白成超, 彭祺擘, 郭繼峰, 王慎泉, 張 琦, 謝旭東

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天工程系, 哈爾濱 150001; 2.中國航天員科研訓(xùn)練中心, 北京 100094)

1 引言

進入21 世紀(jì)以來,各航天大國都提出了載人登月的構(gòu)想,包括美國重返月球的Artemis 計劃[1-3]、歐洲月球村計劃[4-6]、俄羅斯月球綜合探索與開發(fā)計劃計劃[7]和中國國際月球科考站計劃[8]。通過分析上述探月計劃可知,新一輪月球探測活動的核心目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)閷υ虑蛸Y源的勘探與開發(fā)[9-11]。

月球資源勘探與開發(fā)需要長時間駐月的能力,因此建造月球居住艙是未來載人登月活動的重要組成部分。從建造構(gòu)型劃分,月球居住艙分為剛性艙構(gòu)型、柔性艙構(gòu)型和建造式構(gòu)型[12-13]。3 種構(gòu)型中,剛性艙構(gòu)型與柔性艙構(gòu)型技術(shù)上較為成熟,工程上較易實現(xiàn),適合搭建初期小規(guī)模月球基地。相比于剛性居住艙,柔性月球居住艙(簡稱為柔性艙)可以提供更大的艙體容積,且相同艙體容積下質(zhì)量較輕,尺寸上受運載火箭的限制較低。但柔性艙需要在月面完成充氣,展開后才能使用,且對材料的要求較高,從功能上講必須具備柔性可展開、熱膨脹系數(shù)可控、密度低、彈性模量高、可控剛化等特點;從安全防護角度講需要可靠耐用、強密封性;從工程實現(xiàn)角度講需要易于加工、長壽命等[14]。

本文梳理了國內(nèi)外典型的月球居住艙設(shè)計方案,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合未來月球探測活動需求,從宜居性、安全性、可擴展性、經(jīng)濟性4 個方面構(gòu)建了柔性月球居住艙的評價指標(biāo)體系,并梳理了柔性月球居住艙的關(guān)鍵技術(shù)與可能的發(fā)展路徑。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

目前,國內(nèi)外已經(jīng)提出了多種柔性構(gòu)型月球居住艙方案,構(gòu)型上分為純?nèi)嵝詷?gòu)型、剛?cè)峄旌蠘?gòu)型以及柔性+建造式構(gòu)型(柔性蒙皮外使用月壤覆蓋);形態(tài)上分為臥式(半)圓柱形、立式圓柱形、球(冠)形、多球形、環(huán)形等。本文中的月球艙均指代柔性構(gòu)型月球居住艙,為航天器系統(tǒng)。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

2.1.1 STEM 月球艙

阿波羅計劃中,為實現(xiàn)航天員月面長時間駐留目標(biāo),固特異公司設(shè)計了一款充氣展開柔性月球艙,稱為駐留時間延長模塊(Stat time extension Module, STEM)[15]。STEM 月球艙(圖1)可以支持2 名航天員在月面駐留8 ～30 d。采用臥式圓柱形,一端設(shè)計有氣閘艙供航天員出入,其充氣防護蒙皮分為4 層,由外至內(nèi)分別為外部蒙皮、泡沫微塵防護層、結(jié)構(gòu)層以及密封氣囊層。

圖1 STEM 月球艙[15]Fig.1 Stat Time Extension M odule[15]

2.1.2 約翰遜航天中心圓球形充氣月球基地

1986 年,NASA 約翰遜航天中心(Johnson Space Center,JSC)[16]開展了月球基地系統(tǒng)研究項目,提出了一種柔性+建造式構(gòu)型的圓球形充氣式月球居住艙概念。該月球艙直徑達16 m,總體積約為2145 m3,內(nèi)部使用面積約為742 m2,最大可容納12 名航天員,圖2 為基于該月球艙的月球基地整體設(shè)想圖,圖3 為該月球艙內(nèi)部剖面圖。該方案艙壁由多層材料組成,由外至內(nèi)依次為β布、聚對苯二甲酰對苯二胺纖維、聚酯薄膜、聚間苯二甲酰間苯二胺纖維(芳綸1313)。居住艙外面使用1 m 厚的月壤進行覆蓋,起到防輻射屏蔽層的作用。該方案的優(yōu)勢是有充足的內(nèi)部空間,且內(nèi)部使用籠式結(jié)構(gòu)支撐形成多層地板與墻壁,大大地提高了月球艙的空間利用率;缺點是建造過程較為復(fù)雜,需要前期開展大量的地形改造與修整。

圖2 JSC 月球基地整體想象圖[16]Fig.2 Overall concept draw ing of JSC Lunar base[16]

圖3 JSC 月球艙剖面圖[16]Fig.3 Sectional draw ing of JSC Lunar base[16]

2.1.3 臥式半圓柱形柔性月球艙

2008 年,NASA 與ILC Dover 公司合作設(shè)計了一種臥式半圓柱形柔性月球艙[17],采用純?nèi)嵝詷?gòu)型,主體支撐結(jié)構(gòu)為平行排列的若干充氣拱,外層為絕緣蒙皮材料。該月球艙高度為8 ft(約2.44 m),艙體一端連接一氣閘艙。NASA 已經(jīng)對該月球艙進行了折疊與展開測試,結(jié)果表明可以由4 人在4 h 內(nèi)完成展開,圖4 為NASA 在南極對該月球艙展開極端環(huán)境測試。該方案的優(yōu)點是折疊效率高,缺點是難以承載較重的科研載荷。

圖4 在南極進行測試的臥式半圓柱形柔性月球艙[17]Fig.4 The horizontal sem i-cylindrical inflatable Lunar module being tested at the South Pole[17]

2.1.4 LRH 可展開月球居住艙

LRH(Lunar Return Habitat)可展開月球居住艙是JSC 航天中心與ILC Dover 公司于1995 年合作開展的人類月球返回研究項目的研究成果之一[18]。該月球艙可以支持2 名航天員在月球表面駐留6 d。該方案柔性艙體為臥式圓柱形,直徑為2.3 m,長為3.6 m,安裝于著陸器上方(圖5)。柔性艙體采用工程上較為成熟的Z 型折疊方法,柔性蒙皮選用聚芳酯纖維、涂層織物以及聚氨酯(涂層)等多種高分子材料。

圖5 LRH 柔性月球艙[18]Fig.5 LRH inflatable Lunar habitat[18]

2.1.5 Moonwalker 月球艙

Moonwalker 月球艙概念是在第56 屆國際宇航大會(International Astronautical Congress, IAC)上提出[19],主要包含充氣展開艙體與剛性腿足模塊。充氣艙體蒙皮為可剛化的多層復(fù)合材料,可以防護微流星體的撞擊和月塵磨損,蒙皮由張拉網(wǎng)進行結(jié)構(gòu)加強。該方案的充氣艙體外部提供12 個對接口,內(nèi)部布局可以根據(jù)任務(wù)和環(huán)境靈活調(diào)整(圖6)。

圖6 M oonwalker 月球艙[19]Fig.6 M oonwalker Lunar habitat[19]

2.1.6 InFlex 月球艙

2007 年,NASA 與ILC Dover 公司聯(lián)合開展了智能柔性材料(InFlex)項目,提出了一種立式雙圓柱形態(tài)月球居住艙[20],如圖7 所示。由一大一小2 個立式圓柱形柔性艙單元組成,仍然采用剛?cè)狁詈系慕Y(jié)構(gòu)。

圖7 InFlex 柔性月球艙[20]Fig.7 InFlex inflatable Lunar habitat[20]

InFlex 月球艙中較大的充氣艙直徑為3.65 m,使用4 條腿站立;較小的充氣艙為氣密過渡艙,通過剛性高壓艙門與主艙室相連。這種月球居住艙可以作為臨時居住場所或?qū)嶒炇?如果通過接口或密封通道連接多個艙段,可以構(gòu)建出規(guī)模龐大的月球基地。

2.1.7 X-Hab 月球居住單元

2010 年,NASA 與ILC Dover 公司進一步開展了X-Hab 項目,該項目旨在研究輕質(zhì)柔性月球居住艙與應(yīng)用于空間結(jié)構(gòu)的智能柔性材料(Intelligent Flexible Materials for Space Structures),X-Hab計劃的研究人員為可展開居住艙設(shè)計了名為工程發(fā)展單元(Engineering Development Unit, EDU)的方案[21]。月球艙為臥式圓柱形,高約為3 m,折疊狀態(tài)長度約為5.2 m。展開后長度約為10 m,折疊效率接近2。剛性結(jié)構(gòu)位于兩端,柔性可展開結(jié)構(gòu)收納于中部,并采用Z 型折疊方式,柔性段折疊后裝載于2 個剛性段之內(nèi),如圖8 所示。月球艙柔性蒙皮由多層不同功能的柔性復(fù)合材料構(gòu)成:內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)限制層、熱防護層和微流星體防護層。多個EDU 居住艙并排放置,頂部使用帳篷結(jié)構(gòu)進行覆蓋,在帳篷頂端覆蓋一定厚度的月壤,即可構(gòu)建起一個可以長期使用的簡易月球基地。

圖8 X-Hab 月球艙[21]Fig.8 X-Hab Lunar habitat[21]

2.1.8 UND 混合式可展開月球艙

2010 年,Pablo 等[22]提出了一種剛?cè)峄旌系脑虑蚓幼∨摲桨浮Ｔ摲桨甘荖ASA 資助北達科他大學(xué)載人探月探火綜合戰(zhàn)略(Integrated Strategies for the Human Explora-tion of the Moon and Mars)項目的研究成果之一。月球艙長約為12 m,寬為3 m,高為3 m,內(nèi)部包括4 個可供航天員休息和存放個人物品的臥室、1 個小廚房、1 個浴室和實驗室空間,可以支持4 名航天員生存。

月球艙主結(jié)構(gòu)采用剛性桁架結(jié)構(gòu),各桿之間采用可活動的接頭連接。桁架結(jié)構(gòu)通過接頭與充氣氣囊相連。到達月面后,通過對氣囊充氣即可完成桁架結(jié)構(gòu)的展開,內(nèi)部壓力艙則完全由充氣式結(jié)構(gòu)組成。由于主結(jié)構(gòu)為剛性桁架,因此其抗壓、抗撞擊的能力比純粹的充氣式展開結(jié)構(gòu)更強,并且可以在表面覆蓋袋裝月壤,進行輻射和流星體防護,方案剖視圖如圖9 所示。

圖9 UND 剛?cè)峄旌显虑蚺揫22]Fig.9 UND hybrid Lunar habitat[22]

如圖10 所示,這種月球基地的缺點在于可使用空間僅有壓力艙內(nèi)部空間,整個桁架結(jié)構(gòu)連同外部充氣殼層形成的空間不能被有效利用。另外,桁架結(jié)構(gòu)需要航天員手動完成組裝,極為耗費航天員的體力和時間。優(yōu)點在于外部桁架結(jié)構(gòu)具有較強的支撐能力,因此經(jīng)一定的適合性改進后,可以作為裝載精密實驗設(shè)備的實驗艙使用。

圖10 UND 剛?cè)峄旌显虑蚺撈室晥D[22]Fig.10 Sectional draw ing of UND hybrid Lunar habitats[22]

2.1.9 最小功能月球居住艙

最小功能月球居住艙的概念[19]由休斯頓大學(xué) 研 究 組 織 (Sasakawa International Center for Space Architecture,SICSA)提出,目的是滿足短期載人月球探測任務(wù)需求。該方案底端為剛性構(gòu)型的著陸模塊,上端為柔性可展開的居住艙,如圖11 所示[23]。

圖11 最小功能月球居住艙單元[23]Fig.11 SICSA/ILC-Dover Lunar module concept[23]

最小功能居住艙除滿足短期載人月球探測任務(wù)需求外,還考慮了月球基地的長期規(guī)劃問題。每個最小功能月球艙單元使用標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一對接口,可以搭建規(guī)模龐大的月球基地,實現(xiàn)月球基地的進化增長。

2.1.10 旋轉(zhuǎn)橢圓體月球居住艙

NASA 約翰遜航天中心的LSS Habitation Lead 小組[24]提出了LS1 型月球基地設(shè)想,并設(shè)計了用于構(gòu)建LS1 型月球基地的旋轉(zhuǎn)橢圓體柔性可展開月球居住艙,如圖12 所示。

圖12 旋轉(zhuǎn)橢圓體月球居住艙[24]Fig.12 The ellipsoid moon module of Lunar base[24]

LS1 型月球基地的航天員主要生活空間為2 個旋轉(zhuǎn)橢圓形柔性可展開月球居住單元,其中一個是航天員居住艙,另外一個是實驗艙。旋轉(zhuǎn)橢圓體月球居住單元直徑約為8.5 m,高約為3.6 m,體積約為174 m3,可居住4 名航天員。再增加一個體積為78 m3的柔性月球基地后勤保障艙,LS1 型柔性可展開月球基地可滿足4 名航天員180 d 的月面駐留需求[24]。月球居住單元的艙體設(shè)計有3 個標(biāo)準(zhǔn)化對接口,其中一個接口連接氣閘艙,供航天員出入使用,另2 個接口可與其他單元連接。這樣多個外形相似但不同功能的單元通過相互對接,即可成為大型有人月球基地,為航天員的生活、工作與科研提供充?？臻g。

旋轉(zhuǎn)橢圓體柔性可展開月球居住單元的設(shè)計思路參考了TransHab 太空艙,艙體中心有一剛性芯柱,柔性部分為圍繞剛性芯柱的環(huán)形結(jié)構(gòu)。其剛性芯柱由封頭和支撐柱組成,支撐住頂端和底端,分別布置有可展開艙壁,將空間分隔為多個隔間。柔性蒙皮選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計也參考了TransHab。對接口和艙門使用剛性骨架與剛性芯柱相連。折疊狀態(tài)下,柔性蒙皮圍繞在對接口和艙門周圍,封裝在剛性芯柱內(nèi)。充氣展開時,剛性組件隨之展開,具體展開過程如圖13 所示。

圖13 旋轉(zhuǎn)橢圓體居住艙展開過程[24]Fig.13 Expansion process of ellipsoid space inflatable capsule[24]

2.1.11 混合月球可展開結(jié)構(gòu)

2020 年,Dronadula 等[25]提出了一種較為新穎的剛?cè)峄旌蠘?gòu)型月球艙方案,靈感來自于雨傘,如圖14 所示?；旌显虑蚩烧归_結(jié)構(gòu)(Hybrid Lunar Inflatable Structure, HLIS)居住艙的骨架采用7075-T6 鋁制造,充氣薄膜穹頂使用多層織物,折疊/展開體積比為38%。該方案的新穎之處在于其將柔性蒙皮收納于中心剛性支撐柱內(nèi),與前述的旋轉(zhuǎn)橢圓體柔性可展開月球居住艙類似,其展開過程分為剛性結(jié)構(gòu)展開與蒙皮展開2 個步驟。到達月面后,先是肋骨與地板機構(gòu)的機械展開,然后柔性蒙皮從支撐柱內(nèi)釋放,完成整個居住艙的搭建,其過程如圖15 所示。

圖14 混合月球可展開結(jié)構(gòu)[25]Fig.14 Hybrid Lunar inflatable structure[25]

圖15 HLIS 展開過程[25]Fig.15 Expansion process of HLIS[25]

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.2.1 球冠式月球艙

2017 年,袁勇等[26]提出了一種柔性+建造式的有人月球基地設(shè)計方案。如圖16 所示,該方案為球冠式構(gòu)型,直徑為12 m,穹頂高為3 m,人員有效使用面積大于75 m2,有效使用空間為200 m3。為提高輻射防護能力,艙體表面覆蓋0.3 m 厚的月壤。為了確保月球艙的氣密性和安全冗余,內(nèi)部艙室采用蜂窩狀隔斷設(shè)計。該方案的優(yōu)缺點與前述JSC 月球艙相似,優(yōu)點在于具有較大的可用空間和較高的空間利用率,缺點在于建造過程較為復(fù)雜,需要前期進行大量的地形平整工作,后期需要挖掘大量月壤,并將這些月壤盡可能均勻地覆蓋在艙體表面。

圖16 球冠形月球艙[26]Fig.16 Expansion process of HL[26]

2.2.2 橢球柱形月球艙

2021 年,徐鏵東等[27]提出了一種充氣展開月面居住艙方案,如圖17 所示。月球艙為橢球柱設(shè)計,豎直方向上可以展開,并利用桁架將縱向空間分為3 層結(jié)構(gòu)。居住艙主要由剛性封頭、柔性復(fù)合材料艙壁、艙門、舷窗等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。艙體內(nèi)部包含充氣桁架、基座、支架及氣瓶等設(shè)備,外部安裝有充氣展開氣閘艙,方便航天員進出居住艙。研究人員使用縮比樣機測試了居住艙的折疊性能參數(shù),并開展了充氣展開實驗。該月球艙的折疊效率可達10.5,充氣10 min 即可完成展開。

圖17 充氣展開月面居住艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局[27]Fig.17 Internal structure of inflatable deployable Lunar habitation module[27]

2.3 柔性月球艙不同形態(tài)對比分析

1) 圓柱形/半圓柱形月球艙在形態(tài)上最匹配運載火箭細(xì)長體特征,同時對于著陸地點的平整度要求較低,不需要在科考站建設(shè)之前大規(guī)模改造地形,因此比較適合早期規(guī)模較小的科考站。

2) 圓球形/球冠形月球艙的特征是底部面積較大,對于著陸點地形平整度要求較高,通常需要在科考站建設(shè)前期進行地形改造。如2.1.2 節(jié)所述的圓球形大型月球基地設(shè)想,需要在月球表面利用炸藥制造出可容納基地1/3 體積的大坑,并完成地形平整與尖利砂石去除工作,工程量較大。另外,較大的圓球形/球冠形月球艙需要在縱向設(shè)置多層地板,以提高空間利用率,否則穹頂部分大量空間無法充分利用。

3) 環(huán)形月球艙一般采用剛?cè)狁詈蠘?gòu)型,中心為剛性芯柱,外部為由柔性蒙皮擴展出的空間,與TransHab 太空艙在構(gòu)型上無本質(zhì)區(qū)別。環(huán)形月球艙對運載火箭的空間要求較低,適合早期的科研站建設(shè)。由于形狀限制,環(huán)形月球艙不適合移動,可作為固定式居住艙或支持艙使用。單層的環(huán)形月球艙可在剛性芯柱內(nèi)安裝較重的能源系統(tǒng)或大型的機械臂,蒙皮擴展出的環(huán)形空間作為儲物間放置月面漫游車以及科研設(shè)備。

3 評價體系與性能指標(biāo)

3.1 需求分析

從未來載人月球探測的任務(wù)需求來看,有人月球基地應(yīng)具備支持多名航天員長期在月面駐留的能力,因此月球艙應(yīng)具有較大的尺寸,以提供足夠的人員生存空間與物資儲藏空間。大型剛性金屬月球艙結(jié)構(gòu)質(zhì)量和體積較大,對運載火箭要求較高,受月面地形影響,組裝困難,且對火箭載荷能力和整流罩包絡(luò)要求高、有效空間有限,因此無法完全滿足未來載人登月任務(wù)以及月球長期科學(xué)考察與開發(fā)任務(wù)需要。

柔性可展開構(gòu)型月球艙具有質(zhì)量輕、發(fā)射體積小、發(fā)射成本低、有效空間充裕、功能集成度高、防護能力強、工程實施方便、對月面地形要求低等優(yōu)點,可以滿足未來月面長期駐留需求,是構(gòu)建大型有人月球基地的優(yōu)勢方案之一,具體如下:

1) 防護能力方面。柔性艙的防護能力與使用壽命并不弱于剛性艙,以美國TransHab 太空艙為例,其柔性可展開結(jié)構(gòu)的蒙皮由20 余層不同功能的復(fù)合材料組成,從功能上講分為5 個功能層,包括熱防護層(材料為尼龍層和聚酯薄膜,絕熱)、空間碎片與輻射防護層(材料為尼龍和聚乙烯,防輻射)、結(jié)構(gòu)限制層(材料為聚對苯二甲酰對苯二胺和亞苯基材料,結(jié)構(gòu)限制與強度增強)、冗余氣囊層以及內(nèi)襯防刮層(材料為聚對苯二甲酰對苯二胺纖維和聚間苯二甲酰間苯二胺纖維(芳綸1313),密封和防刺破),其柔性蒙皮的結(jié)構(gòu)設(shè)計與選材充分考慮了空間熱環(huán)境、空間輻射、空間碎片撞擊和艙內(nèi)航天員操作可能產(chǎn)生的風(fēng)險,且防輻射能力超過剛性艙普遍采用的鋁合金艙體[28]。

2) 承載能力方面。柔性月球艙一般采用多層復(fù)合材料作為蒙皮,蒙皮中通常包含由聚對苯二甲酰對苯二胺纖維編制的結(jié)構(gòu)限制層,使艙體形狀不會輕易改變。對于載人加壓月球艙這種大型柔性艙體,艙內(nèi)壓力作用下在艙體蒙皮上產(chǎn)生的面內(nèi)應(yīng)力足以使艙體獲得抵抗外力變形的能力,再輔以艙內(nèi)的剛性支撐結(jié)構(gòu)以及紫外固化或光固化等柔性材料剛化方法,其承載能力不輸于剛性艙構(gòu)型[29]。

3) 技術(shù)成熟度方面。柔性艙蒙皮使用的大部分材料都是現(xiàn)有的,主要問題在于根據(jù)月球艙的需求進行防護層各層的設(shè)計,需要有多層整體分析、層間耦合效應(yīng)、加強筋等對蒙皮影響的建模與分析方法。因此,柔性艙的建模與分析難度要大大高于剛性艙構(gòu)型。

4) 月面部署方面。柔性艙需要在月面完成結(jié)構(gòu)展開與充氣,部署難度無疑高于剛性艙。且球形/球冠形柔性月球艙對于著陸區(qū)平整度的要求較高,而圓柱形/半圓柱形以及環(huán)形柔性艙一般來說底面面積不大,對于著陸區(qū)的平整度要求并不高于剛性艙。

3.2 評價體系與性能指標(biāo)

月球居住艙是航天員在月球長期生活工作的場所,因此宜居性、安全性必須要得到保障?？紤]使用月球居住艙搭建月球基地的需求,月球居住艙的可擴展性和經(jīng)濟性也是重要的評估指標(biāo)。參考果琳麗等[29]提出的月球基地評價體系,結(jié)合柔性構(gòu)型月球居住艙自身特點,給出柔性構(gòu)型月球居住艙的評價指標(biāo)體系,如圖18 所示。

圖18 柔性月球居住艙評價體系Fig.18 Evaluation system of inflatable Lunar habitat

3.2.1 宜居性

1) 空間利用率。受限于月面地形與運載火箭整流罩容積的約束,月球居住艙艙體空間有限,因此需要提高艙體空間利用率。固定式月球艙一般采用圓柱形或球冠形設(shè)計,圓柱形月球艙可以沿艙體軸向使用擋板區(qū)隔出一個或多個方形區(qū)域作為航天員生活活動空間,將生保設(shè)備、管道線纜等安裝于活動區(qū)域外以提高空間利用率。高度超過5 m 的立式圓柱形以及球冠形月球艙應(yīng)設(shè)置多層地板,在艙體軸向上提高空間利用率?？紤]到剛性隔間與柔性蒙皮之間存在一定距離,月球居住艙空間利用率應(yīng)在80%以上。

2) 人均活動空間。根據(jù)NASA-STD-3001《人—系統(tǒng)集合標(biāo)準(zhǔn)》[30]意見,對于4 個月或更長時間任務(wù)的最低可居住空間大約為20 m3/人,基于對長期居住和密閉空間的研究,月球居住艙人均活動空間不應(yīng)低于ISS 航天員人均活動空間。

3)私密空間大小。航天員長期在月面駐留,月球艙內(nèi)應(yīng)為航天員提供足夠的私人空間。以層高3 m 計算,每位航天員私人空間應(yīng)不低于22.5 m3(3 m×2.5 m×3 m)。

4)噪聲水平。柔性月球艙可以提供較大的生活與工作空間,為保證航天員居住環(huán)境舒適,居住區(qū)與工作區(qū)應(yīng)分開。工作區(qū)噪音較大的設(shè)備應(yīng)遠(yuǎn)離居住區(qū),并需要隔音裝置減弱噪音對航天員的影響。依據(jù)宜居環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn),月球艙居住區(qū)噪聲應(yīng)在35 dB 以下;緊急情況下,艙內(nèi)工作區(qū)與可通行區(qū)域的噪聲應(yīng)低于75 dB。

5) 環(huán)控能力。主要由支持航天員數(shù)量、內(nèi)部大氣溫度、相對濕度、氧濃度等參數(shù)表示。參考空間站內(nèi)部環(huán)境指標(biāo)并結(jié)合月面環(huán)境條件下航天員生保需求,確定柔性月球居住艙環(huán)控能力如下:①內(nèi)部正常大氣溫度18 ～28 ℃;②應(yīng)急瞬時大氣溫度0～50 ℃;③相對濕度30%～70%;④氧濃度30%～35%。

3.2.2 安全性

1) 耐溫性能。月面溫度變化情況隨緯度不同而不同。月球赤道區(qū)域平均溫度較高,晝夜溫差較大;兩極區(qū)域平均溫度較低,晝夜溫差較小。為降低熱控難度,同時獲得長時間連續(xù)日照,針對月球南極永久光照區(qū)進行論證。該區(qū)域溫度變化范圍為±200 ℃,因此柔性月球居住艙艙體耐溫性能定為±200 ℃。

2) 微流星體防護能力。月面容易受到流星體的超高速撞擊,其中直徑小于1 mm 的流星體為微流星體。柔性月球艙的微流星體防護能力應(yīng)不低于鋁合金剛性艙體的防護能力。

3) 空間輻射防護能力。月面輻射主要來自3 個空間輻射源:太陽風(fēng)、太陽宇宙射線與太陽系外的高能銀河宇宙射線。其中太陽風(fēng)與太陽宇宙射線的核子能量較低但通量較大,高能銀河宇宙射線的核子能量高但通量較低。太陽風(fēng)與太陽宇宙射線的防護依靠柔性艙的蒙皮,而高能銀河宇宙射線的防護則需要專門的防護艙。根據(jù)嫦娥四號月面輻射測量結(jié)果,月面輻射強度約為近地軌道的2.6 倍[31]。短期載人登月活動中,航天員月面駐留時間在3～7 d,在月球資源開發(fā)階段,航天員月面駐留時間將延長到14 ～ 30 d。根據(jù)呼延奇等[32]的研究結(jié)果,5 g/cm2鋁屏蔽層即可保證其產(chǎn)生的劑量比NASA30 日輻射暴露限值低一個數(shù)量級,已經(jīng)基本能夠滿足阻擋太陽風(fēng)與太陽宇宙射線的需求。因此,柔性艙蒙皮的空間輻射防護能力應(yīng)與5～10 g/cm2的鋁屏蔽層相當(dāng),對于特大太陽粒子事件或高能銀河宇宙射線,則需要使用月壤構(gòu)建防護層,并利用艙內(nèi)儀器、防輻射水箱等設(shè)備等形成額外的屏蔽質(zhì)量。

4) 耐壓保壓能力。劉偉波等[33]從人體生理學(xué)與工程技術(shù)要求兩方面出發(fā),詳細(xì)論證了應(yīng)如何選擇密封艙內(nèi)壓力制度。月球艙應(yīng)采用氧氮混合氣體,總壓(58±4) kPa,氧分壓(21±2) kPa。考慮到安全余量,柔性艙蒙皮需要滿足1.5 ～2 倍靜壓耐壓,該指標(biāo)主要考慮預(yù)緊力、溫度變化等帶來的材料疲勞應(yīng)力因素,并不是柔性蒙皮的破壞壓力。保壓能力可以由柔性艙的漏率表示。漏率越小,所需補氣量越小,補氣操作次數(shù)也越少,充氣艙性能越好。具體指標(biāo)需要根據(jù)任務(wù)時長、月球艙總體設(shè)計方案給出。

5) 月塵防護能力。月塵是帶電且擁有鋒利表面的顆粒,容易劃傷月球艙的表面,需要對月塵監(jiān)測并防護。月塵防護可分為主動防護與被動防護,主要方法包括對蒙皮做針對性設(shè)計,如選擇納米荷葉效應(yīng)表面、自動防塵膜、導(dǎo)電防護膜等,或是通過在蒙皮外使用與月塵電性相反的收集板吸附月塵并中和其所帶電荷,使之落到月表。

3.2.3 可擴展性

1) 可擴展接口數(shù)量?？紤]到月球居住艙的增量式建設(shè)以及人員在不同艙段間的轉(zhuǎn)移,月球艙應(yīng)留有可擴展接口。月球艙應(yīng)能與其他艙段以及月球著陸器對接,因此每個艙段至少應(yīng)有2 個擴展接口。

2) 艙體可移動性。為保證月球居住艙有一定的模塊重組能力,柔性艙段應(yīng)具有小范圍移動的能力。對于集科研與居住功能于一體的月球艙而言,應(yīng)具備大范圍移動的能力,以支持科研工作。

3) 對接口標(biāo)準(zhǔn)程度。艙段間對接口應(yīng)保證標(biāo)準(zhǔn)化程度,以保證各個艙段之間順利對接。

4) 擴展空間大小。需要根據(jù)月球基地擴建計劃與擴展艙段的功能來確定。

5) 艙段間重組能力。需要根據(jù)實際任務(wù)需求來確定。

3.2.4 經(jīng)濟性

1) 使用壽命。月球居住艙需要保障航天員月面長期駐留,需要較長的使用壽命。初期的月球居住艙壽命應(yīng)能夠保證支撐到完全利用月球原位資源建造的永久性大型月球基地取而代之的時候。考慮到從載人登月階段開始到永久性建造式基地取代居住艙可能需要數(shù)年甚至十?dāng)?shù)年之久,因此月球居住艙的設(shè)計壽命應(yīng)不低于5 年。

2) 折疊效率。柔性艙的充氣展開能力可以由折疊效率和內(nèi)部有效容積(充氣艙長度、內(nèi)徑)表示。使用剛性芯柱的剛?cè)狁詈吓擉w在縱向上不可折疊,受限于剛性芯柱的尺寸,折疊效率通常低于純?nèi)嵝耘擉w和軸向可折疊剛?cè)峄旌吓擉w。結(jié)合柔性艙展開后的有效體積,要求軸向可折疊剛?cè)峄旌吓擉w的折疊效率不低于8,含不可折疊剛性芯柱的剛?cè)狁詈吓擉w折疊效率不低于3。

3) 月面組裝難度。柔性艙在抵達月面之前都處于收攏狀態(tài),需要到達月面后完成展開,如果月球居住艙包括多個艙段,則需要在月面進行艙段對接。此過程可能需要航天員參與,例如UND混合式可展開月球艙,主結(jié)構(gòu)采用管狀的桁架結(jié)構(gòu)。各桿之間采用可活動的接頭連接,桁架結(jié)構(gòu)通過接頭與充氣氣囊相連。桁架與接頭需要航天員手動連接,對航天員體力消耗很大,且時間成本高。因此,月球居住艙的艙體應(yīng)具有較低的組裝難度,可以從航天員工作量以及完成組裝的時間來進行衡量。

4) 可維修性。柔性蒙皮結(jié)構(gòu)應(yīng)具備微流星/碎片撞擊修復(fù)能力,可支持直徑10 cm 的破洞修復(fù)。

5) 技術(shù)成熟度。由于此前從未在月面上部署過柔性構(gòu)型的月球艙,為保證經(jīng)濟性與安全性,柔性月球艙不應(yīng)具有過多革命性設(shè)計,其相關(guān)技術(shù)必須要在地面模擬月面環(huán)境中完成嚴(yán)格的測試。

3.2.5 總體指標(biāo)

綜上所述,得到柔性月球居住艙指標(biāo)如表1所示。

表1 柔性月球居住艙總體指標(biāo)Table 1 General index of inflatable Lunar habitat

4 關(guān)鍵技術(shù)

本文梳理了國內(nèi)外柔性月球艙的典型項目,可為中國未來月球艙設(shè)計和月球基地建設(shè)提供借鑒。柔性月球艙未來需要集中攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)集中在以下方面。

4.1 總體方案設(shè)計

由于柔性構(gòu)型月球艙與剛性艙有本質(zhì)區(qū)別,因此在設(shè)計時需要考慮柔性帶來的約束條件和特殊問題,如柔性材料的非線性幾何特征,充氣形狀保持工藝,柔性囊體與剛性芯級、舷窗或剛性端蓋的剛?cè)徇B接機構(gòu)設(shè)計等問題[34]。除此之外,還要考慮到環(huán)境帶來的約束問題,比如在月球熔巖洞中建設(shè)月球基地[35-36],需要柔性月球艙蒙皮能夠貼合到巖壁表面,并能夠起到支撐作用,這對結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇都帶來了挑戰(zhàn)。

從支撐未來月球基地建設(shè)與長期發(fā)展的角度考慮,柔性月球艙設(shè)計應(yīng)該考慮通用性與功能性,單個柔性艙可以作為系統(tǒng)的胞元,采用標(biāo)準(zhǔn)化接口,使不同功能的月球艙相互連接,形成類似蜂巢或蟻穴式的結(jié)構(gòu),實現(xiàn)月球基地的進化增長[36],如圖19 所示。

圖19 熔巖管道內(nèi)蜂窩式月球基地[36]Fig.19 Beehive Lunar base in lava tubes[36]

4.2 蒙皮結(jié)構(gòu)與材料

航天員月面駐留期間,需要考慮的安全因素主要有高低溫交變、高真空、高能粒子輻射、宇宙射線、高速微流星體、月塵等。因此蒙皮材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計是柔性月球居住艙研發(fā)的關(guān)鍵問題。

4.2.1 蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計

柔性艙蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計最主要的依據(jù)是環(huán)境安全需求,通常由多層不同功能的柔性復(fù)合材料構(gòu)成柔性蒙皮的各個功能層:內(nèi)襯層、冗余氣密層(或氣體阻隔層)、結(jié)構(gòu)限制層(或結(jié)構(gòu)增強層、位移限制層、承力層)、微流星體防護層、輻射防護層,熱防護層以及月塵防護層[37-43]。這種蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計來源于美國TransHab 太空艙,是一種較為完善的方案,主要區(qū)別是為防止月塵吸附并劃傷蒙皮,并在最外側(cè)增加了月塵防護層。此后的研究基本沿用了這種多功能層的蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

4.2.2 蒙皮材料選擇

柔性月球居住艙蒙皮材料的選擇需要考慮月面環(huán)境與功能需求,蒙皮的不同功能層需要不同特性的高性能復(fù)合材料?？偨Y(jié)調(diào)研資料,柔性月球居住艙蒙皮各功能層典型材料如表2所示[24,44]。

表2 柔性月球居住艙蒙皮典型材料Table 2 Typical materials of inflatable Lunar habitat skin

4.3 微流星體防護層設(shè)計

除各層功能劃分與選取外,各功能層自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計也會對蒙皮整體性能帶來很大影響。典型的如微流星體防護層,傳統(tǒng)航天器采用Whipple 防護結(jié)構(gòu)作為微流星體防護層,Whipple 防護結(jié)構(gòu)的層間距大小與板間填充對微流星體防護能力有較大影響。柔性月球居住艙蒙皮的微流星體防護層可以借鑒這種思路。常潔等[45]提出一種使用玄武巖纖維和芳綸纖維的微流星體防護層設(shè)計,玄武巖纖維可破碎微流星體,高強芳綸纖維對碎片進行進一步阻擋,并且在各緩沖層與承壓層之間填充聚氨酯泡沫,聚氨酯泡沫除提供緩沖,降低微流星體速度外,還可以作為支撐層。

徐鏵東等[27]設(shè)計了一種模塊化方案,將微流星體防護層與熱防護層設(shè)計成多層夾芯多功能防護模塊,模塊間通過條帶進行連接,折疊狀態(tài)下防護模塊呈瓦片式交疊,可提高折疊效率。

可以看到,微流星體防護層的設(shè)計主要研究方向集中在防護層結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選擇2 個方面,其中材料選擇相對固定,多為芳綸纖維防護屏與聚酯泡沫填充物,防護層結(jié)構(gòu)設(shè)計相比之下則有更大研究空間。而仿生學(xué)的發(fā)展可以為微流星體防護層的設(shè)計帶來新的靈感。如圖20 所示,通過對撞擊型蝦蛄掠肢沖擊區(qū)進行顯微觀察,發(fā)現(xiàn)其掠肢內(nèi)部的高韌性人字形結(jié)構(gòu)具備強大的抗沖擊能力[46]。這種結(jié)構(gòu)與材料特性可以引入柔性蒙皮防護層設(shè)計中來,研究填充材料結(jié)構(gòu)拓?fù)湫再|(zhì)對于防護能力的影響。因此,柔性蒙皮微流星體防護層的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選擇是一個值得研究的關(guān)鍵問題。

圖20 沖擊區(qū)的光學(xué)顯微鏡和高分辨率納米壓痕[46]Fig.20 Optical m icroscopy and high-resolution nanoindentation of the impact region[46]

4.4 折疊方案設(shè)計與展開控制技術(shù)

柔性可展開月球艙折展控制技術(shù)的目標(biāo)是提高柔性艙的折疊效率,盡可能減小發(fā)射時的體積,并保證柔性展開過程的可靠性。其中,蒙皮與地板折展方式、柔性艙充氣方案設(shè)計、折疊緊湊性以及折疊與展開過程的精度控制和可靠性是柔性艙折展技術(shù)研究的重點。

折疊方法方面,主要是結(jié)合艙體的具體形態(tài)與構(gòu)型特性,設(shè)計折疊效率更高的折疊方式。目前柔性可展開結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中采用比較多的折疊方式是Z 型折疊和卷曲折疊。其中卷曲折疊方式多用于含有中央剛性芯柱的立式圓柱形柔性艙,如TransHab,國內(nèi)東北大學(xué)在縮比樣機上進行過卷曲折疊方式的展開實驗[47];而Z 型折疊方式則多用于臥式圓柱形月球艙。目前,航天器太陽能帆板已經(jīng)開始論證多邊形折疊設(shè)計、仿生折疊設(shè)計等折疊效率更高的折疊方法,未來有望應(yīng)用到柔性蒙皮展開領(lǐng)域。

在展開過程控制方面,由于艙體蒙皮各功能層之間存在交疊與摩擦,需要著重強調(diào)展開過程的速率控制,以免出現(xiàn)蒙皮的磨損、褶皺與劃傷。

總結(jié)調(diào)研資料,在柔性艙折疊方案設(shè)計與展開控制技術(shù)領(lǐng)域,存在如下亟待解決的技術(shù)難題[44]:

1) 無損/低損高效折疊收納問題。柔性艙如何優(yōu)化折疊線使其損傷最小、折疊效率最高、去褶皺影響,該問題即涉及到材料也涉及到折疊設(shè)計。

2)折展機構(gòu)一體化設(shè)計問題。柔性艙蒙皮折疊與展開控制機構(gòu)如何設(shè)計得緊湊,該問題主要涉及機構(gòu)學(xué)。

3) 自主展開控制問題。柔性艙艙體如何能在無人操作情況下自主、平穩(wěn)、有序展開,且保證展開過程的低能耗、可重復(fù),柔性艙艙體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,尺度越大,這個問題越突出。

近年來,折紙技術(shù)與折紙超材料開始應(yīng)用到航天領(lǐng)域,目前主要應(yīng)用于太陽能帆板與天線設(shè)計,已處于實驗驗證階段。折紙技術(shù)有數(shù)學(xué)理論的支撐,分為柔性折紙與剛性折紙,可以生成多種形狀,且折疊效率高,圖21 為幾種折紙展開前后對比。這種數(shù)學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合的工程技術(shù)可以助力柔性可展開月球艙折展技術(shù)的發(fā)展[48-52]。

圖21 折紙展開示例Fig.21 Example of origam i unfolding

4.5 可控剛化技術(shù)

柔性月球居住艙的蒙皮與柔性天線等空間柔性結(jié)構(gòu)不同,其厚度一般在10 cm 以上,且內(nèi)含高強芳綸纖維。在完成充氣展開后,蒙皮的剛性足以滿足航天員艙內(nèi)活動以及防止艙體變形,因此一般而言并不需要額外的剛化手段。但如果需要在柔性艙內(nèi)安裝較重的設(shè)備,則需要對蒙皮進行剛化處理。柔性艙蒙皮剛化主要存在以下問題:

1) 確定蒙皮中的哪些功能層需要剛化/不能剛化;

2) 在不影響其他功能層性能的同時實現(xiàn)特定功能層的剛化;

3) 實現(xiàn)剛化過程的可控、可逆。

目前主流的柔性結(jié)構(gòu)剛化技術(shù)包括紫外剛化技術(shù)和熱塑性/形狀記憶剛化技術(shù)技術(shù),常見的剛化材料有鋁/聚合物薄膜剛化材料、熱剛化材料[44,53]。其中,熱塑性/形狀記憶剛化技術(shù)具有所需能量低、儲存期近乎無限、剛化過程可逆等優(yōu)點,適合應(yīng)用于柔性月球居住艙[44]。

4.6 氣密性剛?cè)徇B接技術(shù)

柔性月球居住艙設(shè)有舷窗、艙門、封底等剛性組件,因此柔性蒙皮與這些剛性組件之間如何保證剛?cè)徇B接的氣密性是一個需要重點研究的問題[45]。一般采用將柔性蒙皮夾在剛性組件中的方法,使蒙皮與密封圈之間相互擠壓產(chǎn)生適中的密封接觸應(yīng)力以保證氣密性。

柔性艙剛?cè)徇B接技術(shù)存在如下亟待解決的問題:

1) 柔性艙蒙皮厚度較大且分多個功能層,剛?cè)徇B接機構(gòu)需要確定夾緊蒙皮整體還是特定功能層;

2) 剛?cè)徇B接處的柔性蒙皮如何保證在展開過程中消除褶皺。

4.7 蒙皮健康狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

柔性艙在月面受到輻射損傷、月塵劃傷,還可能受到微流星體的撞擊,監(jiān)測蒙皮的健康狀態(tài)是一個需要關(guān)注的問題。目前已經(jīng)有集成了多種類型傳感器,兼具多功能傳感、數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)檢測的智能蒙皮技術(shù)應(yīng)用在大氣層內(nèi)飛行器上,可以為柔性月球居住艙蒙皮健康狀態(tài)監(jiān)測提供參考?？稍诿善?nèi)外兩側(cè)布設(shè)多功能傳感器網(wǎng)絡(luò),以實時監(jiān)測溫度變化、輻射損傷、月塵劃傷與微流星體撞擊,并實時傳輸數(shù)據(jù)。未來蒙皮與健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的一體化設(shè)計需要重點關(guān)注。

5 結(jié)論

隨著人類對月球探索的不斷深入,對長期月面駐留的需求愈發(fā)迫切,柔性月球居住艙將會在未來月球探測活動中發(fā)揮重要作用。未來的柔性月球居住艙應(yīng)采用基于折紙理論等有數(shù)學(xué)理論支撐的優(yōu)化折疊方案,盡可能簡化折展過程;應(yīng)用具有自適應(yīng)、自感知能力的智能柔性材料;蒙皮與健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用一體化設(shè)計,強化柔性艙的智能化水平。

月球居住艙的設(shè)計與建造是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,本文主要著眼于柔性月球艙的構(gòu)型和形態(tài),分析對比了國內(nèi)外多種月球艙設(shè)計方案,并給出了符合未來一段時間中國探月計劃需求與現(xiàn)實約束的柔性月球艙性能指標(biāo),對中國月球居住艙設(shè)計與基地工程的開展具有借鑒意義。