王壘 甄鐸 廖航

返回式航天器水域回收用浮囊制造技術(shù)

王壘1,3甄鐸1,2廖航1,2

（1北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司航天進(jìn)入、減速與著陸技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）（3 天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300450）

結(jié)合某種返回式航天器水域回收用浮囊構(gòu)型及高強(qiáng)度的性能要求，為了保證航天器完成飛行任務(wù)返回時(shí)著水后總體結(jié)構(gòu)的完整性，文章重點(diǎn)研究一項(xiàng)水域回收用航天器浮囊制造技術(shù)。該技術(shù)以FL-131聚氨酯膠布為材料，制造工藝采用高頻板式高溫熔接。經(jīng)25mm寬樣條試驗(yàn)測(cè)試，材料樣條抗拉強(qiáng)度達(dá)到2.56MPa，材料強(qiáng)度參數(shù)滿足浮囊制造要求；運(yùn)用中心輻射式布置裁剪線設(shè)計(jì)裁片保證材料成形精度，整囊充壓到8kPa，整體無(wú)褶皺，囊體表面各向尺寸精度偏差不大于1mm（每500mm），浮囊安全充壓指標(biāo)達(dá)到40kPa，具有良好的氣密性和耐壓性。在擬真工況下進(jìn)行的地面出艙試驗(yàn)顯示，浮囊可順利實(shí)現(xiàn)充氣、展開(kāi)、出艙，無(wú)破損與漏氣，驗(yàn)證了該種技術(shù)用于返回式航天器水域回收用浮囊制造的可行性。

水域回收 浮囊制造技術(shù) 返回式航天器

0 引言

在航天、航空、救撈工程中（如國(guó)內(nèi)外航天器水域的濺落回收、飛機(jī)水域迫降助浮、水下結(jié)構(gòu)的布放和提升等）經(jīng)常使用各種浮囊，這些浮囊為適應(yīng)水域自然環(huán)境和力學(xué)要求，需要在短時(shí)間內(nèi)在相應(yīng)水域順利充氣展開(kāi)成形，展開(kāi)之后的浮囊能夠?yàn)檩d荷提供浮力，使載荷在水面漂浮并維持一定時(shí)間，這一特性使浮囊技術(shù)廣泛用于水面和水下的回收和打撈。浮囊在航天器穩(wěn)降著水前充氣，在著水的瞬間，通過(guò)囊體內(nèi)氣體的壓縮變形衰減航天器的機(jī)械能，降低著水過(guò)程的過(guò)載對(duì)航天器結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效保護(hù)，保證航天器的無(wú)損回收，達(dá)到重復(fù)使用的目的。浮囊的材料是保證系統(tǒng)性能的主要因素之一，需滿足質(zhì)量小、拉伸強(qiáng)度高、撕裂強(qiáng)度高、低透氣性、低溫適應(yīng)性、耐高溫等要求，還需具備良好的制造性能。

在返回式航天器浮囊制造方面[1-3]，通常的浮囊制造技術(shù)包括裁剪、拼接、成形和氣密技術(shù)，其中成形工藝一般包括高溫熔接、膠接和縫合。典型的應(yīng)用有美國(guó)“獵戶座”飛船實(shí)體艙（圖1（a））試驗(yàn)、美國(guó)“雙子座4號(hào)”飛船（圖1（b））海上回收、返回式衛(wèi)星傘頂浮囊等，這些浮囊主要采用高壓粘接工藝制造，完成一次涂膠工序需平整放入真空高壓罐中持續(xù)加壓不少于24h，對(duì)整體的制造場(chǎng)地及設(shè)備要求比較高。我國(guó)的新一代載人飛船采用了群傘減速及氣囊壓縮衰減飛船的機(jī)械能的回收方式，整體的成形工藝為縫紉[1]，根據(jù)不同的連接部位，采用多種縫紉形式來(lái)滿足制造要求，大大的增加了制造工藝的復(fù)雜性。

圖1 返回式航天器水域回收用浮囊

Fig 1. Buoyancy capsule for water recovery of recoverable spacecraft

在航天器回收系統(tǒng)應(yīng)用中，返回式航天器浮囊樣機(jī)采用周向式設(shè)計(jì)，浮囊充氣展開(kāi)后，6個(gè)相同體積的囊體沿周向環(huán)繞在航天器四周，為返回式航天器提供浮力。浮囊布局如圖2所示。

圖2 浮囊原理樣機(jī)模型示意

目前針對(duì)浮囊的生產(chǎn)制造進(jìn)行了諸多的研究，返回式航天器水域回收用浮囊的具體加工工藝研究還缺乏全過(guò)程的論述，本文圍繞返回式航天器水域回收用浮囊成形技術(shù)開(kāi)展分析研究。通過(guò)材料力學(xué)性能試驗(yàn)以得到力學(xué)分析所需的材料參數(shù)，系統(tǒng)介紹成形拼接的施工工藝過(guò)程，對(duì)用于制造氣囊的高溫熔接拼接工藝的三種形式（板式、帶式和脈沖式）進(jìn)行比對(duì)分析，制作拼接樣條進(jìn)行試驗(yàn)，并確定工藝參數(shù)；為保證宇航產(chǎn)品外形的高精度要求，采用中心輻射式裁剪線布置進(jìn)行裁片設(shè)計(jì)，以解決返回式航天器水域回收用浮囊成形后形狀偏移的技術(shù)難題；通過(guò)氣密性試驗(yàn)、非破壞耐壓研究及水中靜浮力模擬試驗(yàn)等對(duì)浮囊進(jìn)行性能驗(yàn)證。

1 浮囊材料面性能驗(yàn)證

返回式航天器浮囊球皮采用FL-131聚氨酯膠布，材料特性為比強(qiáng)度高、低密度、高抗撕裂性、低透氦率和較低的蠕變性。為了驗(yàn)證FL-131聚氨酯膠布材料的物理性能，需要進(jìn)行多項(xiàng)材料試驗(yàn)，因其他試驗(yàn)對(duì)制造工藝無(wú)影響本章節(jié)只敘述強(qiáng)度–拉伸試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)樣條取樣

機(jī)織物復(fù)合材料通常都是成固定幅寬的整卷成品，為了保證樣條具有代表性，避開(kāi)褶皺和疵點(diǎn)，應(yīng)按照?qǐng)D3進(jìn)行取樣，樣條剪取時(shí)應(yīng)保證樣條的長(zhǎng)度邊緣與相應(yīng)方向的紗線平行。

1.2 樣條尺寸

樣條按照?qǐng)D4所示制作，規(guī)格為長(zhǎng)（850±5）mm、寬（25±0.5）mm的矩形條，樣條中間的標(biāo)距長(zhǎng)度為（300±2）mm，其余部分為加持區(qū)，試驗(yàn)時(shí)加持區(qū)全域纏繞在夾具上。

圖4 試驗(yàn)樣條尺寸

1.3 試驗(yàn)方法

采用英斯特朗拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，環(huán)境溫度范圍18～28℃之間，相對(duì)濕度范圍為36%～64%；試驗(yàn)設(shè)備機(jī)的同軸線夾具間的距離調(diào)整為300mm，在夾具上、下牙口處安裝好樣條，使樣條的中心線與夾持面的中心線重合，最大限度的保證拉力中心線與樣條的中心線同軸；采用預(yù)張力夾持，設(shè)定膜材樣條的預(yù)張力值為10N；試驗(yàn)同軸反向運(yùn)動(dòng)夾頭的勻速運(yùn)動(dòng)速率設(shè)定為350mm/min，拉伸試樣至斷裂。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1所示試驗(yàn)數(shù)據(jù)，材料徑向強(qiáng)度值略優(yōu)于緯向，兩個(gè)方向數(shù)據(jù)值的離散性趨于平穩(wěn)，斷裂位置均為樣條中間試驗(yàn)區(qū)域，故可判定材料的數(shù)據(jù)值有效可用。

表1 FL-131聚氨酯膠布材料拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.1 Data of longitudinal tensile test of FL-131 polyurethane adhesive material

2 浮囊材料成形拼接工藝

浮囊材料的成形拼接是返回式航天器水域回收浮囊加工的關(guān)鍵工序，也是最為重要的一步，直接影響產(chǎn)品加工品質(zhì)。囊體拼接工藝主要有縫紉、膠粘及高溫熔接等，根據(jù)囊體結(jié)構(gòu)和材料不同，選擇不同的拼接工藝，其中縫紉對(duì)囊體損傷比較大，大部分縫紉拼接工藝件強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料自身的強(qiáng)度，而膠粘拼接工藝工序復(fù)雜，對(duì)囊體加工環(huán)境有著特殊的要求，因此最常用的拼接工藝為高溫熔接。高溫熔接拼接技術(shù)主要分為板式高溫熔接技術(shù)、帶式高溫熔接技術(shù)和脈沖式高溫熔接技術(shù)。目前，返回式航天器水域回收浮囊的拼接方式以高溫熔接技術(shù)為主。

2.1 成形拼接工藝和設(shè)備比對(duì)

返回式航天器浮囊的成形拼接，尤其是囊瓣之間拼接的成功可靠與否，關(guān)鍵在于操作工藝參數(shù)的設(shè)置和工藝方法，工藝參數(shù)不明確或工藝方法控制不好，極易造成囊體表面不可修復(fù)的損傷。FL-131聚氨酯膠布材料高溫熔接技術(shù)是拼接工藝的基礎(chǔ)，其適應(yīng)性是試件制造的重要影響因素[7-15]。高溫熔接過(guò)程中通過(guò)不斷調(diào)試設(shè)備工作參數(shù)，進(jìn)行樣條加工和樣條節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證，以確定FL-131聚氨酯膠布的最佳熔焊溫度、熔接導(dǎo)熱工裝的工作寬度范圍以及高溫熔接設(shè)備的電壓、電流、頻率、工作時(shí)間等指標(biāo)，進(jìn)而改進(jìn)和完善FL-131聚氨酯膠布材料的高溫熔接工藝，使應(yīng)用高溫熔接技術(shù)加工的樣條達(dá)到返回式航天器水域回收浮囊的耐壓性要求。

（1）板式高溫熔接技術(shù)

板式高溫熔接技術(shù)有封合速度快的優(yōu)勢(shì)，其熔接方式如圖5所示。該技術(shù)的工作原理是將加熱板加熱到一定溫度使其能夠?qū)B合的材料融為一體，因拼接形式的不同，加熱板不一定是簡(jiǎn)單的平板，也可以是復(fù)雜的表面。板式高溫熔接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于沿著拼接縫長(zhǎng)度方向加熱均勻，拼接縫強(qiáng)度穩(wěn)定，但是當(dāng)薄膜拼接縫的長(zhǎng)度超過(guò)加熱板的長(zhǎng)度時(shí)，需要移動(dòng)薄膜后再進(jìn)行作業(yè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)操作的可持續(xù)性。

（2）帶式高溫熔接技術(shù)

帶式高溫熔接焊是將疊合的兩層材料夾在一對(duì)回轉(zhuǎn)的金屬帶中，從兩側(cè)加熱和冷卻（見(jiàn)圖6）。即使是容易熱變形的薄膜也能連續(xù)高溫熔接，保證薄膜的順利的送進(jìn)，但薄膜的拼接縫強(qiáng)度遠(yuǎn)不如板式高溫熔接。

圖5 板式高溫熔接示意

圖6 帶式高溫熔接

（3）脈沖式高溫熔接技術(shù)

脈沖式高溫熔接技術(shù)適用于易熱變形、易受熱分解的柔性非金屬材料，所得的熔接拼縫穩(wěn)定性較高。熔接時(shí)首先將壓板連同鎳鉻合金扁電熱絲與工作臺(tái)上的耐熱橡膠墊同時(shí)施壓，并平整壓緊薄膜材料，瞬時(shí)的脈沖電流隨即進(jìn)行加熱，然后再用冷空氣或者冷卻水強(qiáng)制拼縫冷卻，最后打開(kāi)壓板完成高溫熔接。熔接方式見(jiàn)圖7。

圖7 脈沖式高溫熔接

返回式航天器水域回收用浮囊材料為雙面涂覆耐大溫差薄膜的織物材料，此類浮囊容積大，外形復(fù)雜，對(duì)強(qiáng)度和氣密性要求高。在整個(gè)制造過(guò)程中，高溫熔接的壓力不僅要使涂層互相壓實(shí)，還需要將一部分的涂層進(jìn)一步壓入織物結(jié)構(gòu)，使成形后的拼接縫強(qiáng)度更趨近材料本身的強(qiáng)度。上述帶式高溫熔接技術(shù)和脈沖式高溫熔接技術(shù)難以使該種材料表面牢固貼合，針對(duì)這一特點(diǎn)，認(rèn)為板式高溫熔接技術(shù)比較適合返回式航天器浮囊的加工，下文關(guān)于拼接工藝的論述均是基于板式高溫熔接技術(shù)的加工工藝。

2.2 成形拼接工藝要點(diǎn)

高溫熔接技術(shù)屬于一種運(yùn)用熱、力相互耦合作用的成形制造技術(shù)，影響成形強(qiáng)度的主要因素包括：材料表面品質(zhì)、裁片外形結(jié)構(gòu)、高溫熔接機(jī)功率控制、高溫熔接時(shí)間和加壓力的大小。本文將通過(guò)樣條加工—試驗(yàn)的方法，迭代篩選工藝參數(shù)。高溫熔接功率較低時(shí)FL-131聚氨酯膠布拼接不牢固，高溫熔接功率較高時(shí)FL-131聚氨酯膠布高溫熔接面因高溫過(guò)度而發(fā)生損傷，材料與工裝接觸面易發(fā)生碳化反應(yīng)，功率數(shù)值過(guò)大易擊穿材料表面。樣條加工前需不斷調(diào)解高溫熔接機(jī)器的輸出參數(shù)，使功率、電流頻率、熔接時(shí)間、壓力等多重參數(shù)值達(dá)到最佳平衡狀態(tài)。

2.3 成形拼接工藝

返回式航天器水域回收用浮囊的拼接處作為整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵部位，是主要的應(yīng)力集中位置，且并不具有幾何連續(xù)性，當(dāng)囊體內(nèi)部受到高速氣體充壓時(shí)，拼接處必須能在低溫條件下承受40kPa壓差。FL-131聚氨酯膠布的高溫熔接拼接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括拼接形式的選擇和拼接長(zhǎng)度的確定。拼接形式主要有斜紋拼接、對(duì)向拼接、平紋拼接。為了驗(yàn)證返回式航天器浮囊高溫熔接質(zhì)量，對(duì)FL-131聚氨酯膠布材料高溫熔接樣條進(jìn)行拉力試驗(yàn)。在浮囊的高溫熔接加工過(guò)程中，熔接形式為兩層FL-131聚氨酯膠布材料直接高溫熔接，如圖8所示；試驗(yàn)儀器仍選用英斯特朗拉力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)環(huán)境與試驗(yàn)方法均與材料力學(xué)性能試驗(yàn)一致，記錄高溫熔接后試件最大斷裂力值和抗拉強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表2。

高溫熔接工藝樣條加工流程主要包括：1）機(jī)器檢查。使用前檢查高溫熔接設(shè)備電器系統(tǒng)是否正常，檢查工作臺(tái)的絕緣狀態(tài)及各種開(kāi)關(guān)檔位狀態(tài)。2）機(jī)器預(yù)熱。調(diào)整多重設(shè)備輸出參數(shù)值，依次對(duì)非正式用材料進(jìn)行高溫熔接操作，并對(duì)設(shè)備工裝進(jìn)行調(diào)試，確定完設(shè)備參數(shù)后進(jìn)行空載震蕩試驗(yàn)。3）高溫熔接樣條。加工工藝參數(shù)為：高溫熔接機(jī)功率9 000W、高溫熔接時(shí)間5～6s、加壓力200N，高溫熔接后，靜置3～5s冷卻固化。

圖8 FL-131高溫熔接形式

表2 高溫熔接拼接試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.2 High temperature fusion splicing test data

由圖9所示可以發(fā)現(xiàn)，浮囊材料的高溫熔接拼接樣條斷裂位置均未出現(xiàn)在拼縫處，拼接效果良好。表2中抗拉強(qiáng)度整體數(shù)據(jù)變化較為平穩(wěn)，平均抗拉強(qiáng)度為2.56MPa，與表1結(jié)果對(duì)比差異性很小。綜上所述，拼接部位的強(qiáng)度滿足浮囊的制造要求，說(shuō)明高溫熔接拼接方式可靠有效。

圖9 FL-131試驗(yàn)效果

3 裁片制作

考慮到浮囊瓣的加工誤差，需要保證待高溫熔接的裁片在模具上定位準(zhǔn)確，以保證高溫熔接后拼縫處不產(chǎn)生褶皺。由于不能完全避免裁剪時(shí)的加工誤差，裁片邊緣與理論分析得到的形狀始終存在隨機(jī)誤差，高溫熔接技術(shù)囊瓣裁片的先后順序不應(yīng)沿著一個(gè)方向順序進(jìn)行裁剪，這樣會(huì)將隨機(jī)誤差積累到最后一個(gè)拼接縫從而形成非常大的積累誤差，為了使加工誤差能夠平均分配到各個(gè)高溫熔接焊縫，首先采用兩兩裁片拼縫焊接，然后再插空完成剩余拼縫的高溫熔接[23]。

浮囊球形曲面可延母線剪開(kāi)形成一個(gè)不規(guī)則的平面；進(jìn)行裁剪加工時(shí)需要將曲面裁片展開(kāi)分析，通過(guò)計(jì)算求解得到裁片平面的下料形狀，提高裁片下料形狀的精確性有利于控制制造誤差并提高曲面的制造精度。

考慮到整體材料需均勻受力的情況，裁片平面應(yīng)具有對(duì)稱性，在這里引用一種彈簧–質(zhì)點(diǎn)方法求解球體囊瓣裁片的下料形狀。并采用中心輻射式布置裁剪線使各個(gè)裁片都相同，故只需做一個(gè)曲面展開(kāi)和剪裁設(shè)計(jì)，加工工藝簡(jiǎn)單。

該方法將曲面上的節(jié)點(diǎn)視為等效質(zhì)點(diǎn)，等效質(zhì)點(diǎn)形成的三角膜單元的剛度等效為三邊的彈簧；選取任意平面作為曲面“彈簧–質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)”的投射面，此時(shí)彈簧因?yàn)橥渡溥^(guò)程中質(zhì)點(diǎn)間距離變化受到壓縮或者拉伸，自身產(chǎn)生應(yīng)力，其中單元面應(yīng)力等效為彈簧應(yīng)力，即

式中為三角形單元的體積；為幾何協(xié)調(diào)矩陣；為材料彈性矩陣；為應(yīng)力向量；為等效彈簧伸長(zhǎng)向量。整個(gè)系統(tǒng)用拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程表述，并運(yùn)用歐拉公式進(jìn)行求解，通過(guò)多次迭代計(jì)算更新坐標(biāo)、向量和各彈簧應(yīng)力，直至彈簧拉伸或壓縮的變形小于給定安全值。則整個(gè)系統(tǒng)自身應(yīng)力完全釋放而質(zhì)點(diǎn)不再運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的位置為曲面展開(kāi)平面的質(zhì)點(diǎn)位置。這一方法適應(yīng)于曲面的平面展開(kāi)，對(duì)于小曲率曲面的展開(kāi)計(jì)算，精度有更好的保證。

采用中心輻射式裁剪線布置得到的裁片，展開(kāi)后的平面形狀如圖10所示。裁片形狀以中心點(diǎn)向外輻射，因此各裁片在拼接時(shí)均匯聚到中心點(diǎn)，如果考慮到拼接縫寬度的影響，所有搭接縫的交匯重疊會(huì)增加該處的硬度，不利于整體球面的應(yīng)力分布。針對(duì)該缺陷，本文提出一種解決方案，即以中心點(diǎn)為圓心取一定半徑的圓作為中心部位的一個(gè)裁片。這一設(shè)計(jì)有效避免了中心點(diǎn)多層匯聚問(wèn)題，對(duì)型面的精度和整體應(yīng)力分布有較好的改進(jìn)。裁片裁剪模具形狀如圖11所示。

圖10 中心輻射式裁片展開(kāi)示意

圖11 球面裁剪模具

針對(duì)返回式航天器浮囊，具體的裁剪工藝流程包括：1）球形面橄欖形裁片劃線；2）球形面橄欖形裁片裁剪；3）球形面中心圓形裁片劃線；4）球形面中心圓形裁片裁剪。

4 返回式航天器浮囊性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證高溫熔接的（寬度25mm）拼接構(gòu)型的可靠有效，以及應(yīng)用到返回式航天器浮囊制造的可行性，本文對(duì)已研制的返回式航天器浮囊進(jìn)行氣密性和耐壓性研究。

4.1 浮囊氣密性驗(yàn)證

返回式航天器浮囊正常工作的情況下，浮力損失主要受囊體氣密性的影響。浮囊整體氣密性取決于材料的透氣性和拼縫透氣性，用透氦檢測(cè)儀測(cè)得[22]囊體材料的透氣率約為5L/m2（1大氣壓下，24h內(nèi)），按浮囊表面積3.14m2、壓差60kPa、浮囊體積0.52m3計(jì)算，3h的氣體泄漏為2.826L，此時(shí)體積損失為0.2%，該體積損失即為其浮力損失。當(dāng)然，實(shí)際的囊體浮力損失值與計(jì)算值存在一定偏差，這需要對(duì)返回式航天器浮囊的氣密損失值進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。

研究對(duì)象為直徑1 000mm的浮囊，利用高壓氣源對(duì)其進(jìn)行充氣試驗(yàn)。氣密試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖12所示，主要試驗(yàn)儀器有氣瓶、壓力傳感器、過(guò)濾器和電磁閥等。當(dāng)浮囊充壓至（5±1）kPa時(shí)停止充壓，穩(wěn)定0.5h后測(cè)試浮囊壓力和溫、濕度。充氣停止后，切斷氣源，排盡充氣管路中的剩余氣體，將囊體保持時(shí)間設(shè)定為3h，前1h每10min記錄一次壓力及溫濕度數(shù)據(jù)，后2h每30min記錄一次數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖12 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

表3 浮囊地面充氣耐壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

Tab.3 Data table of surface inflatable pressure test of floating capsule

如表3數(shù)據(jù)記錄所示，初始的壓力和溫度分別為5.01kPa（表壓）、22.3℃；3h后的壓力和溫度分別為5.25kPa、23.5℃。只考慮溫度?壓力補(bǔ)償0.4kPa，壓降為5.01?5.25+0.4=0.16kPa，則漏氣率為0.16kPa/ 100kPa=0.16%，此值可作為浮力損失值，實(shí)際測(cè)試值小于理論計(jì)算值，氣密性可以滿足要求。

4.2 浮囊耐壓性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該種返回式航天器浮囊制造成形技術(shù)的有效性，對(duì)直徑為1m的浮囊進(jìn)行了非破壞耐壓試驗(yàn)。

給浮囊充壓1kPa，測(cè)量其周長(zhǎng)，每升壓1kPa記錄一次浮囊球面子午線的周長(zhǎng)和狀態(tài)，隨著浮囊壓力增大，外觀逐漸“南瓜化”，不同壓力下的浮囊外觀如圖13所示?？梢钥闯?，在8kPa和15kPa壓力下浮囊外觀可見(jiàn)明顯膨脹，外部限位帶由松弛變?yōu)榫o繃；壓力到40kPa時(shí)，限位帶完全繃貼在浮囊外面，40kPa下的浮囊表面形變率為11.2%，未爆破。

圖13 不同壓力下浮囊外觀

4.3 浮囊地面充氣展開(kāi)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證水域回收用航天器浮囊在艙內(nèi)是否能順利展開(kāi)，本文進(jìn)行了浮囊地面出艙充氣展開(kāi)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用高壓氣瓶作為展開(kāi)動(dòng)力源。

受航天器整體金屬艙結(jié)構(gòu)限制，儲(chǔ)存浮囊的艙體開(kāi)口面積小、進(jìn)深大，需要頂部拉斷銷釘，浮囊出艙前在艙內(nèi)即形成較大壓力，使浮囊與艙體壁之間產(chǎn)生較大摩擦力，不利于浮囊充氣展開(kāi)，對(duì)浮囊出艙工作過(guò)程有一定影響。

為減少浮囊出艙阻力，浮囊應(yīng)從進(jìn)氣閥端向頂端按“V”型進(jìn)行折疊，依次包裝到安裝結(jié)構(gòu)艙體內(nèi)，如圖14所示。這樣在充氣出艙時(shí)，浮囊可以按順序從頂端依次出艙，從而有效減少浮囊的出艙阻力。

圖14 浮囊艙內(nèi)折疊示意

從通氣瞬間開(kāi)始進(jìn)行了浮囊出艙的動(dòng)態(tài)拍攝，圖15所示為水域回收用航天器浮囊出艙不同時(shí)刻的順序展開(kāi)狀態(tài)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程囊體無(wú)破損，狀態(tài)保持至少3h無(wú)漏氣現(xiàn)象，展開(kāi)順暢。重復(fù)多次充氣展開(kāi)試驗(yàn)過(guò)程，均可以達(dá)到試驗(yàn)效果。

圖15 浮囊出艙展開(kāi)試驗(yàn)情況

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以研制的一種水域回收用航天器浮囊樣機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)FL-131聚氨酯膠布材料的性能指標(biāo)進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明該材料的經(jīng)緯向抗拉強(qiáng)度值最低為2.55MPa，可作為浮囊制造的主體材料。經(jīng)分析比較，拼接成形設(shè)備選用高頻板式高溫熔接設(shè)備，用該設(shè)備制作的25mm寬結(jié)構(gòu)樣條其抗拉強(qiáng)度達(dá)到2.49MPa，成形后強(qiáng)度略高于原材料，說(shuō)明高溫熔接拼接形式可靠有效，強(qiáng)度滿足浮囊的制造要求。此外，為使浮囊整體表面各處受力均勻，運(yùn)用中心輻射式布置裁剪線設(shè)計(jì)浮囊裁片樣板，按照該樣板裁剪材料，制作成形后的浮囊在內(nèi)壓8kPa狀態(tài)下，表面無(wú)褶皺，整體效果佳；浮囊的浮力損失為0.16%，浮囊內(nèi)部可承受不小于40kPa的工作壓力。該航天器浮囊在地面試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了順利出艙并穩(wěn)定展開(kāi)，浮囊整體無(wú)破壞、無(wú)漏氣，驗(yàn)證了制造技術(shù)的可行性。

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Floating Bag Manufacturing Technology for Returnable Spacecraft Recovery in Water

WANG Lei1,3ZHEN Duo1,2LIAO Hang1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Laboratory of Aerospace Entry, Descent and Landing Technology, CASC, Beijing 100094, China）（3 Tianjin Institute of Aerospace Mechanical and Electrical Equipment, Tianjin 300450, China）

Combined with the requirements of the configuration and high strength performance of a certain returnable spacecraft buoyant for recovery in water, a manufacturing technology of spacecraft buoyant is focused on in this paper. Fl-131 polyurethane tape is used as the main material of the buoyant, and its minimum longitudinal and latitude tensile strength is 2.55MPa. The manufacturing engineering of high frequency plate high temperature welding is used to make multiple groups of flat splines (25mm wide) structure splines. The splicing form has tensile strength of 2.56MPa and can be used as the main splicing form in the manufacturing of the whole floating tank structure. By hub-and-spoke arrangement work piece cut out of the line design, charging - 8kPa, after forming the overall no fold, the overall effect is good, the bladder charging - 40kPa, the surface has not been damaged, and implement a slight loss of buoyancy, has good air tightness and pressure resistance. In the simulated conditions on the ground out of the capsule test. The results shows no damage and air leakage on the bag surface and the inflatable deployment process of floating bag is smooth and successful. The feasibility of this technology in the manufacture of buoyancy capsule for water recovery of the returnable spacecraft is verified.

recovery in water;molding technology of floating bag; recovery spacecraft

V455

A

1009-8518(2022)05-0059-11

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.05.006

2021-12-30

王壘, 甄鐸, 廖航. 返回式航天器水域回收用浮囊制造技術(shù)[J]. 航天返回與遙感, 2022, 43(5): 59-69.

WANG Lei, ZHEN Duo, LIAO Hang. Floating Bag Manufacturing Technology for Returnable Spacecraft Recovery in Water[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(5): 59-69. (in Chinese)

王壘，男，1992年生，2019年獲河北工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)碩士學(xué)位，工程師。主要研究方向?yàn)楹教炱骰厥罩懴到y(tǒng)降落傘與空間柔性展開(kāi)結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)技術(shù)。E-mail：wlwangletan@foxmail.com。

（編輯：夏淑密）