付新衛(wèi) 孟少華 周印佳 石泳

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

0 引言

載人航天器太空艙設計，通常需要考慮加工工藝、構型布局、密封效果以及技術成熟度等因素，大多數(shù)載人天地往返系統(tǒng)、軌道空間站、載人探測器采用剛性金屬艙。大型剛性金屬太空艙結構質量和體積大，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限制、有效空間狹窄等，導致眾多大型航天探索任務無法開展，特別是載人航天器留給航天員活動空間非常有限，因此剛性金屬太空艙無法滿足未來載人航天和深空探測任務需要[1]。

新型柔性可展開太空艙結構具有質量輕、發(fā)射體積小、折疊效率高、功能集成度高、空間防護能力強、工程實施方便和發(fā)射成本低等優(yōu)點，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60年代，前蘇聯(lián)已經初步掌握了柔性可展開太空艙設計及研制技術?！吧仙? 號”載人飛船形狀和尺寸大體上與“東方號”飛船相似，如圖1 所示?！皷|方號”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”載人飛船的質量，縮小了其包絡尺寸?！吧仙? 號”載人飛船長約5m，直徑2.4m，質量約5.5t，艙內自由空間1.6m3。1964年10月12 號，前蘇聯(lián)成功發(fā)射“上升1 號”載人飛船，在近地軌道上飛行了17 圈，次日安全返回。受當時前蘇聯(lián)生命保障系統(tǒng)的制約，“上升1 號”載人飛船在軌飛行時間較短，在軌運行僅25h30min。為解決火箭運載質量和整流罩包絡的瓶頸問題，開創(chuàng)性地在其“上升2 號”載人飛船上應用柔性可展開氣閘艙。該氣閘艙有兩個閘門，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，內徑1m。1965年3月“上升2號”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，實現(xiàn)了柔性可展開太空艙的首次在軌應用，出艙活動完成后，將該氣閘艙拋棄。據(jù)文獻[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。

圖1 “上升號”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60年代就提出了柔性可展開太空艙的概念[1]。當時大多數(shù)太空探索者都認為地球軌道載人空間站是進行深空任務的必經過程，可以借助該站進行長期飛行對航天員心理和生理等影響的研究，并可作為航天新技術的測試驗證平臺。經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)芯的端口進行對接與分離。

該項目后來被終止主要來自兩個層面的原因：一是技術層面，20 世紀60年代用于制作柔性可展開密封艙的柔性材料強度性能無法滿足其使用要求，而且柔性材料剛化技術不成熟。載人太空艙不僅內壓遠超非載人柔性可展開結構，還對安全防護性能要求特別高，不僅要防護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部刺穿。為此“固特異”公司專門研制了三層尼龍加強的橡膠材料，但仍然無法抵擋空間碎片撞擊。另外一個非技術層面的原因在于為了進行登月競賽，美國取消了軌道空間站建造計劃?！疤m利”研究中心原計劃利用地面模型開展的一系列關于柔性可展開太空艙的試驗隨之取消。由于航天任務需求不明確，到20 世紀80年代中期美國關于柔性可展開太空艙的相關研究幾乎停滯。

1.2.2 TransHab 太空艙[1-7]

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

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

該項目在防護技術和總體方案方面已經相當完善。柔性可展開結構的蒙皮采用了20 余層的復合材料，自外向內提供了五級防護，蒙皮展開后總厚度達0.51m，包括外部溫度防護層（尼龍層和聚酯薄膜，絕熱）、空間碎片防護層（尼龍和聚乙烯，防輻射）、約束層（凱夫拉和亞苯基材料，維型與強度加強）、密封氣囊以及內部防刮層（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航天員操作可能產生的風險。

圖2 Transhab 太空艙柔性可展開防護系統(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 太空艙項目研究成果的基礎上，先后成功發(fā)射了“起源I 號”（Genesis I）和“起源II 號”（Genesis II）柔性可展開太空艙。Bigelow Aerospace 規(guī)劃了一系列宇航產品，其中包括已經發(fā)射并成功在軌運行的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 太空艙的設計，于2006年7月12日，搭乘俄羅斯“第聶伯”火箭成功進入太空，成為世界首個實驗性太空艙。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。這次空間試驗首次驗證了柔性材料的空間適應性、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合及密封等多項關鍵技術。

（2）BEAM 太空艙[1-3,7-10,13-17]

BEAM 太空艙對柔性可展開載人級太空艙進行驗證，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，驗證工作涵蓋了先進的系統(tǒng)生活艙、環(huán)境控制與生命支持系統(tǒng)等。

該項目設立了三大技術目標：發(fā)展、驗證并集成輕質柔性可展開太空艙所需技術、自主交會對接所需技術以及閉合回路生命支持循環(huán)系統(tǒng)所需技術。

BEAM 太空艙各部分組成見圖4。其內部結構由前后兩層金屬隔板、鋁合金骨架、軟質多層織物（內含約束層和密封層）及充氣系統(tǒng)等部分組成。BEAM 太空艙發(fā)射時被折疊成長2.4m、直徑2.36m 的大包裹。BEAM 太空艙特制的防護層是一層厚厚的纖維狀材料，采用了20 多層材料，從里到外共設計了五層防護結構：內部防磨損層、密封氣囊、凱夫拉約束層、微流星和空間碎片防護層、外部防熱層。不僅能夠進行熱防護，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)境物質等。BEAM太空艙采用類似于聚芳酯纖材料制作而成，空間防護能力遠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展

2.1 臥式圓柱形柔性可展開月球居住艙

進入21 世紀，NASA 將柔性可展開太空艙這一共性技術應用到載人登月、行星探測領域。在NASA的資助下，美國多家研究機構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 火箭的載荷情況設計的臥式圓柱形柔性可展開月球居住艙[18]，結構如圖5 所示。該模型尺寸高約3m，折疊狀態(tài)時長度約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，柔性可展開結構位于中部，同樣是由多層不同功能的柔性復合材料構成：內膽層、增強層、熱防護層和微流星體防護層。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端蓋之內，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 旋轉橢圓體柔性可展開月球居住艙

旋轉橢圓體柔性可展開月球居住艙是由NASA Johnson Space Center 的LSS Habitation Lead 小組設計[19]，如圖7 所示。兩個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，一個用于居住艙，另外一個用于實驗艙，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78m3的圓柱型柔性可展開月球居住艙后勤保障艙，整個LS1 型柔性可展開月球基地可滿足4 名航天員執(zhí)行180 天的月球探測任務需求。柔性可展開月球居住艙體四周有三個接口，一個接口連接氣閘艙，另兩個接口可與其他單元連接。未來月球基地可以由多個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 旋轉橢圓體月球基地月球艙Fig.7 The ellipsoid moon module of lunar base

旋轉橢圓體柔性可展開月球居住艙單元為環(huán)形結構，中心有一剛性結構“心軸”。該設計概念來源于TransHab 太空艙結構。其內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。柔性可展開蒙皮設計與TransHab 太空艙類似。對接口和艙口作為地板系統(tǒng)的一部分，連接于結構中心。蒙皮圍繞對接口和艙口周圍并包裝折疊于結構中心，飛船運輸過程中附有保護罩，并與著陸艙連接。充氣展開時，中心部件即可隨之展開，具體展開過程如圖8。

圖8 旋轉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構技術來實現(xiàn)月球基地方案。NASA 的Johnson Space Center （JSC）實驗室為了更深入地進行月球和火星探測，一直致力于將柔性可展開結構技術應用于宇宙移民基地，率先提出了柔性可展開組合結構概念。柔性可展開月球基地是由柔性可展開膜結構與空間可展開梁組成，利用柔性可展開膜可折疊結構特點開展月球基地的設計研制工作。

為滿足短期月球探測任務需求，休斯頓大學建筑學院的研究組織（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構特點是底端為剛性結構，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鍵技術

梳理柔性可展開太空艙的發(fā)展歷程及關鍵技術，可為我國未來載人登月和深空探測航天器設計提供借鑒。柔性可展開太空艙關鍵技術有以下5個方面。

3.1 系統(tǒng)設計

柔性可展開太空艙的材料體系和剛性太空艙有質的區(qū)別，相對于剛性太空艙需要考慮更多的約束條件和特殊問題，需要采用新的設計方法[22-24]，如：需要考慮柔性材料的幾何非線性特征，研究展開前后的結構初始形態(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、結構設計和總體方案，明確技術指標以及技術要求，確定柔性可展開太空艙的設計方案，開展關鍵技術的研究工作。

系統(tǒng)設計技術主要針對當前柔性可展開太空艙體結構的任務需求，開展具體結構構型設計、艙體內部布局設計、剛柔連接設計、氣密設計等內容，突破并掌握柔性可展開太空艙結構的相關技術及設計方法，為將來大型、多用途柔性可展開太空艙結構設計及其設計準則的建立提供一套初步的設計依據(jù)和參考。

根據(jù)空間環(huán)境適應性要求和柔性太空艙系統(tǒng)設計特點，柔性可展開太空艙總體設計要求：體積/實用面積比??；材料輕量化；艙體可擴展；模塊化組裝；安全可靠性高；艙外活動少；建造時間短；建造工藝簡單[3]。

3.2 多功能蒙皮設計[3,17,24-27]

多功能蒙皮設計制作與選型是柔性可展開太空艙結構研制的關鍵環(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合材料作為多功能蒙皮主體材料，通常由多層柔性復合材料（如薄膜或織物）構成：氣密層（或氣體阻隔層）、增強層（或結構層、限制層）、微流星體/軌道碎片防護層和防輻射層，以及多層隔熱層。根據(jù)任務性質和周期長短，可以自由地增減某些功能層，以滿足具體任務需求。太空艙防護結構材料的選擇需要綜合考慮材料力學性能、密度、可展開性能以及材料的成熟度和費效比等因素[3]。

多功能復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。只有突破多功能蒙皮設計制作技術，才能實現(xiàn)柔性可展開太空艙的工程化應用。綜合調研結果總結出目前國內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研究

柔性可展開太空艙的折疊和展開技術旨在提高太空艙發(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研究的重點。

折疊設計方面，主要是針對艙體結構的幾何特點，設計更小收攏體積的折疊方式。目前柔性可展開結構比較成熟的折疊方式是Z 型折疊和卷曲折疊；同時國外也在研究仿生折疊設計、多邊形折疊設計。Z 型折疊技術是目前應用最為廣泛的柔性可展開折疊技術，尤其是對于載人航天器太空艙結構，美國Bigelow公司的BEAM 艙就是采用Z 型折疊技術。該技術主要是艙體直徑不變、沿艙體軸線方向折疊。Z 型折疊結構在真空環(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計，需要考慮折疊方式對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)下對柔性蒙皮材料的零損傷、去褶皺影響是衡量折疊設計的關鍵。柔性可展開太空艙折疊設計與展開控制、剛化設計是密不可分，折疊機構要和展開鎖緊機構一起設計，保證折疊展開機構的結構的緊湊。

折疊展開仿真分析是該領域的一個重要研究方向，通常采用有限元仿真分析和多體動力學軟件對柔性可展開太空艙從折疊狀態(tài)到完全展開過程進行仿真，考慮剛柔耦合因素的影響對折疊展開順滑的影響，分析蒙皮和骨架剛度強度是否符合指標要求，分析殘余氣體、不同材料參數(shù)、邊界條件、充氣速率、模型尺寸對展開過程影響。

3.4 艙體剛化技術研究[3,22]

剛化技術是保證柔性可展開太空艙在零內壓狀態(tài)下保形能力及抗變形能力的決定性技術。雖然目前已經研究多種可用于柔性可展開太空艙的剛化技術，主要是針對小空腔結構，而適合柔性可展開太空艙這種大型空腔結構的剛化技術適應性極為有限。此外選擇何種剛化技術不但會影響柔性可展開太空艙結構整體設計，而且對其蒙皮材料體系、折疊展開控制等方面都會產生顯著影響，因此，柔性可展開太空艙的在軌剛化技術也是一項亟待解決的關鍵技術。

柔性可展開太空艙結構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)生結構失穩(wěn)。對于柔性可展開太空艙，氣體內壓作用下在艙體蒙皮上產生的面內應力足以使艙體抵抗外力變形的能力，再輔以艙內的可折疊鎖定的剛性金屬支撐，通常不需要額外手段實現(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；同時具有高柔性，方便高效折疊包裝；在室溫條件下儲存壽命長；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 地面試驗驗證技術

柔性可展開太空艙暴露于在軌空間環(huán)境中，要經歷長期的原子氧、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別空間環(huán)境引起的風險，通過相關的試驗驗證其整個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機理有著明顯差別，針對這種新型的航天器常規(guī)的航天器試驗方法不一定適用，要改進原有的試驗方法；另外針對驗證柔性可展開太空艙一些特殊性能開展專門試驗。柔性可展開太空艙試驗常規(guī)項目有氣密性試驗、耐壓試驗、展開試驗、剛化試驗，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。

依據(jù)相關報告，NASA 對Transhab 太空艙采用的柔性纖維材料進行了力學、高速沖擊、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，建立了柔性可展開太空艙簡單有效的試驗方法與技術，建立了相應的試驗準則與標準規(guī)范，實現(xiàn)了針對柔性可展開太空艙柔性蒙皮材料的標準化測試與評估。

柔性可展開太空艙型面精測也是研究的重點方向之一，目前主要采用非接觸式掃描測量技術對柔性薄膜結構進行測量。大面積柔性薄膜柔性可展開機理復雜，具有瞬時、隨機及非線性等特點，因此需要研究大面積薄膜結構的標定方法、測量方法和測量數(shù)據(jù)處理方法，設計專用測量工裝，實現(xiàn)柔性可展開形狀精度的有效測取。

4 柔性可展開太空艙應用展望

隨著人類對太空探索逐步深入，對長期有人駐留、短期出艙活動、星際轉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。柔性可展開太空艙將被廣泛應用于新一代天地往返系統(tǒng)、新一代空間站、外星基地建設、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，由于基地內部需要較大的活動空間，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，再加上運載火箭和運輸飛船的燃料和容積的限制，向火星運送的艙段的體積和質量受限，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)射成本和提高經濟效益的原則，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于金屬艙成本更低，容積更大，建造時間更短、使得居住環(huán)境更加舒適。

綜上所述，柔性可展開太空艙應用前景非常廣闊，我國該領域涉及的關鍵技術亟需盡早開展相應研究，以儲備相關領域的技術，實現(xiàn)我國載人航天及深空探測的可持續(xù)發(fā)展。