]。該系統(tǒng)以塑料瓶為單元梁，通過機械連接結(jié)構(gòu)形成可承載的大規(guī)?？臻g結(jié)構(gòu)。通過在組件關(guān)鍵部位添加驅(qū)動器，搭建的TrussFormer系統(tǒng)可以進一步實現(xiàn)動態(tài)可重構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)構(gòu)造[40]。該設(shè)計思想為開發(fā)新的航天任務(wù)執(zhí)行器主體結(jié)構(gòu)提供了新的設(shè)計思路。此外，采用高自由度機械臂可以在空間中直接構(gòu)造金屬網(wǎng)模。蘇黎世聯(lián)邦理工研究人員通過對機械臂末端執(zhí)行器的定制化設(shè)計，實現(xiàn)了機器人在空間中對鋼絲網(wǎng)進行切割、彎曲及焊接，堆疊形成了作為多孔模板的三維點陣結(jié)構(gòu)[41-43]，如圖4所示。進一步澆筑混凝土可形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的建筑物，有望取代現(xiàn)有的建筑物建造方式。其內(nèi)部空間點陣增強結(jié)構(gòu)除使用鋼絲外，還可以使用聚合物材料，進一步拓展了機械臂數(shù)字建造的應(yīng)用材料體系。

圖3 堆疊組裝具自鎖效應(yīng)的波紋管[38]Fig.3 Stacking assembled self-locking corrugated-tubes[38]

圖4 數(shù)字建造空間點陣網(wǎng)模[42-43]Fig.4 Digital fabricated space lattice mesh-mould[42-43]

1.3 折疊成型

基于折紙或剪紙思想的折疊成型技術(shù)具有高擴展性、可重構(gòu)的優(yōu)勢，可以有效地將二維片材在平面內(nèi)扭曲形成具有復(fù)雜曲率的三維空間結(jié)構(gòu)。當(dāng)前通過折疊成型技術(shù)開發(fā)了系列連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備，可加工金屬、芳綸紙及纖維增強復(fù)合材料等材料。這些折疊結(jié)構(gòu)具有超越自然界材料的性能，因此又被稱為超材料。折疊結(jié)構(gòu)的剛度通常是高度各向異性的，其內(nèi)部表現(xiàn)為低剛度，以匹配結(jié)構(gòu)的折疊變形模式。而在承載方向折疊結(jié)構(gòu)往往具有較高的剛度，以此來承受外部載荷[44]。由于在折疊過程中折疊處存在明顯的應(yīng)力和變形，折疊結(jié)構(gòu)對內(nèi)部形狀和使用的材料都有著較大的限制。例如，為實現(xiàn)整體的變形重構(gòu)，折疊結(jié)構(gòu)通常需要使用較大厚度差別或不同模量的材料，這無疑限制了其應(yīng)用場景。

盡管研究人員已開發(fā)了多種可重構(gòu)折疊結(jié)構(gòu)[45]，例如Miura折紙、立方點陣、馬鞍拱形、Sarrus連桿和其他圖案等，但是大多數(shù)研究尚未達到工程所需的特定應(yīng)用尺度，或者無法使用多種材料制造。而且當(dāng)前折疊結(jié)構(gòu)的研究主要集中于結(jié)構(gòu)變形，對于其在典型載荷環(huán)境下的力學(xué)性能研究較少。此外，由于極其細長的折疊面，折疊成型的空間結(jié)構(gòu)承載能力相對較弱。Xiong團隊Du等[46-47]對現(xiàn)有常規(guī)Miura折紙薄壁進行曲面化處理，得到具有更優(yōu)力學(xué)性能的Miura曲面折疊結(jié)構(gòu)，通過熱壓成型和二次粘接工藝成功制備了相應(yīng)的碳纖維折疊結(jié)構(gòu)試驗樣品，采用理論、試驗和有限元系統(tǒng)性地研究了該曲面折疊結(jié)構(gòu)的平壓、剪切和三點彎曲性能。在此基礎(chǔ)上，針對航空航天典型筒殼結(jié)構(gòu)需求，基于折疊性波紋結(jié)構(gòu)[48]、折疊性點陣[49]以及折疊性棱柱筒[50]設(shè)計方法，研究人員開發(fā)了系列筒殼空間結(jié)構(gòu)體，見圖5，評估了結(jié)構(gòu)的承載能力，并論證了其可重構(gòu)性，為當(dāng)前折疊結(jié)構(gòu)構(gòu)造空間結(jié)構(gòu)提供了新的參考思路。

在傳統(tǒng)折紙工藝基礎(chǔ)上，對被折疊的片層結(jié)構(gòu)進行切割加工預(yù)處理，再折疊形成空間結(jié)構(gòu)，有望實現(xiàn)快速大批量制備空間結(jié)構(gòu)。Wei等[51]提出了一種裁切折疊蜂窩成型工藝，將平面預(yù)浸料沿著設(shè)計的路徑進行裁切，然后對裁切的面片進行折疊形成空間蜂窩結(jié)構(gòu)。通過實驗和理論相結(jié)合的方式系統(tǒng)性地研究了復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)的面外壓縮、剪切、三點彎曲和面內(nèi)壓縮力學(xué)響應(yīng)[51-53]。結(jié)果表明使用裁切折疊法制備的蜂窩結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的力學(xué)性能，進一步拓展了當(dāng)前輕質(zhì)多孔材料庫。此外，針對當(dāng)前蜂窩結(jié)構(gòu)與包覆蒙皮結(jié)構(gòu)的弱面芯結(jié)合問題，Wei等[54]進一步提出了基于裁切折疊工藝的面芯增強型蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了包括銅、芳綸紙、不銹鋼和碳纖維復(fù)合材料在內(nèi)的多種材料體系的蜂窩結(jié)構(gòu)制備，如圖6所示，論證了折疊成型構(gòu)造空間結(jié)構(gòu)的廣泛適用性。

圖5 折疊成型筒殼結(jié)構(gòu)[48-50]Fig.5 Folding fabricated prismatic structures[48-50]

圖6 折疊成型蜂窩結(jié)構(gòu)Fig.6 Folding fabricated honeycomb structures

1.4 充氣成型

基于充氣成型的充氣式結(jié)構(gòu)以其高體積/重量比和高折疊率的特性，應(yīng)用于大尺寸空間結(jié)構(gòu)時有著十分輕巧、便于運輸和展開且成本低廉的優(yōu)勢。其通常預(yù)裝配并折疊進太空飛船，一旦太空飛船到達目的地后，抽氣后的結(jié)構(gòu)通過力學(xué)和自動進程進行展開和充氣膨脹活動。在充氣式結(jié)構(gòu)中，常用高強度織物形成一個有效的支撐系統(tǒng)，以承載所施加的外部和各種內(nèi)部荷載(如活荷載、壓力等)[55-56]。依托于國際空間站的探索性設(shè)計方案，如今已經(jīng)形成較多類型的充氣式結(jié)構(gòu)，并且正逐漸向融合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的傳感能力和內(nèi)部均壓成熟技術(shù)的充氣柔性商品研發(fā)轉(zhuǎn)變。

早期研究的充氣式結(jié)構(gòu)具有規(guī)則的幾何形狀，例如球形可充氣式結(jié)構(gòu)[57]和枕狀充氣式結(jié)構(gòu)[58]。在這些概念中，充氣式結(jié)構(gòu)的頂層和底層以及周圍側(cè)壁往往采用膜結(jié)構(gòu)包覆，內(nèi)部的復(fù)合材料支撐結(jié)構(gòu)框架可在內(nèi)部壓力損失情況下支撐充氣外殼。這些充氣式結(jié)構(gòu)設(shè)計以內(nèi)部使用體積最大化為目標，使用了具有耐壓特性的高韌性膜，制造出的模塊化單元尺寸和重量都滿足于今后空間大尺寸結(jié)構(gòu)需求。

近年來，以產(chǎn)品研發(fā)為目標的充氣式結(jié)構(gòu)技術(shù)體系愈發(fā)完整。美國ILC多佛公司設(shè)計并測試了一個圓柱體的充氣式結(jié)構(gòu)[59]，如圖7(a)所示，其由兩端的剛性結(jié)構(gòu)和中間的柔性部件組成。柔性部件在運輸過程中可折疊于兩端，展開后整體結(jié)構(gòu)長度變?yōu)槌跏奸L度的2倍。該結(jié)構(gòu)采用了獨特的織物葉瓣系統(tǒng)，與類似的金屬結(jié)構(gòu)相比，其體積更大，重量更輕。約束層使用帶網(wǎng)結(jié)構(gòu)與涂層織物，可承受高達62 kPa的壓力負荷。充填和展開試驗初步評估了該充氣式柔性結(jié)構(gòu)的各項性能，為下一步的柔性產(chǎn)品與硬端蓋集成的全壓力測試、內(nèi)部舾裝和現(xiàn)場作業(yè)做好準備。美國馬里蘭大學(xué)航空航天工程系為NASA設(shè)計、制作并測試了一個外觀類似于蒙古包的全尺寸充氣上層棲息地演示單元(HDU)[60]，如圖7(b)所示。該充氣式結(jié)構(gòu)將通過NASA沙漠研究和技術(shù)研究D-RATS計劃，納入未來的模擬現(xiàn)場測試。該結(jié)構(gòu)有一個直徑5 m的圓形覆蓋區(qū)域，內(nèi)部容積為60 m3，在不加壓的情況下可保持其形狀。充氣外殼還包括一個模擬輻射防護層和一個隔熱層，并能夠抵抗80 km/h的風(fēng)速。該單元模塊的總質(zhì)量為372 kg。

圖7 充氣式結(jié)構(gòu)演示樣品[59-60]Fig.7 Inflatable Structure Demonstration Samples[59-60]

1.5 張拉整體成型

由一組連續(xù)的拉桿和連續(xù)或不連續(xù)的壓桿張拉整體成型的具有自應(yīng)力、自支撐的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)即為張拉整體結(jié)構(gòu)。張拉整體結(jié)構(gòu)由桿和粗紗網(wǎng)組成，當(dāng)網(wǎng)線受拉會施加預(yù)應(yīng)力到桿上，從而得到具有拓撲形狀和一定剛度的空間體。其最終形狀中的各個桿之間沒有相互連接。不完全像充氣式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)完整性不依賴于內(nèi)部壓力，但卻有內(nèi)部應(yīng)力支撐整體結(jié)構(gòu)(充氣式結(jié)構(gòu)由氣體產(chǎn)生內(nèi)壓，張拉整體結(jié)構(gòu)則是桿預(yù)應(yīng)力拉伸網(wǎng)線)的共同點[61]。由于張拉整體結(jié)構(gòu)具有大面積覆蓋、輕質(zhì)、可重構(gòu)及快速建造的特性，相比于其它空間結(jié)構(gòu)形式，張拉整體結(jié)構(gòu)易于運輸和安裝。并且由于其承載通過拉力形式，較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)可有效建造更大跨距的結(jié)構(gòu)。這使得張拉整體結(jié)構(gòu)成為太空大尺寸結(jié)構(gòu)中最受歡迎的結(jié)構(gòu)類型之一[62-63]。

Sultan等[64]提出了基于張拉整體結(jié)構(gòu)的太空望遠鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，成功替換了傳統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)。該類設(shè)計優(yōu)點在于沒有桿對桿接頭，且結(jié)構(gòu)重量明顯降低，這非常有利于太空應(yīng)用。Tibert[65]提出了一種新的可展開雙穩(wěn)態(tài)的張拉整體性結(jié)構(gòu)，如圖8(a)所示，系統(tǒng)性地研究了其靜態(tài)力學(xué)性能與穩(wěn)定性，制備相關(guān)試驗樣品并開展了展開試驗，如圖8(b)所示，證實了張拉整體性結(jié)構(gòu)應(yīng)用于太空結(jié)構(gòu)的可行性。這對于今后大尺寸空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)造提供了良好的技術(shù)支撐。Khaled等[66]設(shè)計了基于張拉整體結(jié)構(gòu)的微型鉆機，鉆孔試驗論證了輕型張拉整體結(jié)構(gòu)用于太空鉆井系統(tǒng)的可行性。采用張拉結(jié)構(gòu)提高了鉆機的移動性，降低了鉆井成本，這對于今后將張拉整體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工程器械空間結(jié)構(gòu)提供了一個良好的應(yīng)用模板。

圖8 雙穩(wěn)態(tài)張拉整體結(jié)構(gòu)[65]Fig.8 Bi-stable tensegrity structure[65]

2 可組裝輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)技術(shù)航空航天應(yīng)用

與傳統(tǒng)的固定式空間結(jié)構(gòu)相比，可組裝空間結(jié)構(gòu)由于具有可重構(gòu)特性，更適合于大規(guī)模建造大尺寸航空航天結(jié)構(gòu)。考慮到運輸成本，結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計同樣是空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求。在之前的內(nèi)容中本文介紹了各種空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究現(xiàn)狀。本節(jié)針對具體應(yīng)用案例，選取具有代表性的太空建造、月面棲息地和近空間飛行器三個方面來論述其應(yīng)用現(xiàn)狀。

2.1 太空建造

在地外進行制造加工或自主組裝形成大尺寸空間結(jié)構(gòu)(例如空間天文觀測平臺、大規(guī)模太陽能電池陣列、大型遮陽/隱星罩及行星勘探部組件)的太空建造技術(shù)作為未來深空探測任務(wù)的重大需求，以美國航空航天局NASA和歐洲航天局ESA牽頭的關(guān)于太空建造項目正如火如荼地開展。當(dāng)前太空建造技術(shù)主要體現(xiàn)在制造和裝配兩個方面，見圖9。結(jié)構(gòu)裝配包括內(nèi)部驅(qū)動重構(gòu)和外部機器人輔助裝配[67]，典型的如機器人系統(tǒng)的空間自主組裝。在制造方面，空間在軌增材制造技術(shù)作為當(dāng)前太空制造技術(shù)的典型代表，已取得在軌驗證重大突破。

圖9 現(xiàn)有的太空建造技術(shù)Fig.9 Existing in-space construction technologies

考慮到當(dāng)前航天器(除國際空間站外)都以一體形式通過運載火箭發(fā)射到預(yù)定位置使用，這無疑限制了航天器的重量、尺寸和性能。NASA在2015年發(fā)布了“大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)太空裝配”SALSSA項目[4]，以實現(xiàn)太空中大尺寸空間結(jié)構(gòu)的模塊化自主組裝為目標。該項目主要集中于數(shù)字材料、結(jié)構(gòu)組裝和制造概念、結(jié)構(gòu)連接方法、機器人組裝和操作等領(lǐng)域。同期的還有旨在實現(xiàn)機器人組裝在軌衛(wèi)星的太空機器人制造與裝配的Dragonfly項目[5]和以空間結(jié)構(gòu)制造與裝配一體化為目標的Archinaut項目[6]。經(jīng)過數(shù)年發(fā)展，NASA已成功開發(fā)了系列太空技術(shù)，如長距離操縱肌腱驅(qū)動的輕型空間機械手(TALISMAN機械臂)、智能精密夾具機器人(IPJR機器人)以及電子束焊接技術(shù)等，完成了機械臂和機器人原型機地面演示試驗。針對當(dāng)前太空結(jié)構(gòu)對先進輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)的需求，NASA LaRC研究人員將碳納米管紗線和工程塑料相結(jié)合開發(fā)了一種可用于3D打印的多功能輕質(zhì)復(fù)合材料[68]；NASA ARC研究人員基于機器人平臺，將由碳纖維增強復(fù)合材料制成的數(shù)字材料進行機械嵌鎖組裝得到大尺寸空間點陣結(jié)構(gòu)，可用于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中[69]，例如太空望遠鏡。

德國在2010年啟動了用于在軌衛(wèi)星服務(wù)和組裝的智能構(gòu)建模塊的iBOSS項目。該項目開發(fā)的各個模塊iBLOCK類似于樂高積木，其以機械臂為執(zhí)行器，對各個模塊的立方體衛(wèi)星進行堆疊組裝，從而形成更大規(guī)模的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。在2018年對核心技術(shù)已完成了地面演示試驗。針對當(dāng)前各個模塊結(jié)構(gòu)組裝時對接口的需求，研究人員依托iBOSS項目開發(fā)了智能空間系統(tǒng)接口[70]，該接口的標準化和模塊化處理為今后開發(fā)不局限于衛(wèi)星的空間結(jié)構(gòu)提供了良好的參考。針對小型衛(wèi)星可展開天線、輻射器以及太陽能電池板的緊湊結(jié)構(gòu)需求，NASA聯(lián)合德國航空太空中心DLR開發(fā)了較傳統(tǒng)金屬材料更輕的折疊成型復(fù)合材料吊桿，完成了五個大約5英寸高、54英尺長的復(fù)合材料吊臂的制造，并將復(fù)合材料臂架與工程模型臂架展開機構(gòu)一起進行了包裝和展開測試[71]。

此外，太空增材制造技術(shù)作為太空原位建造的一項舉措，依托于地面較為成熟的增材制造技術(shù)體系，目前已經(jīng)完成了聚合物、金屬和復(fù)合材料的在軌驗證加工，實現(xiàn)了以熔融沉積工藝、光固化和粉末燒結(jié)為代表的太空增材制造，論證了太空微重力環(huán)境下逐層添加制造的可行性。盡管微重力環(huán)境通過影響粉末和液滴材料的堆積過程進而影響制品的成型質(zhì)量，但通過添加粘結(jié)劑對打印材料改性，可有效改善制品成型質(zhì)量[72]。

2.2 月面棲息地

作為后續(xù)深空探測任務(wù)的必然需求，行星棲息地的建造不僅需要考慮到行星自身的環(huán)境條件，還需要綜合考慮建造成本和技術(shù)成熟度。以月面棲息地建造為代表，考慮到月面晝夜大溫差、高頻長時月震的環(huán)境特點，結(jié)合基地建設(shè)成本和后期維護的便利性需求，對于月面棲息地的總體設(shè)計要求為：輕質(zhì)、可擴展、裝配工作量小、模塊化、耐久性好、安全可靠和快速構(gòu)造。對此，世界各國尤其是歐美國家對于月面棲息地建造提出了眾多技術(shù)方案。自阿波羅登月之后，經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，各類技術(shù)方案經(jīng)過初步構(gòu)想到演示試驗再到空間站在軌測試，形成了較為完整的棲息地建造體系。中國當(dāng)前對于月面棲息地建造的研究仍停留于構(gòu)想或?qū)嶒炇页醪皆u估階段。隨著中國探月工程四期任務(wù)的推進，對于月面棲息地的建造技術(shù)需求愈發(fā)明顯，科技部“十四五”重點研發(fā)計劃明確了相關(guān)任務(wù)。按照材料來源，月面棲息地建造可分為兩類，一方面為就地利用月壤的原位制造，其加工方式為典型的增材制造。依托機器人平臺，對原位制造得到的模塊化組件進行嵌鎖或堆疊組裝從而形成月面棲息地[73]，如圖10(a)。另一方面是在地球運輸材料到月球上進行組裝，具體表現(xiàn)形式有傳統(tǒng)模塊化棲息地、充氣式結(jié)構(gòu)和張拉整體結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)的模塊化月面棲息地概念采用金屬鋁合金模塊堆疊組裝方式，整體質(zhì)量較大。以Grandl提出的概念[74]為參考，如圖10(b)所示，結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量約為10.2 t，搭建整個月球基地，載重12 t的阿里安5 ESC-B火箭需要飛11次，而且還需要大型設(shè)備吊裝。因而，基于運載和輕質(zhì)需求的充氣式結(jié)構(gòu)受到關(guān)注。Chow等[55]提出一種帶結(jié)構(gòu)泡沫的雙層殼體可充氣膜結(jié)構(gòu)概念。在這個概念中，結(jié)構(gòu)形式采用雙層復(fù)合織物，內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)泡沫，建造時需將月面棲息地的表面整平，然后將未膨脹的結(jié)構(gòu)鋪在表面上。一旦環(huán)形子結(jié)構(gòu)充氣，泡沫被注入充氣模塊。該結(jié)構(gòu)輕巧便攜，易于展開且成本較低。美國多佛公司開發(fā)的可展開圓柱體充氣式結(jié)構(gòu)[59](圖10(c))經(jīng)過軟物接口、織帶和約束氣囊的組裝測試，驗證了該充氣模塊的有效性。其同樣具有高包裝效率(結(jié)構(gòu)完全展開的體積與運輸時的體積比)，有利于火箭運輸。美國馬里蘭大學(xué)開發(fā)的全尺寸充氣上層棲息地起始概念經(jīng)過實驗檢驗后，確定了最終配置[60]。團隊在設(shè)計過程中對該棲息地單元進行了一系列的分析研究以及實驗測試，包括織物拉伸強度測試、風(fēng)洞測試、各種結(jié)構(gòu)原型和模型的流體靜力測試，以及其所有關(guān)鍵部分的有限元分析。內(nèi)部布局包括四個獨立的睡眠區(qū)，一個多功能的娛樂/醫(yī)療區(qū)，其具備存儲空間、窗戶、照明、通風(fēng)、緊急出口和電源插座等一系列生活必需條件。該類設(shè)計方案較為完善地構(gòu)建了月面棲息地建筑體系，對于當(dāng)前充氣式結(jié)構(gòu)棲息地建設(shè)方案提供了良好參考。

考慮到充氣式結(jié)構(gòu)的承載能力有限，丹麥工程師依托于地面建筑設(shè)計方式，將啟發(fā)于折紙藝術(shù)的折疊結(jié)構(gòu)應(yīng)用于月面棲息地建筑設(shè)計[75]，通過密封的柔性接縫連接各薄鋁板，開發(fā)了便于運輸、結(jié)構(gòu)緊湊的折疊型月面建筑LUNARK，如圖10(d)。并于2020年底在格陵蘭島北部寒冷多風(fēng)區(qū)域進行了實地測試，結(jié)果表明該建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)良好，可以維持室內(nèi)舒適的溫度。通過內(nèi)部桿張拉力控制的張拉整體結(jié)構(gòu)亦可作為另一套備選方案。張拉整體結(jié)構(gòu)形成的穹頂可以覆蓋非常大的區(qū)域，且在它們的周圍只需要最小的支撐[76]。在較小的地基上懸空于地面之上的結(jié)構(gòu)，使得這些懸空結(jié)構(gòu)在某些地區(qū)可避開陸地的限制，可有效應(yīng)對崎嶇未知地形。而且由于優(yōu)良的彈性能力使得張拉整體結(jié)構(gòu)可以耐受較大的結(jié)構(gòu)沖擊，這對于月震頻發(fā)的月面棲息地建造有著積極意義。

圖10 現(xiàn)有月面棲息地設(shè)計方案[59,73-75]Fig.10 Existing design schemes of lunar habitat[59,73-75]

數(shù)字復(fù)合材料作為新興的結(jié)構(gòu)材料，有著輕質(zhì)、模塊化和可快速組裝的特點，非常契合月面棲息地的總體設(shè)計要求，可有效取代當(dāng)前地球發(fā)射預(yù)組裝硬件、再重構(gòu)建造的方案。NASA聯(lián)合美國休斯頓大學(xué)和麻省理工學(xué)院開展了自動可重構(gòu)任務(wù)自適應(yīng)數(shù)字裝配系統(tǒng)ARMADAS項目。該項目成功開發(fā)了可自主組裝材料，制造了各種尺寸、形狀的功能結(jié)構(gòu)件。在2021年最新進展報道中，開展了地面演示試驗，采用機器人自主構(gòu)建了由數(shù)百個零件組成的大尺寸空間結(jié)構(gòu)。

2.3 近空間飛行器

近年來，近空間飛行器由于其獨特的空間巡航位置，有著快速的信息支援和物資投送優(yōu)勢，受到研究人員們的廣泛關(guān)注，其包括了高空氣球、平流層飛艇、平流層無人機以及高超聲速飛行器在內(nèi)的多種飛行器。作為結(jié)構(gòu)主體需求，輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)技術(shù)在開發(fā)各類新型近空間飛行器發(fā)揮著重要作用。此處，以高空氣球和平流層無人機為例，介紹輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的具體應(yīng)用現(xiàn)狀。

考慮當(dāng)前充氣式結(jié)構(gòu)技術(shù)較為成熟，其被廣泛應(yīng)用于氣球和飛艇。針對超壓平流層氣球的需求，除了對更輕更韌的膜結(jié)構(gòu)進行研究外，對于氣球結(jié)構(gòu)形式也展開了相關(guān)研究，日本宇宙科學(xué)研究所ISAS在2000年提出了一種南瓜狀的加壓氣球設(shè)計[77]，其中心線長度匹配于側(cè)部的密封線，降低了充氣過程中薄膜在密封線處的壓力，解決了氣球負載帶之間的薄膜膨脹受限的問題。在2010年，采用有限元分析了南瓜超壓氣球的膨脹過程，并使用該結(jié)構(gòu)形式設(shè)計和制造了超壓氣球原型件，如圖11(a)，論證了帶葉圓柱體的南瓜型超壓氣球設(shè)計[78]。南瓜型超壓氣球結(jié)構(gòu)設(shè)計可以適用于更大的超壓，便于其在近空間開展巡航任務(wù)。

NASA開展的超長航時氣球ULDB項目中超壓氣球(圖11(b))的結(jié)構(gòu)形式同樣采用了南瓜狀外形。該超壓氣球項目的目標是創(chuàng)建一個新的飛行平臺，能夠在平流層恒定的漂浮高度(設(shè)計高度33.5 km)上飛行100天，且具有較大的有效載荷(設(shè)計目標2721 kg)，以替換成本更高的部分航天器[79]。2008年，NASA在南極洲釋放了編號591 NT的氣球，該氣球氣體容積為198212 m3，有效載荷680 kg，在30.5 km的高度完成了長達54天的航行。為了提高氣球的有效載荷，進一步擴大了氣球的直徑。在2015年，容積高達532357 m3，編號662 NT的巨型超壓氣球在33.5 km的高度平穩(wěn)地飛行了32天；與662 NT相同大小的669 NT氣球在2016年測試中，搭載了一個重量為2268 kg的康普頓光譜儀和成像儀，完成了在平流層中飛行47天的任務(wù)[80]。該超壓氣球可耐受氣候變化所帶來的氣壓變化問題，且具有長航時和高負載的特點，這對于超壓氣球在近地空間執(zhí)行監(jiān)測、預(yù)報等任務(wù)提供了有力支撐條件。

考慮到當(dāng)前超輕材料由于制造工藝的尺寸限制，仍然限制于實驗室桌面級尺寸，而平流層無人機有效載荷小，亟需米級的超輕質(zhì)高強度材料。Cramer等[32]開發(fā)了一種可編程材料系統(tǒng)，將建造模塊分成點陣結(jié)構(gòu)、接口和蒙皮三大類，通過嵌鎖和堆疊組裝方式可應(yīng)用于大尺寸、超輕和符合空氣動力學(xué)的結(jié)構(gòu)。采用注塑工藝制備了模塊化、點陣基超輕材料，其彈性模量約為2.6 MPa，表觀密度和典型的氣凝膠相當(dāng)(5.6 kg/m3)，并開發(fā)了一個典型的4.27 m大翼展飛行器的主體結(jié)構(gòu)，如圖11(c)。相比于當(dāng)前其他點陣結(jié)構(gòu)制造工藝，離散化的數(shù)字材料在大尺寸空間結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢更加明顯。該超輕飛行器結(jié)構(gòu)的研發(fā)進一步凸顯了模塊化、超輕多孔材料在未來航空航天大尺寸空間結(jié)構(gòu)研究的重要地位。

圖11 近空間飛行器空間結(jié)構(gòu)設(shè)計[32,78,80]Fig.11 Space structure design of near-space vehicle[32,78,80]

3 技術(shù)對比及發(fā)展展望

3.1 各空間結(jié)構(gòu)技術(shù)對比

此處，通過對各種空間結(jié)構(gòu)技術(shù)之間的優(yōu)勢和不足對比，具體見下表1，結(jié)合航空航天空間結(jié)構(gòu)的具體應(yīng)用分析，不難發(fā)現(xiàn)各種空間結(jié)構(gòu)技術(shù)對于各類工程需求的匹配程度有差距。以月球探測任務(wù)為例，其可分為探索前期、中期和后期三個階段，前期階段主要以科研探索為主，將成功登月并短時間停留作為目標，中期階段以資源勘探為主，需要較長時間停留，到后期將變?yōu)槿祟愔趁穸ň硬㈤_采資源。盡管多種結(jié)構(gòu)形式都滿足于月面棲息地輕質(zhì)、便攜的建造需求，但考慮到結(jié)構(gòu)性能往往與使用材料有關(guān)，而不同材料又隨著其制備工藝的差距體現(xiàn)出明顯的差異性，尤其是在建造成本上。纖維增強復(fù)合材料作為當(dāng)前廣泛應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)材料，由于制備工藝，采用其為基材建造地面建筑物的高昂成本是建筑商難以接受的。但將其應(yīng)用于月面棲息地上，考慮到航天器超遠距離運輸成本的原因，反而是月面棲息地建筑物的一個良好選材。此外，混凝土作為地球建筑最廣泛使用的材料，與之相似地，基于月壤原位建造技術(shù)逐層添加制造月壤磚，進而組裝構(gòu)造月面棲息地，被認為是月球探索中后期階段的最具可行性的方案。

對于月球探索初期前哨站的建設(shè)，人們更傾向于從地球運輸?shù)皆旅孢M行組裝/展開的形式，這無疑需要結(jié)構(gòu)具有模塊化、輕質(zhì)及快速重構(gòu)等特性。金屬和復(fù)合材料嵌鎖或堆疊組裝結(jié)構(gòu)形式的月球基地結(jié)構(gòu)形式，有著較強力學(xué)性能的優(yōu)勢，例如質(zhì)輕、強度高，對小型的隕石顆粒撞擊有一定的防護作用，便于模塊化制作，易于裝配和維護。但是相比于更輕的充氣成型和張拉整體成型的結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)的地月運輸費用較高。而充氣式結(jié)構(gòu)在運輸、制造和建筑過程中要十分小心，避免膜和織物被損壞。此外，復(fù)合材料的膜結(jié)構(gòu)不能實現(xiàn)利用原位資源進行生產(chǎn)，且復(fù)合材料膜結(jié)構(gòu)難以滿足極端環(huán)境建筑的所有需求。張拉整體結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，其展開過程極易受到外部干擾而失敗。故而，具體選擇何種結(jié)構(gòu)技術(shù)需要針對具體應(yīng)用需求，并綜合考慮技術(shù)成熟度和建造成本(包括制造、運輸和建筑)。

表1 各種可組裝輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)技術(shù)對比Table 1 Comparison of various space assembled and lightweight structure technologies

3.2 未來發(fā)展方向

隨著航空航天技術(shù)的進一步發(fā)展，雖然當(dāng)前可組裝輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)技術(shù)取得長足進步，但仍存在明顯的不足，一方面，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)技術(shù)很難在地面就完成一套完備的結(jié)構(gòu)技術(shù)研發(fā)體系開發(fā)，最主要的原因就在于需求仍然不明確，而且還隨著時間在不斷變化。以月面棲息地為例，其有效驗證尚未可知，現(xiàn)有的設(shè)計方法實際設(shè)計和就地建造幾乎沒有任何實際上的聯(lián)系，這也就導(dǎo)致了現(xiàn)有的探索概念或項目難以提供一個定義良好且全面的設(shè)計問題。在缺乏這個定義情況下，任何設(shè)計概念都是單純基于設(shè)計師們自身對于設(shè)計問題的假設(shè)。另一方面，制備工藝的限制更是使得研究多集中于米級以下的小型空間結(jié)構(gòu)，難以滿足大尺寸航空航天結(jié)構(gòu)的需求。盡管數(shù)字建造概念的出現(xiàn)為構(gòu)造更大尺寸的空間結(jié)構(gòu)提供了一種新的技術(shù)思路，但是仍停留于實驗室概念演示階段，涉及的基礎(chǔ)科學(xué)問題尚未明確。通過對現(xiàn)有研究進展和航空航天應(yīng)用需求的分析，本文對未來空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展進行了如下展望：

1)人工智能集成

人工智能作為計算機科學(xué)的一個分支，其開發(fā)了模仿人類認知計算能力的機器和軟件。該技術(shù)現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于日常生活中。于材料科學(xué)家而言，人工智能也可用于新材料的開發(fā)，進而用于結(jié)構(gòu)工程和空間棲息地的建設(shè)。這項技術(shù)的使用無需復(fù)雜處理過程，最重要的是，基于人工智能的模型可以從過去的分析中進化和自我學(xué)習(xí)，以提高其預(yù)測能力。部分研究人員當(dāng)前已經(jīng)成功實現(xiàn)了人工智能和高級計算方法的結(jié)合使用，完成了本構(gòu)材料規(guī)律的推導(dǎo)，解決了建筑和結(jié)構(gòu)工程問題。進一步地，依托于元數(shù)據(jù)和云計算，可以拓寬庫存空間，顯著提高對空間環(huán)境下材料的理解，開發(fā)出更優(yōu)性能的輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)材料。

2)增材制造技術(shù)推廣

傳統(tǒng)意義上，增材制造結(jié)構(gòu)具有固定的幾何形狀，其結(jié)構(gòu)尺寸集中于微觀和介觀尺度，一體成型米級乃至更大尺寸的空間結(jié)構(gòu)受到極大限制。盡管針對大尺寸空間結(jié)構(gòu)已開發(fā)了以D成型和輪廓成型為代表的3D打印技術(shù)，但其大尺寸設(shè)備的造價昂貴，且尚未進行太空環(huán)境演示驗證。而對于其余經(jīng)過太空微重力環(huán)境加工驗證的增材制造工藝，打印結(jié)構(gòu)尺寸難以滿足實際應(yīng)用需求，如何協(xié)調(diào)加工尺度和制造成本之間的沖突是今后必然要面對的一個問題。數(shù)字建造所提出的離散數(shù)字材料組裝是當(dāng)前大尺寸空間結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種良好參考。考慮到切割工藝獲取數(shù)字材料的原料損耗頗大問題，增材制造高原料利用率可有效解決原料損耗過大問題。故而，融合增材制造技術(shù)的數(shù)字建造是未來開發(fā)大尺寸空間結(jié)構(gòu)的一個重要發(fā)展方向。

3)機器人自主裝配系統(tǒng)研發(fā)

考慮到后續(xù)大規(guī)?？臻g結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，人們已開發(fā)出自主裝配空間結(jié)構(gòu)的機器人平臺。尤其是地外未知環(huán)境的空間工程應(yīng)用，開發(fā)能夠測量、收集和處理原位資源以制造建筑材料的機器人，自主加工和建筑系統(tǒng)至關(guān)重要。機器人自主裝配系統(tǒng)不僅可以確保航天員的安全，還可最大限度地提高施工速度和均勻性，避免因人為手工操作帶來的結(jié)構(gòu)誤差。當(dāng)前該類系統(tǒng)的核心技術(shù)主要在于開發(fā)更大尺寸和更高精度的機械臂，以及類似于蟻群的多機協(xié)同作業(yè)。故而，開發(fā)多機協(xié)同作業(yè)的高穩(wěn)機器人自主裝配系統(tǒng)是今后建筑大尺寸空間結(jié)構(gòu)的一個重要發(fā)展方向。

4)全生命周期研發(fā)管理

對于當(dāng)前各類空間結(jié)構(gòu)的研發(fā)，人們往往只關(guān)心于產(chǎn)品設(shè)計、制造和應(yīng)用，對于產(chǎn)品壽命達到后的后續(xù)處理并未過多關(guān)注。實際上，這也是當(dāng)前太空垃圾充斥近地軌道的最主要原因之一?？沙掷m(xù)發(fā)展作為我國戰(zhàn)略目前已深入人心，對于研發(fā)商用化產(chǎn)品而言，全生命周期研發(fā)管理也必是今后輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)商業(yè)應(yīng)用的一項有效舉措，打破當(dāng)前各行業(yè)之間的信息壁壘，從市場需求出發(fā)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)材料、工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計，統(tǒng)籌兼顧。針對到期壽命產(chǎn)品，開發(fā)材料回收技術(shù)，實現(xiàn)原材料再利用，是未來空間結(jié)構(gòu)商用化降低其成本的重要方向。

4 結(jié)束語

可組裝輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)技術(shù)突破了現(xiàn)有固定式空間結(jié)構(gòu)技術(shù)受制于加工設(shè)備的尺寸約束，為大尺寸空間結(jié)構(gòu)的建造提供了良好的技術(shù)參考。本文概述了可組裝輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究進展，從具體的五種空間結(jié)構(gòu)技術(shù)出發(fā)，介紹了各類空間結(jié)構(gòu)技術(shù)研究現(xiàn)狀，歸納了其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并通過對比分析各技術(shù)的優(yōu)勢與不足，凝練出現(xiàn)有技術(shù)難點，對該技術(shù)的未來發(fā)展方向作出展望?？紤]到各種空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的獨有特性，其工程應(yīng)用不僅要考慮到結(jié)構(gòu)承載能力，還要兼顧技術(shù)成熟度和建造成本。快速發(fā)展的增材制造技術(shù)作為空間結(jié)構(gòu)的重要制備工藝，盡管其成型件有著尺寸限制，但基于數(shù)字建造的離散件組裝思路為增材制造技術(shù)拓寬了新視野。類似地，各類新技術(shù)(如人工智能、機器人系統(tǒng)和綠色制造)的發(fā)展也為輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用轉(zhuǎn)化提供了新的契機。