月面着陆器上升级压力舱结构优化研究

李恩奇，梁 鲁，张志成，果琳丽

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094）

月面着陆器上升级压力舱结构优化研究

李恩奇，梁 鲁，张志成，果琳丽

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094）

针对未来航天器大承载、轻量化需求，开展了月面着陆器上升级压力舱的结构优化研究。在卧式上升级压力舱静力学有限元仿真分析的基础上，以压力舱蒙皮厚度和加强型材截面尺寸为优化变量，以整舱结构强度满足设计许用应力为约束条件，以压力舱结构质量最小为优化目标函数建立结构优化模型，获得了静压作用下压力舱最优结构形式。同时还讨论了压力舱压力体制、结构设计许用应力对压力舱结构质量的影响。研究结果有助于确定载人登月任务总体方案中的关键参数，得到复杂力学环境下的压力舱最优构型。

上升级压力舱；重量；结构优化；构型

1 引言

载人登月月面着陆器受运载火箭和着陆器推进系统能力的限制，对着陆器的质量要求将会非常严格，而结构质量占着陆器干重的比例较大，因此必须利用各种技术手段进行月面着陆器进行质量控制。如美国阿波罗计划实施初期，一直将质量控制作为最重要的工作之一［1］，图1给出了阿波罗着陆器的质量历史，可知在1965年中期阿波罗着陆器进行了减重设计以满足质量约束。

气式压力舱结构是载人任务的特点，也和环控生保等方案密切相关，密封压力对结构性能的要求也非常严苛，直接决定月面着陆器压力舱的构型设计，以密封内压为主要载荷进行月面着陆器上升级压力舱的优化，在满足密封性能的基础上，可进行结构加强逐步满足刚度条件、发射过载条件和着陆冲击条件，最终可以得到压力舱的最佳构型［2⁃3］。本文以美国“星座”计划中卧式上升级压力舱为算例建立有限元模型，以压力舱蒙皮厚度、加强型材截面尺寸为优化变量，以压力舱结构质量最小为优化目标，以整舱结构强度满足设计许用应力为约束条件，开展压力舱的结构优化研究，并分析密封舱压力体制、结构设计许用应力对压力舱结构质量的影响。

图1 月面着陆器质量历史［1］Fig.1 The Lunar Module weight history［1］

2 上升级压力舱有限元模型

月面着陆器上升级的可选构型大致包括立式圆柱形、卧式圆柱形和球形，如图2所示［3］。卧式上升级航天员视场角、地板面积较大，而立式构型的载荷传递效率相对较高。从载人登月总体任务角度考虑，卧式构型具有一定优势［3］。

图2 上升级结构构型［3］Fig.2 The structure configuration of the ascent stage［3］

因此，本文算例选为2005年NASA星座计划提出的上升级压力舱设计方案［4］，该压力舱为卧式短圆柱体，直径3.0 m，长5.0 m，容积31.8 m3，如图3所示。

图3 卧式压力舱结构图［4］Fig.3 The structure of horizontal ascent stage pres⁃sure cabin［4］

参考阿波罗上升级压力舱结构，本文压力舱结构形式定义为“蒙皮+筋”结构，仿照图3建立卧式压力舱有限元模型，如图4所示。压力舱蒙皮简化为壳单元，初始厚度为3 mm；纵向及环向“Ω”形截面筋条简化为梁单元。压力舱舷窗简化为壳单元，材料为有机钢化玻璃，舷窗周边加强框简化为“Ω”形梁单元。因为舷窗结构、选材需进行专门设计，在压力舱整体结构设计阶段，假设舷窗只承载而不发生破坏，故令舷窗玻璃厚度为20 mm。图3中对接结构和出舱舱门也属于压力舱中需单独设计的结构，并且这两个结构的刚度大，因此在对接结构口部和舱门口部建立RBE2刚性单元。在上升级压力舱与下降级的连接部位施加固支边界条件。

图4 上升级压力舱结构有限元模型示意图Fig.4 The FEM model of the ascent stage pres⁃sure cabin

本文设上升级压力舱的舱压为70 kPa，以面压力的形式施加到所有平面单元上。压力舱主结构材料为铝合金，常见的有5A06、2219、1420、2195、5870几种，其材料参数见表1，泊松比均为0.33［5］。表中5A06的弹性模量最小，因此本文有限元模型中的弹性模型取为最低的68 GPa，如选用其他材料，压力舱结构力学性能将会更优。

表1 铝合金常规力学性能［5］Table 1 Mechanical properties of Al alloy［5］

3 上升级压力舱优化模型

以上升级压力舱结构整舱质量最小为优化目标开展结构优化研究。优化列式可写为式（1）～（2）［6］：

式中：M为压力舱结构质量，σmax为有限元静力计算所得的压力舱结构最大应力，[σ]为压力舱结构设计的许用应力，和分别为第i个设计变量Xi的上下限值。本文以压力舱结构不同部位的蒙皮厚度、不同部位的加强筋型材截面尺寸为设计变量（“Ω”形有四个截面参数），详见图5，共43个设计变量。

图5 压力舱结构优化的设计变量Fig.5 The design variable of pressure cabin

设上升级压力舱的舱压为70 kPa，结构设计的许用应力［σ］为100 MPa，进行静压作用下的结构设计优化。压力舱结构优化迭代历史如图6所示，压力舱最优结构质量为351.2 kg，优化结果如表2和表3所示。最优结构设计对应的压力舱von⁃Mises应力云纹图如图7所示，图中最大应力小于100 MPa的设计许用应力，满足约束条件。

表2 不同部位蒙皮厚度优化结果Table 2 Optimal results of the skin thickness

图6 压力舱结构优化迭代历史Fig.6 Iteration history of pressure cabin optimization

图7 压力舱最优结构设计的应力分布Fig.7 Stress cloud map of the optimum pressure cabin

对于月面着陆器压力舱，在70 kPa内压、100 MPa许用应力的情况下，如将结构安全系数定义为1.5，可以选用表1中所有的铝合金；如将安全系数取3以上，可选择5B70、2219、2195等材料。

表3 不同型材截面尺寸优化结果Table 3 Optimal results of the sectional dimension

4 参数影响性分析

在进行月面着陆器压力舱结构设计时，密封舱的压力体制会对压力舱的结构质量产生影响。对于载人航天器密封舱，常压体制有利于乘员长期生活，故国际空间站总压为90～100 kPa［7］；载人探月工程任务周期较短，故美国阿波罗计划采用34.5 kPa［7］；但34.5 kPa体制需要采用纯氧，火灾危险较大，故近期美国星座计划中采用了65 kPa体制［4］。综上，本文分析了压力舱压力在50～100 kPa变化时对压力舱最优结构质量的影响，如图8所示。图中，结构最优质量基本上与压力成线性关系，随舱压的增大而增大。

图8 压力舱压力和设计应力对最优结构质量的影响Fig.8 The effect of pressure and design stress on op⁃timum pressure cabin weight

结构设计的安全系数（许用应力）对压力舱结构质量的影响也非常大，当设计许用应力增大到120～160 MPa，在100 kPa压力时整舱结构质量也可以小于350 kg，材料可选择2219、2195等高性能铝合金，结构安全系数在2以上。

5 结论

1）密封压力舱结构是载人航天任务的重要特点，对结构设计要求严苛。本文优化算例表明，可以通过结构优化的方式确定压力舱的设计参数。在此基础上，可进行结构加强逐步满足刚度条件、发射过载条件和着陆冲击条件，最终得到压力舱相对较优的结构设计。

2）压力舱结构与载人登月任务总体方案中压力体制等关键参数密切相关，在方案设计阶段提早引入压力舱的结构优化研究，有助于制定体系性能更优的总体方案。如根据本文算例分析，在50～70 kPa压力体制下，对于100 MPa以上的许用应力，压力舱整舱结构质量可小于400 kg。

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Structural Design Optimization of Pressure Cabin in Lunar Lander Ascend Module

LI Enqi，LIANG Lu，ZHANG Zhicheng，GUO Linli
（Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

With regard to the large load and lightweight design requirements for the future space⁃craft，the structural design optimization study of the pressure cabin in lunar lander ascend module was carried out.Based on the static mechanical FEM analysis for horizontal pressure cabin under in⁃ternal pressure，a structural optimization model was established to minimize the pressure cabin struc⁃tural weight，with the volume of skin thickness and cross⁃sectional dimensions of constitutive beams as the design variables and design allowable stress as the constraint conditions，the optimal cabin structure configuration was obtained.Furthermore，the influences of cabin pressure regime and structural design stress on the optimal cabin weight were discussed.The research was helpful to de⁃termine the key parameters in a manned lunar mission and obtain the optimal structural design for pressure cabin in complex mechanical environment.

ascend pressure cabin；weight；structural optimization；configuration

V424

A

1674⁃5825（2016）06⁃0750⁃05

2016⁃06⁃10；

2016⁃11⁃11

李恩奇（1978－），男，博士，工程师，研究方向为飞行器结构动力学。E⁃mail：dalianlienqi＠sina.com