航天器柔性主動展開技術與應用進展

王立武 李博 武士輕 竺梅芳 廖航 王奇

(1 北京空間機電研究所,北京 100094)

(2 中國航天科技集團有限公司航天進入、減速與著陸技術實驗室,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入減速與著陸技術提出了更高的要求,極大促進了柔性可展開減速技術尤其是柔性主動展開減速技術的發展,積累了一定的技術積淀和工程應用經驗。

當前,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入減速與著陸領域得到了廣泛應用[1]。這些柔性主動展開減速裝置的共同特點,是將一種折疊包裝成較小體積的柔性產品,通過主動展開手段,在特定環境下展開并完成特定功能。這種柔性主動展開技術在產品輕質化、空間利用優化等方面具有顯著效果,尤其在應用于空間產品時可顯著降低發射成本,具有明顯優勢[2]。

隨著空間技術的進步與發展,許多科學應用領域均提出了對大尺度面狀產品的需求,而受限于質量、體積與發射能力,已無法采用剛性結構進行相關產品的設計,柔性可展開技術已成為解決這一難題的最佳方案之一[3]。20 世紀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品陸續投入工程應用[3-5],成為了空間應用領域的研究熱點之一。

除此之外,空間柔性艙等大尺度空間立體結構也是柔性主動展開技術的另一大應用領域,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,國內在柔性主動展開技術研究方面也取得了一系列進展,北京空間機電研究所依托在回收著陸專業的技術基礎,先后研制并成功應用了充氣展開重力梯度桿、高分七號衛星遮光罩、50/70周年國慶天安門廣場紅宮燈、新一代載人飛船試驗船緩沖氣囊系統等柔性主動展開產品,其中基于新一代載人飛船的大載重氣囊緩沖系統,達到了國際先進水平,填充了這一領域的國內空白。同時,研究所還在增阻離軌裝置、充氣再入下降技術系統(IRDT)裝置、空間充氣艙、空間柔性防護結構以及柔性充氣翼、低空減速緩沖裝置等其他應用領域開展了柔性主動展開技術的研究。

柔性主動展開技術在以空間應用領域為主的眾多科學應用領域均有著廣泛應用與需求,針對航天器柔性主動展開裝置開展基礎理論和關鍵技術研究具有強烈的必要性和現實意義。文章通過對航天器柔性主動展開技術應用領域,發展情況、關鍵技術以及當前待攻克技術難題等的介紹,凸顯了柔性主動展開技術在航天領域應用的優勢,梳理并聚焦了關鍵技術難題,對柔性主動展開技術在航天領域的工程應用,以及相關關鍵技術的發展提出了呼吁。

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構,通過氣動力、支撐力等對目標進行減速的裝置,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械展開兩類。充氣展開是以充氣的方式對內為空腔的充氣展開結構進行可控展開,目前在大型空間柔性主動展開裝置中得到了廣泛應用。其氣源形式包括高壓氣瓶、氣體發生器以及粉末升華等不同技術途徑,對于需要長期在軌運行的結構在充氣結構完全展開后需要進一步對材料進行剛化以滿足工作需求[8],對于一些較短時間的應用情況,利用充氣后形成的壓差維形以保證剛度亦可滿足要求。

機械展開則是以機械展開結構將附在展開結構上的柔性薄膜展開成型。相對充氣展開,機械展開在展開裝置尺度較大時,往往存在附加質量大,收攏展開構型受約束等問題。

1.2 航天器柔性主動展開裝置的應用

航天器柔性主動展開裝置憑借質量輕、展收比大、結構形式多樣的優勢,在諸多領域都得到了廣泛應用,是解決空間大尺度、大質量產品輕量化問題的重要技術途徑。

利用柔性展開裝置為飛行器進行減速是當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驗證。美國在獵戶座飛船和波音載人飛船(Starliner)研制過程中先后發展了組合式緩沖氣囊系統;俄羅斯研制了集低空減速與緩沖為一體的高樓救生裝置,先后數次進行了IRDT 驗證器飛行試驗,美國發展了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品日益成為制約空間開發、探索能力的瓶頸。在空間環境下,重力幾乎為零,大氣環境也為稀薄,粒子流氣動力極小,因而對大尺度產品結構強度的要求相對不高,較為適合柔性主動展開結構的應用。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研究與在軌試驗驗證;歐空局進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,成功實現了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構也是柔性主動展開裝置的一大應用領域,其憑借質量輕、發射體積小、功能集成度高以及工程實施方便等優點,成為了解決當前較低發射能力與快速增長的航天任務之間矛盾的最佳途徑之一。美國畢格羅航天公司以NASA充氣式轉移太空艙(TransHab)的相關研究為基礎,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構構建、空間居住環境改善等方面均具有顯著優勢,其已被廣泛應用于各種科學領域,成為解決限制空間技術發展的一些主要問題的最佳技術途徑之一。

2 航天器柔性主動展開技術內涵及關鍵技術

2.1 技術內涵

雖然航天器柔性主動展開裝置根據不同的應用領域其具體功能不盡相同,但其本質都是將柔性產品主動展開成預定形狀以便發揮相應功能。其工作過程中都需要經歷折疊存儲、主動展開、保形承擔相應功能等幾個階段。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現。而主動展開過程作為一個動態過程,其無論是通過充氣展開還是機械展開,過程中柔性結構的變化都有著非線性強、隨機性和變形幅度大的特點,是關鍵技術難點。同時,主動展開過程也是柔性主動展開裝置承擔相應功能的先決條件。保形承擔相應功能是柔性主動展開裝置的最終目的,充氣結構剛化技術等保形手段,以及承擔相應功能過程中的剛-柔耦合系統動力學響應等關鍵特性,也均是柔性主動展開裝置研究中重要的關鍵技術。

2.2 關鍵技術

柔性主動展開裝置的工作過程是較為復雜的力學分析問題,對其在基礎理論方面進行關鍵技術研究,可以更好的獲得準確的力學和運動學特性,為實際工程應用打好基礎。從柔性主動展開裝置的工作特點來看,其主要有以下3個方面的共性關鍵技術。

1)柔性展開結構折疊技術

柔性展開結構的折疊主要是指其中薄壁管柱和薄膜結構的折疊[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,各種折紙技術在空間柔性展開結構的應用成為了熱點。對于薄壁管柱的折疊已經出現了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。國外學者針對Miura折疊充氣柱與Yoshimura折疊充氣柱進行了對比試驗研究。結果表明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更優。螺旋三角折疊法是英國劍橋大學Calladine CR 教授在研究生物結構力學時發現的,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傾斜折疊、葉內折疊法、葉外折疊法、Miura折疊法等[13],其中旋轉傾斜折疊主要適用于自旋展開的薄膜結構。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上通過改變平面折疊結構中的折痕夾角,就可以得到相應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)柔性展開結構展開過程動力學分析

柔性展開結構動力學分析主要包括充氣展開結構動力學分析與薄膜結構動力學分析。

充氣展開結構的充氣展開過程是較為復雜的動力學過程,十幾年來大量學者從不同切入角度,運用動力學方法、有限元方法以及非線性方法對這一動力學過程進行了研究。文獻[14]采用控制體積模型,應用非線性大變形動力分析軟件LS-Dyna進行了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研究。文獻[15]用流-固耦合方法對伸縮式充氣支撐管進行了模擬,建立了有限元模型,結果表明,流-固耦合模型更能真實的反映展開過程,但是需要更長的時間步長。文獻[16]將剛性鏈之間用非線性旋轉彈簧以及線性旋轉阻尼鉸進行連接,采用二維剛性鏈系統研究充氣管的展開動力學。

薄膜結構動力學分析較為復雜,技術難點也較多,目前針對其的研究主要集中于薄膜展開運動非線性有限元彈性動力學分析、薄膜局部屈曲、褶皺膜結構展開動力學分析等方面[17]。日本大學基于能量動量法(EMM),應用非線性有限元分析軟件Abaqus對對IKAROS太陽帆的展開運動進行了非線性有限元彈性動力學分析。日本工業大學通過有限元仿真對折疊太陽帆局部屈曲的細節進行了研究,確定了空間膜的折疊尺寸和殘余變形。美國加州工業大學研究了膜厚度和折痕密度對展開褶皺膜結構所需的力的影響。

3)剛-柔耦合系統動力學分析

柔性主動展開裝置在主動展開發揮相應功能的過程中,均屬于剛-柔耦合系統。但應用于不同領域的柔性主動展開系統,其動力學特性相差較大。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分析,IRDT 等應用于中間層大氣的減速器主要涉及氣動力學分析,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-柔耦合系統姿軌控動力學分析等。緩沖氣囊緩沖過程動力學分析方面主要分為解析法和有限元法,Esgar和Morgan在假設氣囊內氣體為理想氣體的前提下,以力學平衡方程和熱力學方程為基礎,對氣囊緩沖過程進行了動力學分析;Tutt等通過有限元仿真與試驗相結合的方法研究了“獵戶座”載人飛船緩沖氣囊的緩沖過程動力學特性[18]。Likins、Modi、Kane等是最早研究柔性多體系統動力學理論的學者們,他們提出了混合坐標法、Kane方法等動力學建模方法,極大地促進了柔性多體系統理論的發展[18]。國內柔性多體系統動力學建模研究領域的學者繆炳祺、閻紹澤、李東旭等對柔性航天器動力學模型、剛柔耦合航天器動力學及附件振動抑制等方面進行了深入研究,取得了豐碩的成果[19-21]。

除上述關共性鍵技術之外,根據功能特點及應用環境的不同,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、流固熱多物理場耦合、空間環境適應性及剛化等關鍵技術。圖4結合工程應用需求,對柔性主動展開技術的共性基礎技術和個性化關鍵技術進行了總結。

圖4 柔性主動展開技術的關鍵技術分布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與學科交叉度和難度都極高,其中如在軌剛化技術、撓性結構振動動力學等都還需要繼續進行深入研究。

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

大型空間主動展開結構,自身材料提供的阻尼系數有限,太空中空氣稀薄,由空氣產生的阻尼作用也很小。因此當大型空間主動展開結構由各種因素引起自由振動后很難通過自身結構對振動進行衰減。當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缺點,還有著進一步優化的空間。

基礎技術研究是掌握關鍵技術,實現工程應用的基礎,也是當前制約航天器柔性主動展開技術工程應用的關鍵環節之一。對航天器柔性主動展開技術所涉及的關鍵技術進行深入理論研究,是推動其在諸多科學應用領域實現大范圍工程應用的先決條件之一。

3 結束語

航天領域對輕質、高展收比結構產品的需求促進了柔性主動展開技術的發展,多種形式的柔性主動展開裝置在航天領域進行了工程應用,推動了一系列航天工程難題的解決,具有廣闊的應用前景。但同時柔性主動展開裝置在航天領域的廣泛工程應用還需要一系列基礎理論技術的支持。隨著我國航天技術的發展,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用,在這一階段,迫切需要對航天器柔性主動展開技術相關的基礎理論進行深入研究,打通關鍵技術環節。根據當前柔性主動展開技術在航天領域的應用前景,建議從以下3個方面著手,推動航天器柔性主動展開技術的發展。

(1)吃透柔性展開結構折疊技術、柔性展開結構展開過程動力學分析、剛-柔耦合系統動力學分析等共性基礎理論技術,奠定技術基礎,為柔性主動展開裝置的航天工程應用提供技術保障。

(2)加強相關基礎學科與交叉學科的研究,通過工程問題牽引柔性主動展開裝置相關個性基礎理論技術的進步,為柔性主動展開裝置功能特性擴展,應用范圍拓寬提供技術支持。

(3)進一步通過在軌試驗驗證等手段,對柔性主動展開技術的相關成果展開驗證,推動該技術的實際工程應用進展。

可以預見,隨著相關關鍵技術的突破與夯實,航天器柔性主動展開技術將推動一系列航天重大工程項目的進展,引領航天領域技術發展的潮流。