航天器柔性充气式密封舱结构技术的发展

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

目前，在轨运行的载人航天器（包括“国际空间站”）大多以刚性金属舱为主，由于大型刚性密封舱结构质量重、体积大、发射成本高、在轨组装难，且受火箭发射包络的限制，其结构设计紧凑，有效空间狭窄，导致诸多重要科学试验难以顺利开展，航天员也只能站立休息，因此越来越难以满足未来深空探测发展的需要。

空间充气展开密封结构具有质量轻、包装和折叠效率高、展开可靠、工程实施简单等优点。20世纪60年代，苏联已经初步掌握了充气式气闸舱技术，1965年，苏联在其上升号载人飞船上首次使用充气式气闸舱，成功解决了减重和火箭发射包络的瓶颈问题。20世纪90年代末，美国在该领域的关键技术获得新突破，并于2006年将Bigelow 航天公司的充气式太空舱起源I号（Genesis-I）送入太空，奠定了在该领域的领先优势［1-9］。无论从质量还是体积方面，充气式舱体都比刚性金属舱体有更突出的优势。起源I号充气式太空舱总质量约为1.27 t，有效空间约为22 m3，平均每吨质量能够提供约17m3有效空间（即容积／质量比为17m3／t）。而当前刚性金属舱体平均每吨质量仅能提供为4.5 m3有效空间（即容积／质量比为4.5m3／t）。美国Bigelow 航天公司公布的数据显示，其充气式太空舱BA330的总长度约13.7 m（有效长度约10 m），直径6.7m，有效体积约350m3。同样经过一次运载发射，和平号空间站的刚性舱体仅提供有效长度8.5m，直径4.2 m，有效体积约117 m3的工作空间，后者的有效空间仅为充气式舱体的1／3［10］。

实际上由于总体布局、包络尺寸、火箭发射等诸多瓶颈因素的限制，刚性舱体结构愈加难以满足未来航天器的任务和功能需求，开展大型充气展开舱体研究是解决当前较低发射能力与快速增长的航天任务之间矛盾的最佳途径之一［11-14］。未来载人航天任务中，充气式舱体由于其具有的优势，在气闸舱、大型太空舱和月球基地等工程中将担当重要角色。

本文对国外充气式舱体领域的研究情况进行了调研和综述，并总结了充气式舱体的关键技术，提出了我国开展该技术研究的建议。

2 充气式舱体发展现状

2.1 发展历程

充气式舱体早在20世纪70年代便由美国提出，其研究大致经历了3个阶段。

2.1.1 第一阶段

第一阶段是20世纪七八十年代，主要是充气式舱体结构的概念设计研究阶段，标志是美国的Goodyear航天公司设计并成功研制的两个工程模型。

1965年，美国Goodyear航天公司研发了一种充气式月球舱，两年后又开发了一个长度为1.89m的充气式气闸舱，表明美国最早认识到充气式舱体的优势，并将之应用到“天空实验室”（Skylab）的设计上。与此同时，苏联为解决火箭运载质量和包络的瓶颈，大胆在其上升号载人飞船上应用充气式气闸舱（见图1）［1］，实现了该技术的首次在轨应用。

图1 苏联上升号载人飞船充气式气闸舱Fig.1 Manned spacecraft inflatable airlock of Russia

此阶段充气式舱体相关技术的研究还不全面，上升号载人飞船充气式气闸舱是在刚化技术未完全吃透的条件下，为了解决运载火箭发射能力不足的问题，将东方号载人飞船进行改进，东方号载人飞船的设计能力是搭载1名宇航员，而上升号是搭载3名宇航员，为了大幅减重，同时为了缩小包络尺寸，充气式气闸舱应运而生。当时美国开展的充气式月球舱研究，虽然研制了原理样机和工程模型，但限于柔性材料技术、刚化技术的不成熟，尤其是任务需求的不明确，到80年代中期相关研究停滞了。

2.1.2 第二阶段

第二阶段是20世纪90年代，主要是关键技术的梳理和工程样机的研究，标志是美国NASA 启动了运输居住舱（Transit Habitation Module，TransHab）充气式太空舱项目，如图2所示。

图2 TransHab充气式太空舱效果图［1］Fig.2 Inflatable space capsule of TransHab

20世纪90年代后，随着空间技术的发展和任务型号的多元化，对大型舱体结构的需求愈加迫切，TransHab研究项目旨在为空间站提供更廉价、更大型化的空间舱体结构。TransHab充气式太空舱发射状态下包络尺寸为Φ3.35 m×10.97 m，展开后的包络尺寸为Φ8.23 m×10.97 m，有效空间大于300m3，采用碳复合材料的中心承力筒结构，上下共3层，对接机构、舱门机构、舷窗等为刚性结构，充气展开后，靠内部气压保形。当时拟采用航天飞机将折叠状态下的TransHab太空舱送入轨道，在此项目的支持下，美国对该领域的关键技术做了全面梳理并初步掌握了相关技术，明确将蒙皮材料、折叠／展开技术、刚化技术列为重点研究内容，并成功研制了工程样机。但由于经费限制，该项目于2000年中止，相关的试验和测试至2005年底结束。NASA 的约翰逊航天中心用两年时间靠大量的试验数据验证了包括材料、结构、刚柔连接、耐压试验等多项技术，为后续美国Bigelow 航天公司继承相应的技术奠定了良好的基础。

这是美国在相关领域开展研究最全面、最深入的阶段，瞄准的目标是为“国际空间站”提供超大型的太空扩展舱，虽然由于经费、需求不迫切等原因未能发射，但积累了重要的技术基础。同时，也从侧面说明大型充气式太空舱虽然在技术上是可能的，但研制成本和研制周期的代价也是高昂的。

2.1.3 第三阶段

第三阶段是2006年至今，这一阶段的标志是2006年美国Bigelow 航天公司的充气式太空舱起源I号（Genesis-I）成功在轨展开，验证了充气式舱体技术在空间应用的可行性。之后充气式舱体的概念引入到大型太空舱、月球基地等领域，一系列充气式舱体的新概念设计被陆续提出。

2000年前后，美国的Bigelow 航天公司在全面继承了TransHab太空舱项目研究成果的基础上，分别于2006年和2007年先后成功发射了起源Ⅰ号（见图3）［10］和起源Ⅱ号充气式太空舱，奠定了美国在该领域的领先地位。

图3 起源Ⅰ号充气式太空舱Fig.3 Inflatable space capsule of Genesis-Ⅰ

这一阶段美国放弃了研制TransHab规模的大型太空舱发射计划，改为先从无人的小型充气式太空舱（起源Ⅰ号：长4.5 m，直径1.6 m，体积约为8.8m3，展开后直径为2.54 m）开始循序渐进的发展策略。

进入21世纪，NASA 将充气式舱体这一共性技术应用到载人登月、行星探测领域。在NASA 的资助下，美国多家研究机构展开了充气式舱体和星球基地的新概念充气舱论证。

2007年，美国ILC Dover公司为月球临时居所或实验室研制了一种双舱结构的立式充气式月球舱（见图4）［14］和另一扁圆形充气式月球舱，美国NASA 约翰逊航天中心提出了一种旋转扁圆形充气式月球舱概念（见图5）［13］，美国在重返月球计划的“牵牛星”（Altair）登月舱上也论证了充气式气闸舱的可行性（见图6）［8］。这几个典型的充气舱项目表明，美国已全面掌握该领域的关键技术，按照方案设计-工程样机-在轨应用的步骤，美国正在稳步推进其在该领域的发展计划。

图4 立式圆柱形充气式月球舱Fig.4 Vertical cylindrical inflatable lunar module

图5 两个单元构成的LS1型月球基地模拟图Fig.5 Lunar base of composite inflatable module

图6 美国重返月球计划“牵牛星”登月舱模拟图Fig.6 Views of a proposed pre-airlock and airlock configuration of Altair

通过对国外典型的充气式舱体结构的基本参数和应用背景的总结，可以得出：

（1）充气式舱体主要应用于气闸舱、大型多功能太空舱、太空基地等对体积要求大的密封舱。

（2）本着设计简单的原则，大多数充气式舱体都采用了回转体构型。对于大型多功能的太空舱／月球基地类的充气式舱体展开后不需要额外的刚化，靠舱内充气来保压，而气闸舱类的舱体，由于舱内需要多次充放气，所以需要额外的刚化手段；

（3）充气式舱体大多配置刚性舱门，充气舱内设计有可随充气舱体同步折叠／展开的刚性机构或设备的连接接口。

2.2 研究现状

经过几十年的发展，充气式舱体研究的重点集中在任务分析下的总体方案、柔性蒙皮材料体系、折叠展开及刚化技术和充气舱的地面试验技术，同时也在开展相关领域的分析仿真工作。

2.2.1 蒙皮材料体系研究

充气式舱体的蒙皮材料体系由多层柔性复合材料（如薄膜或织物）构成，主要包括气密层（或气体阻隔层）、增强层（或结构层、限制层）、微流星体／轨道碎片防 护 层（MicroMeterioidi／Orbital Debris，MMOD）和防辐射层，以及多层隔热层，充气舱体蒙皮体系各功能层的主要作用及部分典型材料见表1。根据任务性质和周期长短，可以自由地增减某些功能层，以满足项目的实际需求。

长期研究表明，由不同功能、不同材质的薄膜或织物等柔性材料构成多功能的层合蒙皮材料已经成为一种潜在的研究标准和趋势；多功能蒙皮材料体系的优化设计始终是该方向的研究热点，针对不同型号任务，没有通用的多功能蒙皮材料体系，须根据实际情况进行材料体系设计与研制。

表1 充气舱体蒙皮体系各功能层Table 1 Functional layers of multilayer shell

2.2.2 折叠与展开控制技术研究

折叠设计方面，主要是针对结构的几何特点，设计更小收拢体积的折叠方式。对于充气结构，常用的折叠方式主要是Z 型折叠和卷曲折叠。随着充气结构的发展，对折叠方式的研究也愈加深入。国外仿生折叠设计、多边形折叠设计方面都取得了一定进展。但真正工程应用于充气式舱体的折叠技术还是Z型折叠［7-10］。

目前折叠研究分为两个方向：一个是面向理论研究的新折叠方式和折叠／展开仿真技术研究；另一个是面向工程开展柔性蒙皮与刚性件组合体的无损折叠／展开技术研究。

2.2.3 刚化技术研究充气式舱体结构的刚化指的是通过某种方式赋予柔性舱体一定的刚度，使其能够承受自身及其他额外载荷而不发生结构失稳。对于充气式太空舱，内压作用下在舱体蒙皮上产生的面内应力足以使舱体获得抵抗外力变形的能力，再辅以舱内的可折叠锁定的刚性金属支撑，不需要额外手段即可实现刚化功能。而对于充气式气闸舱，由于任务功能不同，则需要额外手段才能实现刚化，比如在充气舱内增加金属支撑架、气撑骨架或者在蒙皮材料中增加可刚化功能层。

工程中常见的刚化方式有气撑骨架、可折展金属桁架、热固性复合材料，以及二阶段固化结构壳刚化等多种形式［11-14］，美国Laila等人基于充气管、充气拱和充气环等气撑骨架设计了一系列新型的充气式太空舱、气闸舱和月球基地，其结构的整体刚度靠这些充气撑骨架进行支撑（见图7）［2］。Andrew Daga等人提出了桁架式充气舱体刚化方案，他们将桁架作为充气结构的外支撑骨架，实现了充气式舱体的永久性刚化（见图8）［3］，这一技术可用于永久性月球基地或火星居留地的建设。国外还开发了多种可刚化材料体系及其结构样件（见图9）［4］。

图7 基于气撑骨架的充气式月球舱Fig.7 Inflatable lunar capsule based on air frame

图8 刚性刚架支撑的充气式舱体Fig.8 Rigid inflatable support frame strcture

图9 层合铝刚化的30m 直径的球形ECHO-Ⅱ卫星Fig.9 30mdiameter spherical ECHO-2satellite of laminated aluminum stiffening

2.2.4 充气舱段地面试验验证

充气式舱体暴露于空间环境中，要经受长期的高低温交变、宇宙辐射、微流星体或空间碎片撞击等恶劣环境。因此，其安全性及可靠性对整个航天器至关重要。所以充气式舱体试验项目除了常规的气密性试验、耐压试验、展开试验、刚化试验外，还包括高低温交变、宇宙辐射、微流星体或空间碎片撞击、毒性、寿命等多种试验。

1998年，美国NASA 对一个包络尺寸为直径7m、高3 m 的扁圆形月球舱样机在真空罐中进行了气密性试验［6］（见图10）和充气展开试验，试验内容对地面试验设备的要求较高、试验经费巨大。针对充气式舱体结构的地面试验研究，一方面要研究简单有效的试验方法与技术，另一方面是建立相应的试验准则与标准规范，实现针对充气式舱体结构的标准化测试与评估。

图10 TransHab在真空环境模拟器中的气密试验Fig.10 Vacuum tightness test of TransHab

3 充气式舱体关键技术和研究思路

3.1 多功能层合材料体系技术

多功能蒙皮材料体系是充气舱体在宇宙空间能够生存并保持长寿命的前提。只有突破多功能蒙皮材料体系技术，才能实现大型充气舱体的工程化应用。多功能蒙皮材料体系技术除了涉及到多目标优化设计外，还包括柔性材料的层合工艺技术以及性能评价技术。多目标优化设计过程中，需要重点解决材料体系质量与轻量化设计之间的矛盾，以及材料体系强度与高效折叠之间矛盾。蒙皮的耐空间环境和防护功能层的设计须综合考虑材料的适用环境和其他相关技术的约束条件，建立材料体系样件开展耐环境试验，尽快建立相关数据库，这样可以大大降低该领域的试验成本。另外，充气式舱体寿命评估的关键是蒙皮材料的寿命评估，蒙皮材料长期处于预应力状态，同时承受空间高低温交变及辐射等环境因素的耦合作用，通过加速试验开展蒙皮材料体系的力学性能演化规律研究，建立加速试验与实际工作状态之间的关系模型，对预测充气舱体结构的寿命以及蒙皮材料的减重优化至关重要。

3.2 无损折叠设计技术

充气式舱体的蒙皮材料包含多种功能层，每层材料耐损伤的承受能力不同，对损伤的敏感性区别较大，比如气密层材料在损伤情况下会大大降低蒙皮材料的密封性能。保证充气式舱体折叠状态下对柔性蒙皮材料的零损伤、去褶皱影响是衡量折叠设计的关键。折叠设计与展开控制、刚化设计是密不可分、相辅相成的，根据刚化方案的不同可将折叠设计分为全柔性材料折叠和刚柔组合体折叠。

3.3 刚化技术

刚化技术是保证充气式舱体在零内压状态下保形能力及抗变形能力的决定性技术。虽然目前已经研究出多种可应用于充气式舱体的刚化技术，但主要是针对小空腔的充气支撑管结构，而适合充气舱体这种大型空腔结构的刚化技术适应性研究却极为有限。此外，选用何种刚化技术不但会影响充气舱体结构的整体设计，而且对其蒙皮材料体系、折叠展开控制等方面都会产生显著影响，因此，充气舱体结构的在轨刚化技术也是一项亟需攻克的关键技术。

3.4 研究思路

为了应对未来的任务需求，我国目前应针对以下几方面开展重点研究：

（1）根据不同任务需求，加大充气式舱体预研和工程样机的投入，细化满足不同功能的充气式舱体总体技术方案，以型号牵引推动该领域的整体发展速度；

（2）在已有柔性蒙皮材料理论研究的基础上牵引蒙皮材料的生产和制备技术，完善蒙皮材料体系，对不同蒙皮材料开展力学性能试验和抗辐照性能、紫外、原子氧等空间环境的性能试验，发展蒙皮材料的试验验证技术，形成考核评价体系；

（3）进一步推动充气式舱体的Z型折叠设计在工程样机中的应用，同时鼓励科研院所、高等院校开展多种形式的充气式舱体折叠展开方案论证，促进折叠展开过程仿真技术的发展；

（4）集合国内优势资源开展碳纤维材料、树脂材料、记忆合金材料在充气式舱体中的应用性研究，突破充气式舱体内折叠骨架设计、刚化结构设计技术；

（5）加强面向充气式舱体试验验证的试验设备、系统的投入，尽快建成满足充气式舱体的蒙皮材料试验、折叠展开试验、气密性试验的集成试验系统，同时推动充气式舱体试验验证技术的发展。

4 结束语

充气式舱体结构打破了刚性金属舱体的垄断地位，使全柔性太空舱、柔性空间站成为可能。随着人类探索太空的深入，对长期有人驻留、短期出舱活动的大尺寸密封舱体的需求不断加大，集工作、起居、饮食、锻炼、娱乐、私人空间于一体的多功能大型太空舱已成为一种趋势。在运载火箭发射质量和包络尺寸的瓶颈面前，充气式舱体在未来航天器发展中将担当重要角色。

实际上，开展相关研究内容，突破该领域的关键技术不仅可以将相关成果应用到大型柔性太空舱、行星居留地、行星登陆舱等太空任务，还可以应用到临近空间的飞艇等任务，甚至沙漠、南极等高风沙、高寒恶劣环境下的考察站、居住地任务［15-16］。

国外在该领域的研究起步较早，有明确的发展规划和长期经费支持，并且已掌握该领域的关键技术，形成了设计、材料、工艺、制造、试验等一系列完备的体系。从国外的发展历程可以看出，该领域多项关键技术的突破经历了几十年的发展和积累，在飞行试验前需要大量的试验验证。目前我国在该领域仍处于起步阶段，亟须尽快开展相应研究，以储备技术和智力资本，实现我国载人航天的可持续发展。

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