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(jì)部,北京 100094)

1 引言

隨著中國(guó)空間站及載人登月等深空探測(cè)任務(wù)的發(fā)展,對(duì)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?jī)?yōu)勢(shì)不明顯、成本高,難以滿(mǎn)足航天發(fā)展需求。充氣展開(kāi)式密封艙(簡(jiǎn)稱(chēng)充氣密封艙)具有重量輕、折疊效率高、展開(kāi)可靠、工程實(shí)施方便等優(yōu)點(diǎn),是未來(lái)空間站擴(kuò)展艙體、月球基地建造的有效途徑之一[1]。

國(guó)外在20 世紀(jì)中葉開(kāi)始充氣密封艙的研究。蘇聯(lián)的上升號(hào)載人飛船氣閘艙采用了充氣展開(kāi)方案,1965年3月,航天員完成出艙活動(dòng)。這是首個(gè)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(hào)和起源2 號(hào)充氣密封艙,驗(yàn)證了折疊壓緊、微重力環(huán)境下展開(kāi)、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(dòng)艙通過(guò)龍飛船上行,完成與國(guó)際空間站對(duì)接,并進(jìn)行了充氣展開(kāi),航天員定期進(jìn)入艙內(nèi)活動(dòng)[4]。目前,該艙在軌穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)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(shì),也將成為月球基地建設(shè)的一個(gè)重要途徑[5-7]。研究人員對(duì)充氣密封艙在空間站的應(yīng)用也開(kāi)展了專(zhuān)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(cè)技術(shù)[13]、太空環(huán)境下的承壓技術(shù)[14]及展開(kāi)控制技術(shù)[15]等方面。中國(guó)充氣密封艙尚未在軌飛行,對(duì)充氣密封艙在空間站上開(kāi)展應(yīng)用的系統(tǒng)方案研究較少。

本文結(jié)合中國(guó)空間站運(yùn)營(yíng)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(duì)每一步驗(yàn)證目標(biāo)論述充氣密封艙的總體設(shè)計(jì),并對(duì)充氣密封艙在整個(gè)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(tái)資源

中國(guó)充氣密封艙技術(shù)近年來(lái)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(kāi)展工程樣機(jī)的研制能力。至2022年,中國(guó)空間站建造已初步完成,將進(jìn)入運(yùn)營(yíng)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(gè)極為便利的技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)。

1)中國(guó)空間站上的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。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(tái),配置了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷接口和大型載荷掛點(diǎn),可用于開(kāi)展空間材料科學(xué)、生物學(xué)等多種類(lèi)型的暴露實(shí)驗(yàn)或應(yīng)用技術(shù)試驗(yàn)。空間站節(jié)點(diǎn)艙還提供了大型密封艙段的對(duì)接口,可進(jìn)行密封艙的擴(kuò)展[16]。

2)多類(lèi)型貨運(yùn)飛船上行方案。有效載荷可通過(guò)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(kāi)放3 種形式,可滿(mǎn)足密封運(yùn)輸物資、艙外大型載荷、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(kāi)、氣密等技術(shù)。

I 型充氣密封艙在地面利用柔性繩對(duì)艙體進(jìn)行折疊并壓緊,繩子依次上下穿過(guò)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(kāi),展開(kāi)成圓柱形。展開(kāi)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(shí)也基于現(xiàn)有飛行器方案,發(fā)射時(shí)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(duì)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(guò)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(kāi)。展開(kāi)后,可定期對(duì)充氣密封艙艙內(nèi)氣壓、溫度等進(jìn)行監(jiān)控和評(píng)估。

在軌驗(yàn)證時(shí)間為3 個(gè)月。充氣展開(kāi)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(xiāo)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(kāi)、氣密等基本功能通過(guò)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(guò)半開(kāi)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(duì)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(duì)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(kāi)時(shí),隨著艙體一起展開(kāi);當(dāng)在軌艙內(nèi)放氣時(shí),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(pán)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(duì)接后,機(jī)械臂抓取貨盤(pán)結(jié)構(gòu)并安放在指定位置,充氣密封艙與貨盤(pán)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(duì)接口對(duì)接,充氣段完成充氣展開(kāi)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(shí)間為6 個(gè)月。試驗(yàn)結(jié)束后,充氣密封艙體自動(dòng)泄壓,由艙內(nèi)彈性收攏機(jī)構(gòu)對(duì)艙體進(jìn)行收攏和簡(jiǎn)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(duì)接口分離,并放回至半開(kāi)放貨運(yùn)飛船內(nèi),隨貨運(yùn)飛船下行銷(xiāo)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(kāi)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(dòng)通過(guò)在軌驗(yàn)證后,第三步可通過(guò)全開(kāi)放貨運(yùn)飛船上行方案,研制可直接與空間站對(duì)接、壽命更長(zhǎng)、功能更全的III 型充氣密封艙,驗(yàn)證柔性艙門(mén)、從柔性艙出艙等技術(shù),同時(shí)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(duì)接機(jī)構(gòu)復(fù)用,即充氣密封艙與全開(kāi)放貨運(yùn)飛船共用一個(gè)對(duì)接機(jī)構(gòu)。此外,充氣密封艙無(wú)需配備機(jī)械臂適配結(jié)構(gòu)等用于艙體對(duì)接的設(shè)備。充氣密封艙本體與對(duì)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(duì)接機(jī)構(gòu);艙體展開(kāi)后,可伸縮剛性桿可隨著展開(kāi)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(mén),當(dāng)充氣密封艙作為氣閘艙使用時(shí),航天員可通過(guò)該艙門(mén)進(jìn)行出艙活動(dòng),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(kāi)放貨運(yùn)飛船前端對(duì)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(duì)接組件直接連接,全開(kāi)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(kāi)放貨運(yùn)飛船發(fā)射入軌與空間站對(duì)接,全開(kāi)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(kāi)試驗(yàn)。對(duì)接成功后,由航天員打開(kāi)核心艙艙門(mén),完成充氣密封艙與核心艙的電、氣連接操作。并通過(guò)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(kāi),如圖6(c)所示。

展開(kāi)后,航天員可直接穿過(guò)對(duì)接通道進(jìn)入充氣密封艙內(nèi)。同時(shí),在充氣密封艙放氣后,航天員還可利用艙上的柔性艙門(mén)開(kāi)展出艙活動(dòng)。根據(jù)任務(wù)需要,在軌時(shí)間大于1年。在壽命末期,可直接隨開(kāi)放式貨運(yùn)飛船一同離軌銷(xiāo)毀,見(jiàn)圖6(d)。

圖6 由全開(kāi)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(jì)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(kāi)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(duì)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(shí),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(huì)影響空間站主任務(wù)的開(kāi)展。

4)任務(wù)結(jié)束后的艙體可仍然通過(guò)貨運(yùn)飛船下行并可控銷(xiāo)毀,不會(huì)對(duì)其他航天器產(chǎn)生不利影響。

各技術(shù)驗(yàn)證方案對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 充氣密封艙3 種技術(shù)驗(yàn)證方案對(duì)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(gè)飛行試驗(yàn)過(guò)程中,需要經(jīng)歷發(fā)射段振動(dòng)、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(duì)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?jiǎn)卧M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(duì)充氣艙進(jìn)行模態(tài)分析,其一階頻率大于68 Hz,滿(mǎn)足貨運(yùn)飛船上安裝設(shè)備的基頻要求。

2)發(fā)射段振動(dòng)分析結(jié)果。模擬發(fā)射段振動(dòng)條件,激勵(lì)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(mǎn)足大于0 的要求。

3.2 展開(kāi)狀態(tài)

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

圖8 展開(kāi)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(dòng)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(dòng),隨后釋放位移擾動(dòng),艙體自由振動(dòng),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(cuò)開(kāi)。隨著壓力升高,艙體基頻升高,見(jiàn)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(lèi)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(kāi)放貨運(yùn)飛船上行;完成了對(duì)充氣密封艙在發(fā)射過(guò)程、在軌飛行過(guò)程中的力學(xué)分析仿真,驗(yàn)證了充氣密封艙可滿(mǎn)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。