李沫寧，孟軍輝，2，劉 莉

（1.北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100081；2.飛行器動力學(xué)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

1 引 言

柔性充氣結(jié)構(gòu)一般通過采用輕質(zhì)高強(qiáng)度柔性復(fù)合材料制成的氣囊結(jié)構(gòu)，封閉具有一定壓力的特定氣體，可作為無人系統(tǒng)的承力和傳力模塊或功能模塊。相比于傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)，具有氣體密度較小，有一定的流動性和可壓縮性的優(yōu)點(diǎn)，通過與柔性氣囊組合而成的柔性充氣結(jié)構(gòu)，具有成本低廉、存儲體積小、重量輕、剛度可調(diào)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難達(dá)到的性能。因此，柔性充氣結(jié)構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域各類無人系統(tǒng)上的應(yīng)用逐漸成為研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。

根據(jù)大英百科全書的定義，固體是指“在一定時(shí)間尺度上能夠抵抗大量剪切力的連續(xù)體”，而流體則不具有此種能力［1］。柔性充氣結(jié)構(gòu)由柔性氣囊和氣體組成，在一定程度上同時(shí)集合了固體和流體的特性，可將其認(rèn)為是具有特殊性能的復(fù)合材料。

根據(jù)柔性充氣結(jié)構(gòu)較之傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)不同的特點(diǎn)，其在不同無人系統(tǒng)中有著不同的應(yīng)用。首先，柔性充氣結(jié)構(gòu)通過氣囊內(nèi)部氣體壓力調(diào)整可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)較大變形和剛度的變化，理論上具有無限多自由度和連續(xù)變形能力，可在大范圍內(nèi)任意改變自身形狀和尺寸，從而通過狹窄縫隙或應(yīng)用于可變結(jié)構(gòu)剛度的系統(tǒng)；其次，可通過快速充放氣實(shí)現(xiàn)無人系統(tǒng)服役狀態(tài)下的快速成型與組裝，從而應(yīng)用于無法直接部署的太空、深?；虻叵驴臻g等；再者，可根據(jù)特定密度的氣體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺在其他介質(zhì)中沉浮，如飛艇通過氦氣或氫氣的靜浮力駐留在空中；另外，利用氣體的可壓縮性可實(shí)現(xiàn)對沖擊載荷的緩沖，從而研制成柔性充氣緩沖氣囊等。

本文對柔性充氣結(jié)構(gòu)在不同工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的無人系統(tǒng)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，分析柔性充氣結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并對充氣結(jié)構(gòu)研制過程中所面臨的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，旨在為相關(guān)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供初步的參考。

2 柔性充氣結(jié)構(gòu)在無人系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 柔性充氣結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

飛行器結(jié)構(gòu)作為承力和裝載的平臺，其自身質(zhì)量有著較為嚴(yán)格的限制，飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)很大一部分在于滿足承載和功能要求的前提下盡可能減輕結(jié)構(gòu)重量。充氣結(jié)構(gòu)作為無人飛行器的一部分，能夠有效地降低飛行器整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)服役狀態(tài)下快速充氣成型和組裝，近年來得到越來越多的重視，出現(xiàn)了多種新型的充氣式無人飛行器或無人系統(tǒng)。

航天技術(shù)及工程實(shí)踐的發(fā)展中始終存在著航天器體積重量與運(yùn)載器運(yùn)載能力的矛盾［2］。如何在有限的運(yùn)載能力條件下，提高航天器效能是研究的重點(diǎn)。輕質(zhì)柔性材料和折疊展開充氣結(jié)構(gòu)的發(fā)展為這一目標(biāo)提供了有效的技術(shù)途徑。充氣式結(jié)構(gòu)在未使用時(shí)處于折疊狀態(tài)，體積小、質(zhì)量輕、便于儲存與運(yùn)輸，展開后可獲得較大工作面、形式多樣。

二十世紀(jì)五十年代開始，人們就開始對充氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索，如Echo氣球衛(wèi)星等［3］。充氣式結(jié)構(gòu)可以提高飛行器運(yùn)載效率，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式無法達(dá)到的性能，使航空航天事業(yè)走向大型化、輕型化，具有廣闊的應(yīng)用前景。充氣式結(jié)構(gòu)廣泛用作航天器的結(jié)構(gòu)部件和功能部件，如充氣式太空艙、大面積天線、遮光罩、高功率太陽能電池板等［2］。也可作為航天器再入返回、探索火星等任務(wù)的減速緩沖結(jié)構(gòu)。

（1）大面積天線

1996年NASA成功完成了第一個(gè)大型高精度IAE空間可充氣展開天線軌道釋放試驗(yàn)［4］，展示和驗(yàn)證了這一新技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。美國Johns Hopkins應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室和ILC Dover公司成功研制出一種混合型充氣天線，該天線由固定拋物面盤和充氣反射環(huán)組成，保證可靠性的同時(shí)增加了天線面積。為降低對地成像的微波遙感合成孔徑雷達(dá)天線（SAR天線）的收攏質(zhì)量和尺寸，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）研發(fā)了圖2所示的由可卷曲充氣框架和柔軟輻射面組成的充氣式天線［5］。

（2）太陽能電池帆板

太陽能帆板是航天器的重要組成部分，為其運(yùn)行提供源源不斷的能源。隨著空間實(shí)驗(yàn)室、深空探測等任務(wù)的發(fā)展，衛(wèi)星所需功率將增加到幾千瓦，帆板展開后的長度將達(dá)到幾十米［6］。利用充氣式結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)展開結(jié)構(gòu)構(gòu)建超大型太陽能陣列，可達(dá)到降低重量成本與儲存容積，提高能量供給、延長衛(wèi)星工作時(shí)間的目的。

美國JPL為滿足DS4深空探測器12kW功率的要求，研制使用了兩個(gè)寬3m，長14m的充氣式太陽能帆板。全球衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)（Teledesic項(xiàng)目）中，充氣式太陽能電池組是降低生產(chǎn)成本的主要方案之一，圖3所示是ILC Dover公司設(shè)計(jì)制作用于部署試驗(yàn)的全尺寸原型展示單元［7］?；鹦翘綔y項(xiàng)目也需要大型太陽能陣列滿足功率要求，圖4是JPL研制的充氣展開太陽能電池陣原型［7］。

（3）遮光罩

航天器上的光學(xué)系統(tǒng)，特別是太空望遠(yuǎn)鏡，為航天器設(shè)備提供穩(wěn)定的熱環(huán)境，需要遮光罩來減少外部雜散光對探測的影響。充氣式展開遮光罩是一種高效、穩(wěn)定、輕質(zhì)、經(jīng)濟(jì)性好的途徑。下一代空間望遠(yuǎn)鏡（Next Generation Space Telescope，NGST）項(xiàng)目投入大量預(yù)算促進(jìn)這一技術(shù)的發(fā)展，并開展了地面試驗(yàn)以及準(zhǔn)備做空間試驗(yàn)。圖5所示是ILC Dover公司為此制作的半比例模型［7］。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，JWST）也擬采用充氣式遮光罩［6］。

圖1 IAE的充氣天線Fig.1 IAE inflatable antenna

圖2 充氣式SAR天線Fig.2 SAR inflatable antenna

圖3 Teledesic項(xiàng)目充氣太陽能電池組Fig.3 Inflatable solar array in Teledesic program

圖4 火星探測項(xiàng)目充氣展開太陽能電池陣原型Fig.4 Prototype of the inflatable solar array in Mars exploration program

圖5 下一代空間望遠(yuǎn)鏡NGST的半比例模型Fig.5 A semi-scale model of the next generation space telescope

（4）太陽能熱推進(jìn)聚光器與太陽帆

太陽能熱推進(jìn)聚光器的原理是利用太陽輻射能加熱推進(jìn)劑以獲得推力，與傳統(tǒng)推進(jìn)方式相比較，具有比沖高、無污染、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。充氣式展開聚光器適用于制造大面積（幾十至幾百平方米）的聚光器，在深空探測中有很大的應(yīng)用前景，但展開度低、存在褶皺、面差大、對日跟蹤難、地面試驗(yàn)重復(fù)性差等問題制約了其發(fā)展。

此外隨著深空探測任務(wù)的興起，太陽帆這種以太陽光壓為動力，無需自身攜帶燃料的推進(jìn)裝置受到航天界的重視。太陽帆可以通過驅(qū)動氣體驅(qū)動支撐管展開?？纤髮W(xué)開展地面試驗(yàn)，得到了不同充氣壓力下Z型充氣展開結(jié)構(gòu)的非線性剛度特性，為有限元工具的應(yīng)用提供強(qiáng)有力的實(shí)例［8］。佐治亞理工學(xué)院研究人員測量了充氣式太陽帆在充氣展開過程中的動態(tài)響應(yīng)，驗(yàn)證了該方案的可行性并研究了該過程可能出現(xiàn)的問題［9］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究人員根據(jù)充氣管充氣裝置位置建立了兩種模型，對太陽帆支撐管充氣展開有限元仿真模擬［10］。

（5）減速器

充氣式再入是一種在行星大氣再入過程中利用充氣形成的氣動外形，進(jìn)行防熱、減速和著陸減震的再入技術(shù)。充氣式再入減速器使載荷的外形設(shè)計(jì)不再局限于大鈍頭等氣動減速外形，發(fā)射時(shí)可折疊，可顯著減少質(zhì)量與體積，迎風(fēng)面積大，氣動加熱更低，集防熱、減速、減震功能于一體，簡化了回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［11］。

充氣式再入減速器作為一種新的高效再入減速技術(shù)，包括概念設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，已經(jīng)形成了六種典型結(jié)構(gòu)形式，即單充氣環(huán)薄膜型、雙充氣環(huán)薄膜型、堆疊圓環(huán)型、單層錐形充氣囊型、雙層錐形充氣囊型與氣球傘型等。美國研發(fā)了堆疊圓環(huán)形充氣減速器IRVE，并進(jìn)行數(shù)次試驗(yàn)，了解其空氣動力學(xué)特性。雙層錐形充氣減速器以歐洲和俄羅斯合作研究的充氣減速器技術(shù)（IRDT）為代表［12］。

（6）太空艙

充氣式載人艙于20世紀(jì)50年代開展研究，由于材料經(jīng)費(fèi)的限制，直到2006年，俄羅斯才成功發(fā)射創(chuàng)世紀(jì)1號充氣艙首次驗(yàn)證了充氣展開載人環(huán)境、承受發(fā)射載荷的折疊包裝、太空微重力條件下的充壓擴(kuò)展、柔性材料與金屬的結(jié)合、密封等關(guān)鍵技術(shù)。2006年，比格羅公司的BEAM充氣式居住艙成功在國際空間站上展開（見圖6），其容積為11.5m3。宇航員每年兩次進(jìn)入艙內(nèi)對其空間碎片防護(hù)性能、防輻射能力、熱防護(hù)性能、機(jī)械結(jié)構(gòu)性能、密封性等進(jìn)行測試驗(yàn)證。目前比格羅正在研發(fā)內(nèi)部空間達(dá)330m3的膨脹模塊B330［3］。我國研究人員對充氣式太空艙的折疊等進(jìn)行了研究與試驗(yàn)驗(yàn)證，研制了直徑2m、長近4m的艙體結(jié)構(gòu)。通過充水加壓的方法進(jìn)行內(nèi)部壓強(qiáng)試驗(yàn)，順利通過了兩個(gè)大氣壓的內(nèi)壓強(qiáng)度考核，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)［13］。

圖6 BEAM充氣式居住艙Fig.6 BEAM inflatable space station modules

（7）重力梯度桿

充氣式伸展臂是重力梯度桿的實(shí)現(xiàn)方式之一，結(jié)構(gòu)完全展開后可依靠支撐臂內(nèi)的自支撐增強(qiáng)條保持剛度［14］。這種基于自支撐增強(qiáng)條的充氣展開臂也應(yīng)用于太陽帆或充氣太陽能陣列的展開結(jié)構(gòu)中，具有質(zhì)量輕、收攏比大、可靠性高、熱穩(wěn)定性高、承載能力強(qiáng)、振動特性好及工程復(fù)雜程度低等優(yōu)點(diǎn)［15］。

國內(nèi)外研究主要集中在充氣展開自支撐增強(qiáng)條正、反向折疊的力學(xué)性能、充氣結(jié)構(gòu)動態(tài)特性以及試驗(yàn)檢測方法等方面［14］。2013年哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合北京空間機(jī)電研究所研制的3m長的充氣式重力梯度桿成功充氣展開，是國際上首次基于微衛(wèi)星開展的充氣式重力梯度桿的在軌測試［16］。

（8）著陸緩沖氣囊

緩沖氣囊可以減小裝備著陸時(shí)的沖擊載荷，在航天器軟著陸工程中應(yīng)用廣泛，例如地外星球探測器軟著陸的沖擊緩沖結(jié)構(gòu)、運(yùn)載火箭傘降回收裝置等。美國在1997年發(fā)射的火星探路者（MPF）探測器所用的是相互聯(lián)通的密閉型氣囊（見圖7）。2018年發(fā)射的BepiColombo水星探測器采用了雙環(huán)形布局的密閉氣囊來改進(jìn)登陸車姿態(tài)不可控的缺點(diǎn)［17］。圖8所示是歐空局于2016年發(fā)射的ExoMars火星探測器，采用組合式氣囊，環(huán)形主氣囊分成六個(gè)腔室，剛性實(shí)驗(yàn)平臺下方為密閉型環(huán)形氣囊［18］。

隨著商業(yè)航天的興起，為降低成本，可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭成為航天領(lǐng)域的熱點(diǎn)，運(yùn)載火箭的回收著陸技術(shù)受到廣泛關(guān)注。此外降低運(yùn)載火箭墜落速度，精確落點(diǎn)可減少對地面人員生命財(cái)產(chǎn)的威脅?；谌簜?緩沖氣囊的傘降回收著陸系統(tǒng)是適合于可重復(fù)使用運(yùn)載火箭回收的典型方案，若要定點(diǎn)回收可選擇具備機(jī)動滑翔能力的沖壓翼傘回收著陸系統(tǒng)［19］。

圖7 MPF采用的密閉型氣囊Fig.7 The airtight airbag used by MPF

圖8 ExoMars采用的組合式氣囊Fig.8 The modular airbag used by ExoMars

（9）飛艇

近年來，材料、推進(jìn)、太陽能電池板、能量儲存系統(tǒng)、優(yōu)化仿真等領(lǐng)域的發(fā)展，使人們重拾在無人監(jiān)測和載重運(yùn)輸任務(wù)中使用飛艇的信心。平流層飛艇飛行高度高、生存能力強(qiáng)、覆蓋范圍大，在情報(bào)收集、遙感監(jiān)測、預(yù)警探測、通信保障及對空對地作戰(zhàn)等領(lǐng)域具有極高軍用與民用價(jià)值。各國都將平流層飛艇作為戰(zhàn)略目標(biāo)，開展了可行性研究論證及飛行試驗(yàn)。圖9所示的美國高空無人飛艇HAA，擬布置在兩萬米的高空進(jìn)行導(dǎo)彈預(yù)警［20］。

圖9 美國的高空無人飛艇HAAFig.9 High altitude unmanned airship HAA of the United States

2005年，美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）分別授予洛克希德·馬丁公司和飛行航空系統(tǒng)公司“海象”（Walrus）項(xiàng)目第一階段合同，以評估大型空運(yùn)浮升混合飛行器概念，如圖10所示。

洛克希德·馬丁公司臭鼬工程部設(shè)計(jì)并研制出P-791的原型機(jī)，于2006年1月完成首飛。P-791將三個(gè)囊瓣整合為一個(gè)具有大的升阻比外形的完整艇囊，艇身兩側(cè)的四個(gè)矢量槳提供推力并輔助姿態(tài)調(diào)節(jié)。

圖10 海象計(jì)劃飛行器設(shè)想圖Fig.10 The aircraft diagram of walrus program

圖11 洛克希德·馬丁公司P-791混合飛行器Fig.11 The P-791 hybrid aircraft of Lockheed Martin Corporation

（10）充氣無人機(jī)

隨著無人機(jī)越來越多的應(yīng)用于各種軍用和民用活動，各國對無人機(jī)的輕量、便攜提出了更高要求。充氣機(jī)翼無人機(jī)可緊湊包裝、快速部署，具有重量輕、體積小、易運(yùn)載、生存率高、維修時(shí)間與成本低、易于培訓(xùn)操縱人員等優(yōu)點(diǎn)，適合對機(jī)動性與戰(zhàn)場信息要求越來越高的現(xiàn)代作戰(zhàn)系統(tǒng)。

美國研發(fā)了兩種用于炮筒發(fā)射的無人機(jī)，F(xiàn)ASM與GLOV。并成功進(jìn)行了NASA Dryden I2000充氣無人機(jī)高空投放、充氣展開試驗(yàn)。圖12所示為充氣展開過程。

圖12 Dryden I2000充氣機(jī)翼無人機(jī)飛行部署過程Fig.12 In-flight deployment sequence of Dryden I2000 inflatable wing aircraft

國內(nèi)外學(xué)者通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，得到了充氣機(jī)翼展開過程中的動力學(xué)特性［21］，也有學(xué)者對機(jī)翼的保形設(shè)計(jì)與氣動特性、初始形態(tài)問題進(jìn)行研究［22］。

在旋翼方面，國外無人機(jī)公司推出如圖13所示的軸為充氣結(jié)構(gòu)可水上起降的DIODON多旋翼無人機(jī)，拋棄傳統(tǒng)硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，降低結(jié)構(gòu)重量，提高續(xù)航時(shí)間。

圖13 DIODON充氣多旋翼無人機(jī)Fig.13 DIODON inflatable multi-rotor UAV

2.2 柔性充氣結(jié)構(gòu)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

傳統(tǒng)的無人系統(tǒng)平臺一般由剛性模塊通過各類運(yùn)動副連接構(gòu)成，每個(gè)運(yùn)動副提供一個(gè)（或多個(gè)）平動自由度或轉(zhuǎn)動自由度，通過滾動、滑動、行走、飛行、游動等實(shí)現(xiàn)運(yùn)動位置的變化或設(shè)計(jì)動作的執(zhí)行。盡管動力足、功率大、性能成熟，但是其剛性模塊設(shè)計(jì)、環(huán)境適應(yīng)性差等缺點(diǎn)很大程度上限制了其進(jìn)一步發(fā)展。

研究自然界生物系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，為了更好地適應(yīng)各種外界復(fù)雜環(huán)境，多數(shù)生物體結(jié)構(gòu)均為軟體結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外學(xué)者以此為啟發(fā)，近年來研制出了各種軟體無人系統(tǒng)平臺［23］，其結(jié)構(gòu)主要由可以承受大變形的非線性材料構(gòu)成，可以連續(xù)變形，具有極高的自由度，實(shí)現(xiàn)蠕動、扭轉(zhuǎn)、爬行、游動等運(yùn)動形式。可以根據(jù)實(shí)際需要任意地改變自身形狀和尺寸，在更加復(fù)雜的環(huán)境中作業(yè)，具有更高的安全性和更好的環(huán)境相容性，有著巨大的發(fā)展和應(yīng)用潛力［24］。柔性充氣結(jié)構(gòu)作為軟體結(jié)構(gòu)中較為特殊的一種，通過在封閉氣囊內(nèi)充入一定壓力的氣體，保證整體結(jié)構(gòu)具有一定的剛度，增加控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和電子系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)承力和裝載等功能［25］。

軟體機(jī)器人可采取氣壓驅(qū)動流體制動器FEA驅(qū)動，用于仿生機(jī)器人、機(jī)械手、外骨骼、超冗余機(jī)械臂等方面。如圖14所示，是2014年麻省理工大學(xué)研制的機(jī)器魚，采用的是FEA作動器，通過加壓使空腔膨脹，同時(shí)限制軸向伸縮并把壓縮氣體的能量引向彎曲方向?qū)崿F(xiàn)尾部擺動［26］。

圖14 仿生魚機(jī)器人與作動器Fig.14 Bionic fish robot and its actuator

2015年歐盟某項(xiàng)目的研究人員，受章魚啟發(fā)設(shè)計(jì)了冗余軟體機(jī)械臂（見圖15），主要用于微創(chuàng)手術(shù)，避免內(nèi)窺鏡對人體器官碰觸甚至刺破的危險(xiǎn)［26］。

圖15 仿章魚軟體機(jī)械臂Fig.15 Bionic octopus soft robotic arm

斯坦福大學(xué)研發(fā)了仿藤蔓生長的軟體機(jī)器人，如圖16所示，通過向管內(nèi)加壓使向內(nèi)折疊的部分展開，尖端快速延長，并利用控制方向的傳感器控制前進(jìn)方向。實(shí)驗(yàn)證明仿藤蔓自生長機(jī)器人可舉起重物，穿越水面陸地上的各種障礙物，并能抵御火焰，未來可在勘探救援領(lǐng)域發(fā)揮重要作用［27］。

圖16 仿藤蔓自生長軟體充氣式機(jī)器人Fig.16 Vine-like self-growing soft inflatable robot

機(jī)械臂的連桿已經(jīng)可以用充氣結(jié)構(gòu)制造，然而關(guān)節(jié)往往仍采用傳統(tǒng)剛性材料設(shè)計(jì)制造，更重且存在危及人員或財(cái)產(chǎn)安全的可能性。法國原子能委員會的交互式機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室為避免工人的核輻射開發(fā)了一種完全采用充氣結(jié)構(gòu)的機(jī)器人充氣檢查臂。測試顯示充氣關(guān)節(jié)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)具有相同的力學(xué)性能［28］。

為提高人與機(jī)器人交互的安全性，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究人員用充氣結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)（如圖17），提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)安全交互的機(jī)械手接觸檢測和反應(yīng)方案［29］。

圖17 卡內(nèi)基梅隆大學(xué)充氣式機(jī)械手Fig.17 Inflatable manipulator developed by Carnegie Mellon University

上海宇航系統(tǒng)工程研究所的研究人員提出了一種基于仿章魚充氣軟體機(jī)器人的空間碎片柔性、自適應(yīng)捕獲裝置，并針對典型任務(wù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。相對于剛性捕獲，軟體材料能夠減小碰撞時(shí)的沖擊、吸收能量［30］。

3 柔性充氣結(jié)構(gòu)應(yīng)用于無人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

柔性充氣結(jié)構(gòu)被廣泛用于人們探索世界以及社會生活的進(jìn)程中，在水陸空天都能見到柔性充氣結(jié)構(gòu)的身影。航空航天應(yīng)用的大型充氣展開結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備涉及的領(lǐng)域較多，主要包括化學(xué)材料、包裝展開技術(shù)、表面工程、工程測量、動力學(xué)以及氣動建模仿真等［5］。軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)開發(fā)也需要多學(xué)科同步信息，其關(guān)鍵技術(shù)涉及到材料選擇、運(yùn)動學(xué)動力學(xué)建模、運(yùn)動控制等方面。本文結(jié)合柔性充氣結(jié)構(gòu)的具體應(yīng)用，闡述其關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 高性能柔性氣囊材料技術(shù)

柔性充氣結(jié)構(gòu)應(yīng)用于無人系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，柔性氣囊高性能材料技術(shù)成為其研制的基礎(chǔ)。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，氣囊材料需要滿足的性能也不盡相同，通常采用高性能薄膜材料或柔性纖維薄膜層壓復(fù)合材料等。一般情況下，為降低任務(wù)的效費(fèi)比、提高結(jié)構(gòu)可靠性與工作時(shí)間，要求其材料具有輕質(zhì)、柔性、氣密性好、耐高溫及防輻射等性能［31］。

（1）氣密性。柔性充氣結(jié)構(gòu)在無人系統(tǒng)中無論是用于提供剛度、承受載荷、氣動控制或提供靜浮力，均需要保證氣囊內(nèi)部的氣密性，如充氣式無人機(jī)需要通過氣密性保證結(jié)構(gòu)剛度、平流層飛艇需要保證阻氦性以保持整體靜浮力等?，F(xiàn)有無人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常采用氣密性良好的涂層浸泡或薄膜復(fù)合材料，如聚氟乙烯PVF膜（Tedlar）、聚亞胺酯、聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜等。

（2）輕質(zhì)柔性高強(qiáng)度。充氣式結(jié)構(gòu)應(yīng)用于無人系統(tǒng)通常需要承受內(nèi)部氣體壓力、外部沖擊載荷、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制力等，同時(shí)為了防止在運(yùn)輸或服役過程中外部環(huán)境的剮蹭、拉扯、磨損、充氣展開等導(dǎo)致的撕裂破壞，要求氣囊材料具有一定的強(qiáng)度。通常通過高強(qiáng)度薄膜或高強(qiáng)度纖維編織材料實(shí)現(xiàn)，如聚酯尼龍、聚酰亞胺以及PBO、Vectran等。充氣式軟體機(jī)器人常用的柔性材料的楊氏模量如圖18所示，此類材料通常具有較好的柔度。

（3）耐環(huán)境性。對于具有特殊服役環(huán)境的無人系統(tǒng)，為了保證其運(yùn)行的可靠性，需要?dú)饽也牧暇哂休^好的耐環(huán)境性，如航空航天充氣式無人飛行器需要承受紫外照射、空間輻射、高低溫交變等復(fù)雜的空間環(huán)境。對于柔性氣囊材料，通常通過層合或者涂覆耐環(huán)境層以保證惡劣環(huán)境下服役的高可靠性的要求。高分子氟化物耐環(huán)境性能優(yōu)越，但同時(shí)必須在其內(nèi)部添加防老化劑，以防止紫外線對氣囊內(nèi)層材料的傷害。另外，聚偏二氟乙烯（PFDF）、聚氟乙烯PVF膜等也具有較好的耐環(huán)境性。

圖18 工程中軟體機(jī)器人常用柔性材料楊氏模量對比［32］Fig.18 Approximate Young’s modulus of engineering and biological materials

充氣結(jié)構(gòu)應(yīng)用于無人系統(tǒng)，要綜合考慮氣囊材料的物理、機(jī)械性能、成熟度、效費(fèi)比等因素進(jìn)行選材，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對于大型航空航天無人系統(tǒng)，其氣囊材料通常采用高強(qiáng)纖維編織材料作為承力層，高分子薄膜或涂層作為阻氣層或耐環(huán)境層。另外，近年來隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造工具的快速發(fā)展，各種新型充氣式軟體機(jī)器人成為可能［33］。研究者通過采用快速高效的加工工藝，如3D打印技術(shù)、形狀沉積制造技術(shù)（SDM）和軟光刻蝕技術(shù)等，將不同的非均質(zhì)材料（如不同模量的橡膠、嵌入式電子和安裝驅(qū)動器的內(nèi)部通道等）復(fù)合而成復(fù)雜的軟體機(jī)器人。

3.2 柔性充氣結(jié)構(gòu)折疊和展開技術(shù)

充氣結(jié)構(gòu)依賴充入氣體來保證外形與剛度，但對于航空航天中充氣結(jié)構(gòu)，多數(shù)要求運(yùn)載發(fā)射過程中處于折疊狀態(tài)以占用較小的體積，而處于服役狀態(tài)時(shí)再選擇合適的充氣方式將其快速充氣展開。柔性氣囊常用的折疊方式有Z型折疊、E型折疊等，展開方式有旋轉(zhuǎn)展開、仿生展開等。按照充氣系統(tǒng)的工作方式可分為持續(xù)充氣（CI）結(jié)構(gòu)、剛性充氣（RI）化結(jié)構(gòu)、一次性充氣（SI）結(jié)構(gòu)［34］。例如像“天地間先進(jìn)無線電干涉測量”（ARISE）需要較高的形面精度，只有CI系統(tǒng)才能滿足要求。RI系統(tǒng)剛性化的方法有兩種，一種是永久性發(fā)泡介質(zhì)填充，另一種是使用硬化材料如熱固性復(fù)合材料、紫外光固化復(fù)合材料等，可降低撞擊帶來的氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)，如美國的JWST就采取RI系統(tǒng)。

對于大型航空航天結(jié)構(gòu)，如充氣天線自身剛度較低、在展開過程中受到氣壓變化、邊界擾動易變形，提高形面精度是充氣天線應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)，因此需要合理選擇充氣方式和氣體生成方式，保證形面精度，降低充氣系統(tǒng)的質(zhì)量。

3.3 柔性充氣結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬與仿真

充氣結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究往往面臨著真空和微重力環(huán)境模擬困難、地面試驗(yàn)重復(fù)性差、試驗(yàn)設(shè)備能力有限、試驗(yàn)費(fèi)用高昂的問題。數(shù)值模擬方法可以有效的模擬空間環(huán)境，減少試驗(yàn)所需的時(shí)間和費(fèi)用，是一種有效的動態(tài)分析方法，在動力學(xué)、氣動分析優(yōu)化方面應(yīng)用廣泛［35］。

大型空間結(jié)構(gòu)在太空工作時(shí)會受到熱輻射梯度、空間碎片撞擊、姿態(tài)調(diào)整等各種各樣的外界和內(nèi)部因素的干擾，激發(fā)出復(fù)雜的動態(tài)響應(yīng)。由于外部無阻尼，大型空間結(jié)構(gòu)內(nèi)部阻尼又很小，動態(tài)響應(yīng)一旦被激起便很難衰減，會給航天器帶來很嚴(yán)重的影響。充氣薄膜結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性受結(jié)構(gòu)彈性、微分剛度、幾何非線性、結(jié)構(gòu)和氣動耦合等因素的影響，十分復(fù)雜。因此開展相關(guān)的理論研究及數(shù)值模擬十分重要。

航天器運(yùn)行時(shí)會受到流星以及衛(wèi)星碰撞后產(chǎn)生的太空碎片影響，因此需要對柔性充氣結(jié)構(gòu)展開空間碎片超高速撞擊及防護(hù)設(shè)計(jì)的研究。目前大部分超高速撞擊研究都是針對金屬結(jié)構(gòu)，對柔性薄膜的研究尚待進(jìn)行。

另外數(shù)值仿真及優(yōu)化在充氣式再入減速器再入時(shí)氣動力、氣動熱多物理場耦合分析，緩沖氣囊工作性能的仿真分析，仿真穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)都有應(yīng)用?？晒?jié)省試驗(yàn)時(shí)間與費(fèi)用，為初期選型、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，縮短研發(fā)周期。

3.4 柔性充氣結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模與控制

柔性充氣結(jié)構(gòu)作為機(jī)器人承力或功能結(jié)構(gòu)的新形式，近年來取得了長足進(jìn)步，在勘探、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景，但其研究與應(yīng)用仍處于剛起步階段。柔性充氣結(jié)構(gòu)應(yīng)用于無人系統(tǒng)的發(fā)展涉及到材料科學(xué)、機(jī)電、控制、生物工程等多個(gè)學(xué)科，從材料選擇、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建模、控制算法到制造生產(chǎn)還有許多問題需要深入研究。

控制傳統(tǒng)剛性無人系統(tǒng)的算法不適用于柔性充氣結(jié)構(gòu)，因此真正精確控制柔性充氣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的無線自由度運(yùn)動需要更優(yōu)異的控制算法。為進(jìn)一步平衡靈活性、承載能力、可靠性，需要建立精確的物理模型，涉及到多學(xué)科同步分析，將集成傳感器、致動器、機(jī)載計(jì)算機(jī)集成在柔性材料中，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動。為使柔性充氣結(jié)構(gòu)真正的在醫(yī)療、探測等領(lǐng)域造福人類，要積極的將材料科學(xué)與生物工程科學(xué)聯(lián)合起來開發(fā)滿足生物相容性的柔性材料，將新生產(chǎn)工藝及技術(shù)運(yùn)用到生產(chǎn)中，使生產(chǎn)規(guī)?；?、商業(yè)化。

4 結(jié)束語

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，太空成為各國科技競爭、戰(zhàn)略部署的新制高點(diǎn)，人們探索太空的腳步也逐步邁向深空。航空航天裝備水平是國家航天能力的核心標(biāo)志，是國家高科技生產(chǎn)力的重要體現(xiàn)。同時(shí)，無人系統(tǒng)在醫(yī)療、制造、環(huán)境勘探等領(lǐng)域的發(fā)展，會給人類的社會生產(chǎn)生活帶來極大的便利。

研究柔性充氣式結(jié)構(gòu)會是這一切很好的切入點(diǎn)。能夠?yàn)楹教炱鞔笮突p量化的發(fā)展目標(biāo)、高效能減速器的設(shè)計(jì)、太空旅館概念的實(shí)現(xiàn)提供可行的技術(shù)途徑。同時(shí)，充氣結(jié)構(gòu)也用在飛艇、無人機(jī)、機(jī)器人等領(lǐng)域，可在信息獲取方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。相信隨著柔性充氣式無人系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及人機(jī)交互水平的提高，將對醫(yī)療康復(fù)、勘探救援等領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆式的影響。所以我們應(yīng)該放眼未來，挖掘柔性充氣結(jié)構(gòu)的發(fā)展?jié)摿Γタ思夹g(shù)難點(diǎn)，提高可靠性，不斷創(chuàng)新。