載人充氣密封艙飛行試驗(yàn)方案研究

李小琪,常 潔,黃文宣,成志忠,周志勇,從 強(qiáng)

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

1 引言

隨著中國空間站及載人登月等深空探測任務(wù)的發(fā)展,對大型密封艙段的需求日益突出,而大型剛性密封艙結(jié)構(gòu)發(fā)射體積大、重量優(yōu)勢不明顯、成本高,難以滿足航天發(fā)展需求。充氣展開式密封艙(簡稱充氣密封艙)具有重量輕、折疊效率高、展開可靠、工程實(shí)施方便等優(yōu)點(diǎn),是未來空間站擴(kuò)展艙體、月球基地建造的有效途徑之一[1]。

國外在20 世紀(jì)中葉開始充氣密封艙的研究。蘇聯(lián)的上升號載人飛船氣閘艙采用了充氣展開方案,1965年3月,航天員完成出艙活動。這是首個在軌應(yīng)用的充氣密封艙,也為后續(xù)密封艙技術(shù)發(fā)展提供了新的思路[2]。2006年～2007年,比格羅公司分別發(fā)射起源1 號和起源2 號充氣密封艙,驗(yàn)證了折疊壓緊、微重力環(huán)境下展開、剛?cè)徇B接和在軌控制等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[3]。2016年4月,比格羅可擴(kuò)展活動艙通過龍飛船上行,完成與國際空間站對接,并進(jìn)行了充氣展開,航天員定期進(jìn)入艙內(nèi)活動[4]。目前,該艙在軌穩(wěn)定運(yùn)行超過5年,獲取了大量在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)。月球上溫度等環(huán)境比近地軌道更為嚴(yán)苛,目前也尚未有充氣密封艙在月球上的應(yīng)用案例,但是只要進(jìn)一步突破材料技術(shù)和防護(hù)技術(shù),充氣密封艙憑借重量、體積優(yōu)勢,也將成為月球基地建設(shè)的一個重要途徑[5-7]。研究人員對充氣密封艙在空間站的應(yīng)用也開展了專項(xiàng)技術(shù)研究,主要包括:從空間柔性材料特性[8-9]、不同用途充氣密封艙原理樣機(jī)研制[10-12]、柔性結(jié)構(gòu)在軌健康狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)[13]、太空環(huán)境下的承壓技術(shù)[14]及展開控制技術(shù)[15]等方面。中國充氣密封艙尚未在軌飛行,對充氣密封艙在空間站上開展應(yīng)用的系統(tǒng)方案研究較少。

本文結(jié)合中國空間站運(yùn)營階段的飛行任務(wù)安排,提出了利用搭載貨運(yùn)飛船上行,分3 步進(jìn)行驗(yàn)證的飛行試驗(yàn)方案,針對每一步驗(yàn)證目標(biāo)論述充氣密封艙的總體設(shè)計,并對充氣密封艙在整個飛行任務(wù)中所經(jīng)歷的力學(xué)環(huán)境進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證。

2 飛行試驗(yàn)方案

2.1 技術(shù)基礎(chǔ)和空間站平臺資源

中國充氣密封艙技術(shù)近年來快速發(fā)展,在柔性材料技術(shù)、高效折疊技術(shù)、碎片防護(hù)技術(shù)等方面取得了一定的突破,具備開展工程樣機(jī)的研制能力。至2022年,中國空間站建造已初步完成,將進(jìn)入運(yùn)營階段,這也為充氣密封技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了一個極為便利的技術(shù)試驗(yàn)平臺。

1)中國空間站上的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺。在密封艙內(nèi)均配備了科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、艙外配備了暴露實(shí)驗(yàn)平臺,配置了多個標(biāo)準(zhǔn)載荷接口和大型載荷掛點(diǎn),可用于開展空間材料科學(xué)、生物學(xué)等多種類型的暴露實(shí)驗(yàn)或應(yīng)用技術(shù)試驗(yàn)?？臻g站節(jié)點(diǎn)艙還提供了大型密封艙段的對接口,可進(jìn)行密封艙的擴(kuò)展[16]。

2)多類型貨運(yùn)飛船上行方案。有效載荷可通過貨運(yùn)飛船上行,貨運(yùn)飛船也能提供一定的供電、信息和熱控支持。貨運(yùn)飛船有全密封、半密封和全開放3 種形式,可滿足密封運(yùn)輸物資、艙外大型載荷、實(shí)驗(yàn)平臺等運(yùn)輸需求[17]。

2.2 基于全密封貨運(yùn)飛船上行方案

2.2.1 系統(tǒng)組成

I 型充氣密封艙由柔性段(充氣密封艙本體)和剛性段構(gòu)成。剛性段內(nèi)部安裝氣瓶和氣路控制系統(tǒng);剛性段外側(cè)壁安裝用于與空間站艙外載荷掛點(diǎn)連接的適配結(jié)構(gòu)。密封艙本體采用多功能蒙皮材料,由內(nèi)而外按功能分為氣密層、承壓層、熱防護(hù)層。將在空間站完成首次充氣密封艙在軌試驗(yàn),驗(yàn)證柔性艙體解鎖與充氣展開、氣密等技術(shù)。

I 型充氣密封艙在地面利用柔性繩對艙體進(jìn)行折疊并壓緊,繩子依次上下穿過柔性艙體、相互形成穩(wěn)定的三角形狀,最終壓緊到剛性結(jié)構(gòu)上。艙體折疊狀態(tài)尺寸為Ф780 mm×580 mm,如圖1(a)所示。柔性段能在氣路系統(tǒng)控制下膨脹展開,展開成圓柱形。展開后的充氣密封艙尺寸為Ф1000 mm×1500 mm,如圖1(b)所示。

圖1 I 型充氣密封艙示意圖Fig.1 Diagram of type I inflatable capsule

2.2.2 飛行方案

為了達(dá)到驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)的目的,同時也基于現(xiàn)有飛行器方案,發(fā)射時可將I 型充氣密封艙收攏折疊安裝在全密封貨運(yùn)飛船貨物艙的貨架上并隨之上行,如圖2(a)、(b)所示。

圖2 由全密封貨運(yùn)飛船上行的充氣密封艙飛行方案Fig.2 Flight scheme of inflatable capsule transported by fully sealed cargo spacecraft

貨運(yùn)飛船與空間站對接后,航天員可進(jìn)入全密封貨運(yùn)飛船將折疊狀態(tài)的充氣密封艙轉(zhuǎn)移至空間站實(shí)驗(yàn)艙II 貨物氣閘艙內(nèi),并將充氣密封艙固定在實(shí)驗(yàn)艙II 的貨物氣閘艙的出艙機(jī)構(gòu)上。

出艙后,航天員通過操作機(jī)械臂抓取充氣密封艙剛性段上的適配結(jié)構(gòu),將充氣密封艙后轉(zhuǎn)移到空間站外的大型載荷掛點(diǎn)上,實(shí)現(xiàn)鎖緊及電氣連接,如圖2(c)所示。

充氣密封艙可在自帶氣源和控制系統(tǒng)配合下,完成在空間站上的充氣展開。展開后,可定期對充氣密封艙艙內(nèi)氣壓、溫度等進(jìn)行監(jiān)控和評估。

在軌驗(yàn)證時間為3 個月。充氣展開載荷試驗(yàn)結(jié)束后,可將充氣密封艙放氣、收攏,由機(jī)械臂將收攏后的充氣密封艙體重新帶回至空間站貨物氣閘艙。并最終由航天員將收攏狀態(tài)的充氣密封艙轉(zhuǎn)移至貨運(yùn)飛船、隨貨運(yùn)飛船再入銷毀,如圖2(d)所示。

2.3 基于半密封貨運(yùn)飛船上行方案

2.3.1 系統(tǒng)組成

在充氣密封艙充氣展開、氣密等基本功能通過在軌驗(yàn)證后,第二步可研制尺寸更大、更安全可靠的II 型充氣密封艙,通過半開放貨運(yùn)飛船上行,以進(jìn)一步驗(yàn)證高效折疊、防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù),并首次實(shí)現(xiàn)人員進(jìn)入充氣密封艙。

II 型充氣密封艙仍由剛性段和柔性段組成。剛性段主要實(shí)現(xiàn)在軌對接功能,除了側(cè)壁安裝有機(jī)械臂適配結(jié)構(gòu)外,在剛性段前端安裝有對接機(jī)構(gòu)。柔性段本體仍采用多功能蒙皮材料,在I 型充氣密封艙方案基礎(chǔ)上增加碎片防護(hù)層。II 型充氣密封艙艙體折疊狀態(tài)尺寸為Ф2300 mm ×1700 mm,如圖3(a)所示。柔性段內(nèi)安裝有彈性收攏機(jī)構(gòu),充氣展開時,隨著艙體一起展開;當(dāng)在軌艙內(nèi)放氣時,彈性收攏機(jī)構(gòu)可將艙體收攏折疊,如圖3(b)所示。

圖3 II 型充氣密封艙示意圖Fig.3 Diagram of type II inflatable capsule

2.3.2 飛行方案

在地面,II 型充氣密封艙的柔性段收攏壓緊在剛性段上,并安裝在半密封貨運(yùn)飛船貨盤機(jī)構(gòu)上并隨之上行,如圖4(a)、(b)所示。當(dāng)半密封貨運(yùn)飛船發(fā)射入軌與空間站對接后,機(jī)械臂抓取貨盤結(jié)構(gòu)并安放在指定位置,充氣密封艙與貨盤機(jī)構(gòu)解鎖,由機(jī)械臂抓取充氣密封艙側(cè)壁上的適配結(jié)構(gòu),完成充氣密封艙與空間站節(jié)點(diǎn)艙對接口對接,充氣段完成充氣展開及在軌剛化,如圖4(c)所示。航天員可進(jìn)入艙體短期工作、生活。

在軌試驗(yàn)時間為6 個月。試驗(yàn)結(jié)束后,充氣密封艙體自動泄壓,由艙內(nèi)彈性收攏機(jī)構(gòu)對艙體進(jìn)行收攏和簡單折疊。由機(jī)械臂抓取充氣密封艙側(cè)壁上的適配結(jié)構(gòu),完成充氣密封艙與空間站節(jié)點(diǎn)艙對接口分離,并放回至半開放貨運(yùn)飛船內(nèi),隨貨運(yùn)飛船下行銷毀,如圖4(d)所示。

圖4 由半密封貨船上行的充氣密封艙飛行方案Fig.4 Flight scheme of inflatable capsule transported by semi-sealed cargo spacecraft

2.4 基于全開放貨運(yùn)飛船上行方案

2.4.1 系統(tǒng)組成

在充氣密封艙內(nèi)人員活動通過在軌驗(yàn)證后,第三步可通過全開放貨運(yùn)飛船上行方案,研制可直接與空間站對接、壽命更長、功能更全的III 型充氣密封艙,驗(yàn)證柔性艙門、從柔性艙出艙等技術(shù),同時完成人員從充氣密封艙內(nèi)氣閘出艙試驗(yàn)。

III 型充氣密封艙系統(tǒng)方案的最大特點(diǎn)是對接機(jī)構(gòu)復(fù)用,即充氣密封艙與全開放貨運(yùn)飛船共用一個對接機(jī)構(gòu)。此外,充氣密封艙無需配備機(jī)械臂適配結(jié)構(gòu)等用于艙體對接的設(shè)備。充氣密封艙本體與對接機(jī)構(gòu)安裝框直接相連。

III 型充氣密封艙艙體折疊狀態(tài)尺寸為Ф2300 mm×1700 mm,不含對接機(jī)構(gòu);艙體展開后,可伸縮剛性桿可隨著展開到位并固定,起到加強(qiáng)艙體剛度的作用。充氣密封艙另一端安裝有柔性艙門,當(dāng)充氣密封艙作為氣閘艙使用時,航天員可通過該艙門進(jìn)行出艙活動,如圖5 所示。

圖5 III 型充氣密封艙示意圖Fig.5 Diagram of type III inflatable capsule

2.4.2 飛行方案

在地面,III 型充氣密封艙直接安裝在全開放貨運(yùn)飛船前端對接機(jī)構(gòu)上。充氣密封艙作為主要有效載荷,與貨運(yùn)飛船前錐的對接組件直接連接,全開放貨運(yùn)飛船靠近后錐的空間還可以裝載其他有效載荷,如圖6(a)、(b)所示。

全開放貨運(yùn)飛船發(fā)射入軌與空間站對接,全開放貨艙內(nèi)貨物由機(jī)械臂取出后,可進(jìn)行充氣密封艙的充氣展開試驗(yàn)。對接成功后,由航天員打開核心艙艙門,完成充氣密封艙與核心艙的電、氣連接操作。并通過空間站內(nèi)的氣源向充氣密封艙艙內(nèi)充氣,直至充氣展開,如圖6(c)所示。

展開后,航天員可直接穿過對接通道進(jìn)入充氣密封艙內(nèi)。同時,在充氣密封艙放氣后,航天員還可利用艙上的柔性艙門開展出艙活動。根據(jù)任務(wù)需要,在軌時間大于1年。在壽命末期,可直接隨開放式貨運(yùn)飛船一同離軌銷毀,見圖6(d)。

圖6 由全開放貨運(yùn)飛船上行的充氣密封艙飛行方案Fig.6 Flight scheme of inflatable capsule transported by fully open cargo spacecraft

2.5 方案特點(diǎn)

1)根據(jù)每一步技術(shù)驗(yàn)證目的不同、設(shè)計了3種不同的方案,各方案之間逐步遞進(jìn),最終驗(yàn)證的剛化技術(shù)、氣閘出艙技術(shù)也將為充氣密封艙提供更廣闊的應(yīng)用前景。

2)搭載貨運(yùn)飛船上行的技術(shù)方案,可節(jié)省發(fā)射成本;基于全開放貨運(yùn)飛船上行的系統(tǒng)方案,還能與貨運(yùn)飛船實(shí)現(xiàn)對接機(jī)構(gòu)的復(fù)用,進(jìn)一步節(jié)省資源。

3)在軌試驗(yàn)時,可由航天員和空間站機(jī)械臂輔助完成技術(shù)試驗(yàn)。驗(yàn)證方案較為獨(dú)立,不會影響空間站主任務(wù)的開展。

4)任務(wù)結(jié)束后的艙體可仍然通過貨運(yùn)飛船下行并可控銷毀,不會對其他航天器產(chǎn)生不利影響。

各技術(shù)驗(yàn)證方案對比見表1。

表1 充氣密封艙3 種技術(shù)驗(yàn)證方案對比Table 1 Comparison of various schemes for three inflatable capsules

3 仿真分析結(jié)果

充氣密封艙在整個飛行試驗(yàn)過程中,需要經(jīng)歷發(fā)射段振動、在軌壓力等環(huán)境。以I 型充氣密封艙為例,使用ABAQUS 軟件建立有限元模型對充氣密封艙的力學(xué)性能進(jìn)行分析驗(yàn)證。

3.1 折疊狀態(tài)

充氣密封艙剛性部分用殼單元進(jìn)行模擬,材料彈性模量取70 GPa,泊松比取0.3,剛性部分下端進(jìn)行固定。柔性部分使用梁單元模擬壓緊狀態(tài)。有限元模型如圖7 所示。

圖7 折疊狀態(tài)充氣密封艙有限元模型Fig.7 Finite element model of inflatable capsule in folded state

1)模態(tài)分析結(jié)果。對充氣艙進(jìn)行模態(tài)分析,其一階頻率大于68 Hz,滿足貨運(yùn)飛船上安裝設(shè)備的基頻要求。

2)發(fā)射段振動分析結(jié)果。模擬發(fā)射段振動條件,激勵加速度為15 G,得到充氣密封艙剛性部分最大應(yīng)力105 MPa,安全裕度0.52,滿足大于0 的要求。

3.2 展開狀態(tài)

充氣密封艙入軌后在氣壓作用下逐步展開。建立如圖8 所示的展開狀態(tài)有限元模型。

圖8 展開狀態(tài)充氣密封艙有限元模型Fig.8 Finite element model of inflatable capsule in unfolded state

1)模態(tài)分析結(jié)果。使用ABAQUS 軟件顯示動態(tài)法分析充氣艙基頻。充壓后,給充氣密封艙頂端中心點(diǎn)加10 mm 的位移擾動,隨后釋放位移擾動,艙體自由振動,提取頂端穩(wěn)定階段位移曲線如圖9 所示,得到充氣艙橫向基頻為7. 9 Hz,該頻率可與在軌飛行器的基頻錯開。隨著壓力升高,艙體基頻升高,見表2。

圖9 頂端位移響應(yīng)曲線Fig.9 Displacement response curve at the top

表2 不同內(nèi)壓下的基頻Table 2 Fundamental frequency under different pressures

2)內(nèi)壓強(qiáng)度分析結(jié)果。柱段受力分析如圖10 所示,在內(nèi)外壓差作用下,充氣密封艙最大應(yīng)力發(fā)生在柱段環(huán)向,最大為9.29 MPa,小于柔性結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度極限。

圖10 柱段受力分析Fig.10 Stress analysis of cylindrical section

4 結(jié)論

本文提出了基于貨運(yùn)飛船上行的充氣密封艙技術(shù)分步驗(yàn)證方案,3 種類型的充氣密封艙分別隨全密封貨運(yùn)飛船、半密封貨運(yùn)飛船和全開放貨運(yùn)飛船上行;完成了對充氣密封艙在發(fā)射過程、在軌飛行過程中的力學(xué)分析仿真,驗(yàn)證了充氣密封艙可滿足在軌飛行條件的要求。分步驗(yàn)證技術(shù)難度步步遞增,實(shí)施方案可行,可為后續(xù)充氣密封艙技術(shù)發(fā)展提供參考。