柔性可展開月球居住艙發展現狀

白成超, 彭祺擘, 郭繼峰, 王慎泉, 張 琦, 謝旭東

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

1 引言

進入21 世紀以來,各航天大國都提出了載人登月的構想,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轉變為對月球資源的勘探與開發[9-11]。

月球資源勘探與開發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。從建造構型劃分,月球居住艙分為剛性艙構型、柔性艙構型和建造式構型[12-13]。3 種構型中,剛性艙構型與柔性艙構型技術上較為成熟,工程上較易實現,適合搭建初期小規模月球基地。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;從工程實現角度講需要易于加工、長壽命等[14]。

本文梳理了國內外典型的月球居住艙設計方案,并在此基礎上結合未來月球探測活動需求,從宜居性、安全性、可擴展性、經濟性4 個方面構建了柔性月球居住艙的評價指標體系,并梳理了柔性月球居住艙的關鍵技術與可能的發展路徑。

2 發展現狀

目前,國內外已經提出了多種柔性構型月球居住艙方案,構型上分為純柔性構型、剛柔混合構型以及柔性+建造式構型(柔性蒙皮外使用月壤覆蓋);形態上分為臥式(半)圓柱形、立式圓柱形、球(冠)形、多球形、環形等。本文中的月球艙均指代柔性構型月球居住艙,為航天器系統。

2.1 國外研究現狀

2.1.1 STEM 月球艙

阿波羅計劃中,為實現航天員月面長時間駐留目標,固特異公司設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,由外至內分別為外部蒙皮、泡沫微塵防護層、結構層以及密封氣囊層。

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研究項目,提出了一種柔性+建造式構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想圖,圖3 為該月球艙內部剖面圖。該方案艙壁由多層材料組成,由外至內依次為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。該方案的優勢是有充足的內部空間,且內部使用籠式結構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 公司合作設計了一種臥式半圓柱形柔性月球艙[17],采用純柔性構型,主體支撐結構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 已經對該月球艙進行了折疊與展開測試,結果表明可以由4 人在4 h 內完成展開,圖4 為NASA 在南極對該月球艙展開極端環境測試。該方案的優點是折疊效率高,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,蒙皮由張拉網進行結構加強。該方案的充氣艙體外部提供12 個對接口,內部布局可以根據任務和環境靈活調整(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,仍然采用剛柔耦合的結構。

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實驗室,如果通過接口或密封通道連接多個艙段,可以構建出規模龐大的月球基地。

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柔性月球居住艙與應用于空間結構的智能柔性材料(Intelligent Flexible Materials for Space Structures),X-Hab計劃的研究人員為可展開居住艙設計了名為工程發展單元(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。剛性結構位于兩端,柔性可展開結構收納于中部,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,如圖8 所示。月球艙柔性蒙皮由多層不同功能的柔性復合材料構成:內襯層、結構限制層、熱防護層和微流星體防護層。多個EDU 居住艙并排放置,頂部使用帳篷結構進行覆蓋,在帳篷頂端覆蓋一定厚度的月壤,即可構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]提出了一種剛柔混合的月球居住艙方案。該方案是NASA 資助北達科他大學載人探月探火綜合戰略(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。

月球艙主結構采用剛性桁架結構,各桿之間采用可活動的接頭連接。桁架結構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構的展開,內部壓力艙則完全由充氣式結構組成。由于主結構為剛性桁架,因此其抗壓、抗撞擊的能力比純粹的充氣式展開結構更強,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 剛柔混合月球艙[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部空間,整個桁架結構連同外部充氣殼層形成的空間不能被有效利用。另外,桁架結構需要航天員手動完成組裝,極為耗費航天員的體力和時間。優點在于外部桁架結構具有較強的支撐能力,因此經一定的適合性改進后,可以作為裝載精密實驗設備的實驗艙使用。

圖10 UND 剛柔混合月球艙剖視圖[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 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需求。該方案底端為剛性構型的著陸模塊,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需求外,還考慮了月球基地的長期規劃問題。每個最小功能月球艙單元使用標準化的統一對接口,可以搭建規模龐大的月球基地,實現月球基地的進化增長。

2.1.10 旋轉橢圓體月球居住艙

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

圖12 旋轉橢圓體月球居住艙[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計有3 個標準化對接口,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、工作與科研提供充裕空間。

旋轉橢圓體柔性可展開月球居住單元的設計思路參考了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形結構。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。柔性蒙皮選材與結構設計也參考了TransHab。對接口和艙門使用剛性骨架與剛性芯柱相連。折疊狀態下,柔性蒙皮圍繞在對接口和艙門周圍,封裝在剛性芯柱內。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 混合月球可展開結構

2020 年,Dronadula 等[25]提出了一種較為新穎的剛柔混合構型月球艙方案,靈感來自于雨傘,如圖14 所示。混合月球可展開結構(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,與前述的旋轉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構展開與蒙皮展開2 個步驟。到達月面后,先是肋骨與地板機構的機械展開,然后柔性蒙皮從支撐柱內釋放,完成整個居住艙的搭建,其過程如圖15 所示。

圖14 混合月球可展開結構[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 國內研究現狀

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計方案。如圖16 所示,該方案為球冠式構型,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,內部艙室采用蜂窩狀隔斷設計。該方案的優缺點與前述JSC 月球艙相似,優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 層結構。居住艙主要由剛性封頭、柔性復合材料艙壁、艙門、舷窗等結構構成。艙體內部包含充氣桁架、基座、支架及氣瓶等設備,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,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部結構布局[27]Fig.17 Internal structure of inflatable deployable Lunar habitation module[27]

2.3 柔性月球艙不同形態對比分析

1) 圓柱形/半圓柱形月球艙在形態上最匹配運載火箭細長體特征,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之前大規模改造地形,因此比較適合早期規模較小的科考站。

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前期進行地形改造。如2.1.2 節所述的圓球形大型月球基地設想,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) 環形月球艙一般采用剛柔耦合構型,中心為剛性芯柱,外部為由柔性蒙皮擴展出的空間,與TransHab 太空艙在構型上無本質區別。環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。由于形狀限制,環形月球艙不適合移動,可作為固定式居住艙或支持艙使用。單層的環形月球艙可在剛性芯柱內安裝較重的能源系統或大型的機械臂,蒙皮擴展出的環形空間作為儲物間放置月面漫游車以及科研設備。

3 評價體系與性能指標

3.1 需求分析

從未來載人月球探測的任務需求來看,有人月球基地應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構質量和體積較大,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以及月球長期科學考察與開發任務需要。

柔性可展開構型月球艙具有質量輕、發射體積小、發射成本低、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點,可以滿足未來月面長期駐留需求,是構建大型有人月球基地的優勢方案之一,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,其柔性可展開結構的蒙皮由20 余層不同功能的復合材料組成,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)、結構限制層(材料為聚對苯二甲酰對苯二胺和亞苯基材料,結構限制與強度增強)、冗余氣囊層以及內襯防刮層(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),其柔性蒙皮的結構設計與選材充分考慮了空間熱環境、空間輻射、空間碎片撞擊和艙內航天員操作可能產生的風險,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構限制層,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,艙內壓力作用下在艙體蒙皮上產生的面內應力足以使艙體獲得抵抗外力變形的能力,再輔以艙內的剛性支撐結構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型[29]。

3) 技術成熟度方面。柔性艙蒙皮使用的大部分材料都是現有的,主要問題在于根據月球艙的需求進行防護層各層的設計,需要有多層整體分析、層間耦合效應、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型。

4) 月面部署方面。柔性艙需要在月面完成結構展開與充氣,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平整度的要求較高,而圓柱形/半圓柱形以及環形柔性艙一般來說底面面積不大,對于著陸區的平整度要求并不高于剛性艙。

3.2 評價體系與性能指標

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。考慮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濟性也是重要的評估指標。參考果琳麗等[29]提出的月球基地評價體系,結合柔性構型月球居住艙自身特點,給出柔性構型月球居住艙的評價指標體系,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計,圓柱形月球艙可以沿艙體軸向使用擋板區隔出一個或多個方形區域作為航天員生活活動空間,將生保設備、管道線纜等安裝于活動區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設置多層地板,在艙體軸向上提高空間利用率。考慮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在80%以上。

2) 人均活動空間。根據NASA-STD-3001《人—系統集合標準》[30]意見,對于4 個月或更長時間任務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,月球艙內應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境舒適,居住區與工作區應分開。工作區噪音較大的設備應遠離居住區,并需要隔音裝置減弱噪音對航天員的影響。依據宜居環境噪聲標準,月球艙居住區噪聲應在35 dB 以下;緊急情況下,艙內工作區與可通行區域的噪聲應低于75 dB。

5) 環控能力。主要由支持航天員數量、內部大氣溫度、相對濕度、氧濃度等參數表示。參考空間站內部環境指標并結合月面環境條件下航天員生保需求,確定柔性月球居住艙環控能力如下:①內部正常大氣溫度18 ～28 ℃;②應急瞬時大氣溫度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。月球赤道區域平均溫度較高,晝夜溫差較大;兩極區域平均溫度較低,晝夜溫差較小。為降低熱控難度,同時獲得長時間連續日照,針對月球南極永久光照區進行論證。該區域溫度變化范圍為±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、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。根據嫦娥四號月面輻射測量結果,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,在月球資源開發階段,航天員月面駐留時間將延長到14 ～ 30 d。根據呼延奇等[32]的研究結果,5 g/cm2鋁屏蔽層即可保證其產生的劑量比NASA30 日輻射暴露限值低一個數量級,已經基本能夠滿足阻擋太陽風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與5～10 g/cm2的鋁屏蔽層相當,對于特大太陽粒子事件或高能銀河宇宙射線,則需要使用月壤構建防護層,并利用艙內儀器、防輻射水箱等設備等形成額外的屏蔽質量。

4) 耐壓保壓能力。劉偉波等[33]從人體生理學與工程技術要求兩方面出發,詳細論證了應如何選擇密封艙內壓力制度。月球艙應采用氧氮混合氣體,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,該指標主要考慮預緊力、溫度變化等帶來的材料疲勞應力因素,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,補氣操作次數也越少,充氣艙性能越好。具體指標需要根據任務時長、月球艙總體設計方案給出。

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計,如選擇納米荷葉效應表面、自動防塵膜、導電防護膜等,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) 可擴展接口數量。考慮到月球居住艙的增量式建設以及人員在不同艙段間的轉移,月球艙應留有可擴展接口。月球艙應能與其他艙段以及月球著陸器對接,因此每個艙段至少應有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,應具備大范圍移動的能力,以支持科研工作。

3) 對接口標準程度。艙段間對接口應保證標準化程度,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。需要根據實際任務需求來確定。

3.2.4 經濟性

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年甚至十數年之久,因此月球居住艙的設計壽命應不低于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部有效容積(充氣艙長度、內徑)表示。使用剛性芯柱的剛柔耦合艙體在縱向上不可折疊,受限于剛性芯柱的尺寸,折疊效率通常低于純柔性艙體和軸向可折疊剛柔混合艙體。結合柔性艙展開后的有效體積,要求軸向可折疊剛柔混合艙體的折疊效率不低于8,含不可折疊剛性芯柱的剛柔耦合艙體折疊效率不低于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,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,主結構采用管狀的桁架結構。各桿之間采用可活動的接頭連接,桁架結構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。柔性蒙皮結構應具備微流星/碎片撞擊修復能力,可支持直徑10 cm 的破洞修復。

5) 技術成熟度。由于此前從未在月面上部署過柔性構型的月球艙,為保證經濟性與安全性,柔性月球艙不應具有過多革命性設計,其相關技術必須要在地面模擬月面環境中完成嚴格的測試。

3.2.5 總體指標

綜上所述,得到柔性月球居住艙指標如表1所示。

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

4 關鍵技術

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

4.1 總體方案設計

由于柔性構型月球艙與剛性艙有本質區別,因此在設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柔連接機構設計等問題[34]。除此之外,還要考慮到環境帶來的約束問題,比如在月球熔巖洞中建設月球基地[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,這對結構設計、材料選擇都帶來了挑戰。

從支撐未來月球基地建設與長期發展的角度考慮,柔性月球艙設計應該考慮通用性與功能性,單個柔性艙可以作為系統的胞元,采用標準化接口,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構,實現月球基地的進化增長[36],如圖19 所示。

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

4.2 蒙皮結構與材料

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構設計是柔性月球居住艙研發的關鍵問題。

4.2.1 蒙皮結構設計

柔性艙蒙皮結構設計最主要的依據是環境安全需求,通常由多層不同功能的柔性復合材料構成柔性蒙皮的各個功能層:內襯層、冗余氣密層(或氣體阻隔層)、結構限制層(或結構增強層、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]。這種蒙皮結構設計來源于美國TransHab 太空艙,是一種較為完善的方案,主要區別是為防止月塵吸附并劃傷蒙皮,并在最外側增加了月塵防護層。此后的研究基本沿用了這種多功能層的蒙皮結構設計方案。

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合材料。總結調研資料,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 微流星體防護層設計

除各層功能劃分與選取外,各功能層自身的結構設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,傳統航天器采用Whipple 防護結構作為微流星體防護層,Whipple 防護結構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]設計了一種模塊化方案,將微流星體防護層與熱防護層設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計主要研究方向集中在防護層結構設計與材料選擇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,防護層結構設計相比之下則有更大研究空間。而仿生學的發展可以為微流星體防護層的設計帶來新的靈感。如圖20 所示,通過對撞擊型蝦蛄掠肢沖擊區進行顯微觀察,發現其掠肢內部的高韌性人字形結構具備強大的抗沖擊能力[46]。這種結構與材料特性可以引入柔性蒙皮防護層設計中來,研究填充材料結構拓撲性質對于防護能力的影響。因此,柔性蒙皮微流星體防護層的結構設計與材料選擇是一個值得研究的關鍵問題。

圖20 沖擊區的光學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 折疊方案設計與展開控制技術

柔性可展開月球艙折展控制技術的目標是提高柔性艙的折疊效率,盡可能減小發射時的體積,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研究的重點。

折疊方法方面,主要是結合艙體的具體形態與構型特性,設計折疊效率更高的折疊方式。目前柔性可展開結構設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,國內東北大學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開始論證多邊形折疊設計、仿生折疊設計等折疊效率更高的折疊方法,未來有望應用到柔性蒙皮展開領域。

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,需要著重強調展開過程的速率控制,以免出現蒙皮的磨損、褶皺與劃傷。

總結調研資料,在柔性艙折疊方案設計與展開控制技術領域,存在如下亟待解決的技術難題[44]:

1) 無損/低損高效折疊收納問題。柔性艙如何優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計。

2)折展機構一體化設計問題。柔性艙蒙皮折疊與展開控制機構如何設計得緊湊,該問題主要涉及機構學。

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、有序展開,且保證展開過程的低能耗、可重復,柔性艙艙體結構越復雜,尺度越大,這個問題越突出。

近年來,折紙技術與折紙超材料開始應用到航天領域,目前主要應用于太陽能帆板與天線設計,已處于實驗驗證階段。折紙技術有數學理論的支撐,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。這種數學與藝術相結合的工程技術可以助力柔性可展開月球艙折展技術的發展[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

柔性月球居住艙的蒙皮與柔性天線等空間柔性結構不同,其厚度一般在10 cm 以上,且內含高強芳綸纖維。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安裝較重的設備,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特定功能層的剛化;

3) 實現剛化過程的可控、可逆。

目前主流的柔性結構剛化技術包括紫外剛化技術和熱塑性/形狀記憶剛化技術技術,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/形狀記憶剛化技術具有所需能量低、儲存期近乎無限、剛化過程可逆等優點,適合應用于柔性月球居住艙[44]。

4.6 氣密性剛柔連接技術

柔性月球居住艙設有舷窗、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柔連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生適中的密封接觸應力以保證氣密性。

柔性艙剛柔連接技術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,剛柔連接機構需要確定夾緊蒙皮整體還是特定功能層;

2) 剛柔連接處的柔性蒙皮如何保證在展開過程中消除褶皺。

4.7 蒙皮健康狀態監測技術

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,監測蒙皮的健康狀態是一個需要關注的問題。目前已經有集成了多種類型傳感器,兼具多功能傳感、數據傳輸、狀態檢測的智能蒙皮技術應用在大氣層內飛行器上,可以為柔性月球居住艙蒙皮健康狀態監測提供參考。可在蒙皮內外兩側布設多功能傳感器網絡,以實時監測溫度變化、輻射損傷、月塵劃傷與微流星體撞擊,并實時傳輸數據。未來蒙皮與健康狀態監測系統的一體化設計需要重點關注。

5 結論

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迫切,柔性月球居住艙將會在未來月球探測活動中發揮重要作用。未來的柔性月球居住艙應采用基于折紙理論等有數學理論支撐的優化折疊方案,盡可能簡化折展過程;應用具有自適應、自感知能力的智能柔性材料;蒙皮與健康狀態監測系統采用一體化設計,強化柔性艙的智能化水平。

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