王立武 李博 武士輕 竺梅芳 廖航 王奇

(1 北京空間機(jī)電研究所,北京 100094)

(2 中國航天科技集團(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)

人類空間活動的增加,對空間物資下行、航天器返回及壽命末期離軌等航天進(jìn)入減速與著陸技術(shù)提出了更高的要求,極大促進(jìn)了柔性可展開減速技術(shù)尤其是柔性主動展開減速技術(shù)的發(fā)展,積累了一定的技術(shù)積淀和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

當(dāng)前,充氣式再入減速器、増阻離軌帆、緩沖氣囊等柔性主動展開減速裝置在航天進(jìn)入減速與著陸領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。這些柔性主動展開減速裝置的共同特點(diǎn),是將一種折疊包裝成較小體積的柔性產(chǎn)品,通過主動展開手段,在特定環(huán)境下展開并完成特定功能。這種柔性主動展開技術(shù)在產(chǎn)品輕質(zhì)化、空間利用優(yōu)化等方面具有顯著效果,尤其在應(yīng)用于空間產(chǎn)品時可顯著降低發(fā)射成本,具有明顯優(yōu)勢[2]。

隨著空間技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,許多科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域均提出了對大尺度面狀產(chǎn)品的需求,而受限于質(zhì)量、體積與發(fā)射能力,已無法采用剛性結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì),柔性可展開技術(shù)已成為解決這一難題的最佳方案之一[3]。20 世紀(jì)90 年代以來,各種充氣天線、充氣展開太陽能電池陣、空間遮光罩等空間柔性主動展開產(chǎn)品陸續(xù)投入工程應(yīng)用[3-5],成為了空間應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

除此之外,空間柔性艙等大尺度空間立體結(jié)構(gòu)也是柔性主動展開技術(shù)的另一大應(yīng)用領(lǐng)域,NASA、畢格羅公司、約翰遜空間中心等均對空間充氣艙展開了工程研究[6-7]。

近年來,國內(nèi)在柔性主動展開技術(shù)研究方面也取得了一系列進(jìn)展,北京空間機(jī)電研究所依托在回收著陸專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ),先后研制并成功應(yīng)用了充氣展開重力梯度桿、高分七號衛(wèi)星遮光罩、50/70周年國慶天安門廣場紅宮燈、新一代載人飛船試驗(yàn)船緩沖氣囊系統(tǒng)等柔性主動展開產(chǎn)品,其中基于新一代載人飛船的大載重氣囊緩沖系統(tǒng),達(dá)到了國際先進(jìn)水平,填充了這一領(lǐng)域的國內(nèi)空白。同時,研究所還在增阻離軌裝置、充氣再入下降技術(shù)系統(tǒng)(IRDT)裝置、空間充氣艙、空間柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)以及柔性充氣翼、低空減速緩沖裝置等其他應(yīng)用領(lǐng)域開展了柔性主動展開技術(shù)的研究。

柔性主動展開技術(shù)在以空間應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橹鞯谋姸嗫茖W(xué)應(yīng)用領(lǐng)域均有著廣泛應(yīng)用與需求,針對航天器柔性主動展開裝置開展基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究具有強(qiáng)烈的必要性和現(xiàn)實(shí)意義。文章通過對航天器柔性主動展開技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,發(fā)展情況、關(guān)鍵技術(shù)以及當(dāng)前待攻克技術(shù)難題等的介紹,凸顯了柔性主動展開技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢,梳理并聚焦了關(guān)鍵技術(shù)難題,對柔性主動展開技術(shù)在航天領(lǐng)域的工程應(yīng)用,以及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展提出了呼吁。

1 航天器柔性主動展開裝置簡介

1.1 航天器柔性主動展開裝置分類

從功能上講,航天器柔性主動展開裝置可分為展開減速裝置和其他功能展開裝置。展開減速裝置主要是指利用柔性主動展開結(jié)構(gòu),通過氣動力、支撐力等對目標(biāo)進(jìn)行減速的裝置,圖1所示的增阻離軌裝置、IRDT、充氣再入返回飛行器(IRVE)、緩沖氣囊等低空減速緩沖裝置均屬于展開減速裝置;其他功能展開裝置的功能則較為多樣化,圖2所示的充氣天線、太陽電池陣、遮光罩、空間充氣艙等均為其他功能展開裝置。

圖1 展開減速裝置Fig.1 Deployable decelerators

圖2 其他功能展開裝置Fig.2 Deployable devices with other function

航天器柔性主動展開裝置從展開形式上可分為充氣展開與機(jī)械展開兩類。充氣展開是以充氣的方式對內(nèi)為空腔的充氣展開結(jié)構(gòu)進(jìn)行可控展開,目前在大型空間柔性主動展開裝置中得到了廣泛應(yīng)用。其氣源形式包括高壓氣瓶、氣體發(fā)生器以及粉末升華等不同技術(shù)途徑,對于需要長期在軌運(yùn)行的結(jié)構(gòu)在充氣結(jié)構(gòu)完全展開后需要進(jìn)一步對材料進(jìn)行剛化以滿足工作需求[8],對于一些較短時間的應(yīng)用情況,利用充氣后形成的壓差維形以保證剛度亦可滿足要求。

機(jī)械展開則是以機(jī)械展開結(jié)構(gòu)將附在展開結(jié)構(gòu)上的柔性薄膜展開成型。相對充氣展開,機(jī)械展開在展開裝置尺度較大時,往往存在附加質(zhì)量大,收攏展開構(gòu)型受約束等問題。

1.2 航天器柔性主動展開裝置的應(yīng)用

航天器柔性主動展開裝置憑借質(zhì)量輕、展收比大、結(jié)構(gòu)形式多樣的優(yōu)勢,在諸多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用,是解決空間大尺度、大質(zhì)量產(chǎn)品輕量化問題的重要技術(shù)途徑。

利用柔性展開裝置為飛行器進(jìn)行減速是當(dāng)前較為常見的一種手段,除了降落傘、翼傘等被動展開減速器外,國內(nèi)外在緩沖氣囊、低空減速緩沖裝置、充氣式可展開氣動減速裝置、充氣式增阻離軌裝置等柔性主動展開減速裝置等方面也均開展了廣泛的研究和技術(shù)驗(yàn)證。美國在獵戶座飛船和波音載人飛船(Starliner)研制過程中先后發(fā)展了組合式緩沖氣囊系統(tǒng);俄羅斯研制了集低空減速與緩沖為一體的高樓救生裝置,先后數(shù)次進(jìn)行了IRDT 驗(yàn)證器飛行試驗(yàn),美國發(fā)展了IRVE充氣飛行器、超聲速充氣減速器(Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator,SIAD)和高超聲速充氣減速器(Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator,HIAD)和可用于3U 立方體衛(wèi)星減速離軌的納帆-D2(NanoSail-D)制動帆[9]。

另一方面,超大口徑天線、大尺度遮光罩、大面積太陽能電池陣等大尺度空間面狀產(chǎn)品日益成為制約空間開發(fā)、探索能力的瓶頸。在空間環(huán)境下,重力幾乎為零,大氣環(huán)境也為稀薄,粒子流氣動力極小,因而對大尺度產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求相對不高,較為適合柔性主動展開結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。美國在充氣展開大口徑天線、充氣展開大面積太陽電池陣以及大尺度空間造光罩等方面均展開了技術(shù)研究與在軌試驗(yàn)驗(yàn)證;歐空局進(jìn)行了充氣展開大口徑天線的研制,并通過與NASA 以及JAXA 的合作對柔性遮光罩進(jìn)行了研究。日本研制的“伊卡洛斯”(IKAROS)太陽帆利用太陽光壓作為主推進(jìn),成功實(shí)現(xiàn)了100 m/s的太陽光壓速度增量[10]。

空間充氣艙等大尺度空間立體結(jié)構(gòu)也是柔性主動展開裝置的一大應(yīng)用領(lǐng)域,其憑借質(zhì)量輕、發(fā)射體積小、功能集成度高以及工程實(shí)施方便等優(yōu)點(diǎn),成為了解決當(dāng)前較低發(fā)射能力與快速增長的航天任務(wù)之間矛盾的最佳途徑之一。美國畢格羅航天公司以NASA充氣式轉(zhuǎn)移太空艙(TransHab)的相關(guān)研究為基礎(chǔ),先后研制了Genesis-I和Genesis-l和“比奇洛”充氣式活動太空艙(Bigelow Expandable Activity Module,BEAM);馬里蘭大學(xué)與約翰遜空間中心分別研制了XHab充氣式居住艙與LS1型充氣式月球艙。

綜上所述,由于柔性主動展開裝置在飛行器減速,大尺度空間面狀與立體結(jié)構(gòu)構(gòu)建、空間居住環(huán)境改善等方面均具有顯著優(yōu)勢,其已被廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)領(lǐng)域,成為解決限制空間技術(shù)發(fā)展的一些主要問題的最佳技術(shù)途徑之一。

2 航天器柔性主動展開技術(shù)內(nèi)涵及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 技術(shù)內(nèi)涵

雖然航天器柔性主動展開裝置根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域其具體功能不盡相同,但其本質(zhì)都是將柔性產(chǎn)品主動展開成預(yù)定形狀以便發(fā)揮相應(yīng)功能。其工作過程中都需要經(jīng)歷折疊存儲、主動展開、保形承擔(dān)相應(yīng)功能等幾個階段。這其中,折疊形式即決定了柔性主動展開裝置的存儲形狀與體積,同時也影響著其主動展開過程的實(shí)現(xiàn)。而主動展開過程作為一個動態(tài)過程,其無論是通過充氣展開還是機(jī)械展開,過程中柔性結(jié)構(gòu)的變化都有著非線性強(qiáng)、隨機(jī)性和變形幅度大的特點(diǎn),是關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。同時,主動展開過程也是柔性主動展開裝置承擔(dān)相應(yīng)功能的先決條件。保形承擔(dān)相應(yīng)功能是柔性主動展開裝置的最終目的,充氣結(jié)構(gòu)剛化技術(shù)等保形手段,以及承擔(dān)相應(yīng)功能過程中的剛-柔耦合系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)等關(guān)鍵特性,也均是柔性主動展開裝置研究中重要的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

柔性主動展開裝置的工作過程是較為復(fù)雜的力學(xué)分析問題,對其在基礎(chǔ)理論方面進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究,可以更好的獲得準(zhǔn)確的力學(xué)和運(yùn)動學(xué)特性,為實(shí)際工程應(yīng)用打好基礎(chǔ)。從柔性主動展開裝置的工作特點(diǎn)來看,其主要有以下3個方面的共性關(guān)鍵技術(shù)。

1)柔性展開結(jié)構(gòu)折疊技術(shù)

柔性展開結(jié)構(gòu)的折疊主要是指其中薄壁管柱和薄膜結(jié)構(gòu)的折疊[11]。薄壁管柱折疊主要包括卷曲折疊法、Z字形折疊法、折紙模式折疊法、圓錐層合折疊法等。近年來,各種折紙技術(shù)在空間柔性展開結(jié)構(gòu)的應(yīng)用成為了熱點(diǎn)。對于薄壁管柱的折疊已經(jīng)出現(xiàn)了Yoshimura折疊法、Bellows波紋管折紙法、Miura折疊法、螺旋三角折疊法等多種基于折紙模式的折疊方法。國外學(xué)者針對Miura折疊充氣柱與Yoshimura折疊充氣柱進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究。結(jié)果表明Miura折疊相比Yoshimura折疊的展開性能更好,展開更為流暢且展開后的直線度指標(biāo)更優(yōu)。螺旋三角折疊法是英國劍橋大學(xué)Calladine CR 教授在研究生物結(jié)構(gòu)力學(xué)時發(fā)現(xiàn)的,其包括一系列螺旋線分割成的剛性三角形板塊,具有小位移機(jī)制[12]。

薄膜折疊又可分為平面折疊和曲面折疊。平面折疊主要包括旋轉(zhuǎn)傾斜折疊、葉內(nèi)折疊法、葉外折疊法、Miura折疊法等[13],其中旋轉(zhuǎn)傾斜折疊主要適用于自旋展開的薄膜結(jié)構(gòu)。常見的曲面折疊包括錐面折疊、球面折疊、拋物面折疊等,在平面折疊方法的基礎(chǔ)上通過改變平面折疊結(jié)構(gòu)中的折痕夾角,就可以得到相應(yīng)的錐面或球面折疊方法。拋物面折疊多用于拋物面的充氣展開,分為非對稱折疊與對稱折疊兩種方式,其充氣展開過程分別如圖3所示。

圖3 拋物面展開過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of paraboloid’s unfolding process

2)柔性展開結(jié)構(gòu)展開過程動力學(xué)分析

柔性展開結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析主要包括充氣展開結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析與薄膜結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析。

充氣展開結(jié)構(gòu)的充氣展開過程是較為復(fù)雜的動力學(xué)過程,十幾年來大量學(xué)者從不同切入角度,運(yùn)用動力學(xué)方法、有限元方法以及非線性方法對這一動力學(xué)過程進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[14]采用控制體積模型,應(yīng)用非線性大變形動力分析軟件LS-Dyna進(jìn)行了Z形折疊、卷曲折疊和變直徑伸縮式折疊等三種薄膜管的充氣展開動力學(xué)研究。文獻(xiàn)[15]用流-固耦合方法對伸縮式充氣支撐管進(jìn)行了模擬,建立了有限元模型,結(jié)果表明,流-固耦合模型更能真實(shí)的反映展開過程,但是需要更長的時間步長。文獻(xiàn)[16]將剛性鏈之間用非線性旋轉(zhuǎn)彈簧以及線性旋轉(zhuǎn)阻尼鉸進(jìn)行連接,采用二維剛性鏈系統(tǒng)研究充氣管的展開動力學(xué)。

薄膜結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析較為復(fù)雜,技術(shù)難點(diǎn)也較多,目前針對其的研究主要集中于薄膜展開運(yùn)動非線性有限元彈性動力學(xué)分析、薄膜局部屈曲、褶皺膜結(jié)構(gòu)展開動力學(xué)分析等方面[17]。日本大學(xué)基于能量動量法(EMM),應(yīng)用非線性有限元分析軟件Abaqus對對IKAROS太陽帆的展開運(yùn)動進(jìn)行了非線性有限元彈性動力學(xué)分析。日本工業(yè)大學(xué)通過有限元仿真對折疊太陽帆局部屈曲的細(xì)節(jié)進(jìn)行了研究,確定了空間膜的折疊尺寸和殘余變形。美國加州工業(yè)大學(xué)研究了膜厚度和折痕密度對展開褶皺膜結(jié)構(gòu)所需的力的影響。

3)剛-柔耦合系統(tǒng)動力學(xué)分析

柔性主動展開裝置在主動展開發(fā)揮相應(yīng)功能的過程中,均屬于剛-柔耦合系統(tǒng)。但應(yīng)用于不同領(lǐng)域的柔性主動展開系統(tǒng),其動力學(xué)特性相差較大。如緩沖氣囊,低空減速緩沖裝置等緩沖裝置主要涉及緩沖過程動力學(xué)分析,IRDT 等應(yīng)用于中間層大氣的減速器主要涉及氣動力學(xué)分析,增阻離軌裝置、空間充氣艙、空間充氣天線等空間柔性主動展開裝置主要涉及剛-柔耦合系統(tǒng)姿軌控動力學(xué)分析等。緩沖氣囊緩沖過程動力學(xué)分析方面主要分為解析法和有限元法,Esgar和Morgan在假設(shè)氣囊內(nèi)氣體為理想氣體的前提下,以力學(xué)平衡方程和熱力學(xué)方程為基礎(chǔ),對氣囊緩沖過程進(jìn)行了動力學(xué)分析;Tutt等通過有限元仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了“獵戶座”載人飛船緩沖氣囊的緩沖過程動力學(xué)特性[18]。Likins、Modi、Kane等是最早研究柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)理論的學(xué)者們,他們提出了混合坐標(biāo)法、Kane方法等動力學(xué)建模方法,極大地促進(jìn)了柔性多體系統(tǒng)理論的發(fā)展[18]。國內(nèi)柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)建模研究領(lǐng)域的學(xué)者繆炳祺、閻紹澤、李東旭等對柔性航天器動力學(xué)模型、剛?cè)狁詈虾教炱鲃恿W(xué)及附件振動抑制等方面進(jìn)行了深入研究,取得了豐碩的成果[19-21]。

除上述關(guān)共性鍵技術(shù)之外,根據(jù)功能特點(diǎn)及應(yīng)用環(huán)境的不同,航天器柔性主動展開裝置在工作中還可能會涉及空氣動力學(xué)、流固熱多物理場耦合、空間環(huán)境適應(yīng)性及剛化等關(guān)鍵技術(shù)。圖4結(jié)合工程應(yīng)用需求,對柔性主動展開技術(shù)的共性基礎(chǔ)技術(shù)和個性化關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。

圖4 柔性主動展開技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)分布Fig.4 Key technical distribution of flexible active deployment technology

由圖4可見,柔性主動展開裝置涉及的技術(shù)與學(xué)科交叉度和難度都極高,其中如在軌剛化技術(shù)、撓性結(jié)構(gòu)振動動力學(xué)等都還需要繼續(xù)進(jìn)行深入研究。

充氣結(jié)構(gòu)在空間充氣展開后一般需要進(jìn)行柔性結(jié)構(gòu)剛化,以維持結(jié)構(gòu)表面形狀并確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。剛化的功能就是在柔性材料結(jié)構(gòu)充氣展開之后,通過某種方式使材料達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度與剛度。常用的剛化技術(shù)主要有:熱固性剛化,紫外剛化,充氣氣體反應(yīng)剛化,增塑劑或溶劑揮發(fā)剛化,鋁/聚合物層合結(jié)構(gòu)剛化,泡沫剛化以及基于溫度變化的形狀記憶剛化等。但當(dāng)前上述在軌剛化手段都還存在一定的應(yīng)用限制,未能展開大規(guī)模工程應(yīng)用。

大型空間主動展開結(jié)構(gòu),自身材料提供的阻尼系數(shù)有限,太空中空氣稀薄,由空氣產(chǎn)生的阻尼作用也很小。因此當(dāng)大型空間主動展開結(jié)構(gòu)由各種因素引起自由振動后很難通過自身結(jié)構(gòu)對振動進(jìn)行衰減。當(dāng)前常用的振動抑制方法主要有3種,被動控制、主動控制和主被動一體化控制。這3種振動抑制方法各有優(yōu)缺點(diǎn),還有著進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

基礎(chǔ)技術(shù)研究是掌握關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的基礎(chǔ),也是當(dāng)前制約航天器柔性主動展開技術(shù)工程應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。對航天器柔性主動展開技術(shù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入理論研究,是推動其在諸多科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大范圍工程應(yīng)用的先決條件之一。

3 結(jié)束語

航天領(lǐng)域?qū)p質(zhì)、高展收比結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的需求促進(jìn)了柔性主動展開技術(shù)的發(fā)展,多種形式的柔性主動展開裝置在航天領(lǐng)域進(jìn)行了工程應(yīng)用,推動了一系列航天工程難題的解決,具有廣闊的應(yīng)用前景。但同時柔性主動展開裝置在航天領(lǐng)域的廣泛工程應(yīng)用還需要一系列基礎(chǔ)理論技術(shù)的支持。隨著我國航天技術(shù)的發(fā)展,也越來越多地需要各種航天器柔性主動展開裝置的在軌應(yīng)用,在這一階段,迫切需要對航天器柔性主動展開技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行深入研究,打通關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。根據(jù)當(dāng)前柔性主動展開技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景,建議從以下3個方面著手,推動航天器柔性主動展開技術(shù)的發(fā)展。

(1)吃透柔性展開結(jié)構(gòu)折疊技術(shù)、柔性展開結(jié)構(gòu)展開過程動力學(xué)分析、剛-柔耦合系統(tǒng)動力學(xué)分析等共性基礎(chǔ)理論技術(shù),奠定技術(shù)基礎(chǔ),為柔性主動展開裝置的航天工程應(yīng)用提供技術(shù)保障。

(2)加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科與交叉學(xué)科的研究,通過工程問題牽引柔性主動展開裝置相關(guān)個性基礎(chǔ)理論技術(shù)的進(jìn)步,為柔性主動展開裝置功能特性擴(kuò)展,應(yīng)用范圍拓寬提供技術(shù)支持。

(3)進(jìn)一步通過在軌試驗(yàn)驗(yàn)證等手段,對柔性主動展開技術(shù)的相關(guān)成果展開驗(yàn)證,推動該技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)展。

可以預(yù)見,隨著相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的突破與夯實(shí),航天器柔性主動展開技術(shù)將推動一系列航天重大工程項(xiàng)目的進(jìn)展,引領(lǐng)航天領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的潮流。