柔性充气结构在无人系统中的应用

李沫宁，孟军辉，2，刘 莉

（1.北京理工大学宇航学院，北京 100081；2.飞行器动力学与控制教育部重点实验室，北京 100081）

1 引 言

柔性充气结构一般通过采用轻质高强度柔性复合材料制成的气囊结构，封闭具有一定压力的特定气体，可作为无人系统的承力和传力模块或功能模块。相比于传统刚性结构，具有气体密度较小，有一定的流动性和可压缩性的优点，通过与柔性气囊组合而成的柔性充气结构，具有成本低廉、存储体积小、重量轻、刚度可调、可靠性高等优点，能够实现传统结构很难达到的性能。因此，柔性充气结构在工业领域各类无人系统上的应用逐渐成为研究和开发的热点。

根据大英百科全书的定义，固体是指“在一定时间尺度上能够抵抗大量剪切力的连续体”，而流体则不具有此种能力［1］。柔性充气结构由柔性气囊和气体组成，在一定程度上同时集合了固体和流体的特性，可将其认为是具有特殊性能的复合材料。

根据柔性充气结构较之传统刚性结构不同的特点，其在不同无人系统中有着不同的应用。首先，柔性充气结构通过气囊内部气体压力调整可实现结构较大变形和刚度的变化，理论上具有无限多自由度和连续变形能力，可在大范围内任意改变自身形状和尺寸，从而通过狭窄缝隙或应用于可变结构刚度的系统；其次，可通过快速充放气实现无人系统服役状态下的快速成型与组装，从而应用于无法直接部署的太空、深海或地下空间等；再者，可根据特定密度的气体实现系统平台在其他介质中沉浮，如飞艇通过氦气或氢气的静浮力驻留在空中；另外，利用气体的可压缩性可实现对冲击载荷的缓冲，从而研制成柔性充气缓冲气囊等。

本文对柔性充气结构在不同工业领域内的无人系统的应用与研究现状进行综述，分析柔性充气结构区别于传统刚性结构的特点，并对充气结构研制过程中所面临的关键技术进行总结，旨在为相关领域的研究与应用提供初步的参考。

2 柔性充气结构在无人系统中的应用

2.1 柔性充气结构在航空航天领域的应用

飞行器结构作为承力和装载的平台，其自身质量有着较为严格的限制，飞行器结构设计的目标很大一部分在于满足承载和功能要求的前提下尽可能减轻结构重量。充气结构作为无人飞行器的一部分，能够有效地降低飞行器整体结构质量，同时也可实现服役状态下快速充气成型和组装，近年来得到越来越多的重视，出现了多种新型的充气式无人飞行器或无人系统。

航天技术及工程实践的发展中始终存在着航天器体积重量与运载器运载能力的矛盾［2］。如何在有限的运载能力条件下，提高航天器效能是研究的重点。轻质柔性材料和折叠展开充气结构的发展为这一目标提供了有效的技术途径。充气式结构在未使用时处于折叠状态，体积小、质量轻、便于储存与运输，展开后可获得较大工作面、形式多样。

二十世纪五十年代开始，人们就开始对充气结构进行探索，如Echo气球卫星等［3］。充气式结构可以提高飞行器运载效率，实现传统结构形式无法达到的性能，使航空航天事业走向大型化、轻型化，具有广阔的应用前景。充气式结构广泛用作航天器的结构部件和功能部件，如充气式太空舱、大面积天线、遮光罩、高功率太阳能电池板等［2］。也可作为航天器再入返回、探索火星等任务的减速缓冲结构。

（1）大面积天线

1996年NASA成功完成了第一个大型高精度IAE空间可充气展开天线轨道释放试验［4］，展示和验证了这一新技术，其结构如图1所示。美国Johns Hopkins应用物理实验室和ILC Dover公司成功研制出一种混合型充气天线，该天线由固定抛物面盘和充气反射环组成，保证可靠性的同时增加了天线面积。为降低对地成像的微波遥感合成孔径雷达天线（SAR天线）的收拢质量和尺寸，美国喷气推进实验室（JPL）研发了图2所示的由可卷曲充气框架和柔软辐射面组成的充气式天线［5］。

（2）太阳能电池帆板

太阳能帆板是航天器的重要组成部分，为其运行提供源源不断的能源。随着空间实验室、深空探测等任务的发展，卫星所需功率将增加到几千瓦，帆板展开后的长度将达到几十米［6］。利用充气式结构代替传统展开结构构建超大型太阳能阵列，可达到降低重量成本与储存容积，提高能量供给、延长卫星工作时间的目的。

美国JPL为满足DS4深空探测器12kW功率的要求，研制使用了两个宽3m，长14m的充气式太阳能帆板。全球卫星通信网络（Teledesic项目）中，充气式太阳能电池组是降低生产成本的主要方案之一，图3所示是ILC Dover公司设计制作用于部署试验的全尺寸原型展示单元［7］。火星探测项目也需要大型太阳能阵列满足功率要求，图4是JPL研制的充气展开太阳能电池阵原型［7］。

（3）遮光罩

航天器上的光学系统，特别是太空望远镜，为航天器设备提供稳定的热环境，需要遮光罩来减少外部杂散光对探测的影响。充气式展开遮光罩是一种高效、稳定、轻质、经济性好的途径。下一代空间望远镜（Next Generation Space Telescope，NGST）项目投入大量预算促进这一技术的发展，并开展了地面试验以及准备做空间试验。图5所示是ILC Dover公司为此制作的半比例模型［7］。詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）也拟采用充气式遮光罩［6］。

图1 IAE的充气天线Fig.1 IAE inflatable antenna

图2 充气式SAR天线Fig.2 SAR inflatable antenna

图3 Teledesic项目充气太阳能电池组Fig.3 Inflatable solar array in Teledesic program

图4 火星探测项目充气展开太阳能电池阵原型Fig.4 Prototype of the inflatable solar array in Mars exploration program

图5 下一代空间望远镜NGST的半比例模型Fig.5 A semi-scale model of the next generation space telescope

（4）太阳能热推进聚光器与太阳帆

太阳能热推进聚光器的原理是利用太阳辐射能加热推进剂以获得推力，与传统推进方式相比较，具有比冲高、无污染、经济性好等优点。充气式展开聚光器适用于制造大面积（几十至几百平方米）的聚光器，在深空探测中有很大的应用前景，但展开度低、存在褶皱、面差大、对日跟踪难、地面试验重复性差等问题制约了其发展。

此外随着深空探测任务的兴起，太阳帆这种以太阳光压为动力，无需自身携带燃料的推进装置受到航天界的重视。太阳帆可以通过驱动气体驱动支撑管展开。肯塔基大学开展地面试验，得到了不同充气压力下Z型充气展开结构的非线性刚度特性，为有限元工具的应用提供强有力的实例［8］。佐治亚理工学院研究人员测量了充气式太阳帆在充气展开过程中的动态响应，验证了该方案的可行性并研究了该过程可能出现的问题［9］。哈尔滨工业大学研究人员根据充气管充气装置位置建立了两种模型，对太阳帆支撑管充气展开有限元仿真模拟［10］。

（5）减速器

充气式再入是一种在行星大气再入过程中利用充气形成的气动外形，进行防热、减速和着陆减震的再入技术。充气式再入减速器使载荷的外形设计不再局限于大钝头等气动减速外形，发射时可折叠，可显著减少质量与体积，迎风面积大，气动加热更低，集防热、减速、减震功能于一体，简化了回收系统的设计［11］。

充气式再入减速器作为一种新的高效再入减速技术，包括概念设计和试验验证，已经形成了六种典型结构形式，即单充气环薄膜型、双充气环薄膜型、堆叠圆环型、单层锥形充气囊型、双层锥形充气囊型与气球伞型等。美国研发了堆叠圆环形充气减速器IRVE，并进行数次试验，了解其空气动力学特性。双层锥形充气减速器以欧洲和俄罗斯合作研究的充气减速器技术（IRDT）为代表［12］。

（6）太空舱

充气式载人舱于20世纪50年代开展研究，由于材料经费的限制，直到2006年，俄罗斯才成功发射创世纪1号充气舱首次验证了充气展开载人环境、承受发射载荷的折叠包装、太空微重力条件下的充压扩展、柔性材料与金属的结合、密封等关键技术。2006年，比格罗公司的BEAM充气式居住舱成功在国际空间站上展开（见图6），其容积为11.5m3。宇航员每年两次进入舱内对其空间碎片防护性能、防辐射能力、热防护性能、机械结构性能、密封性等进行测试验证。目前比格罗正在研发内部空间达330m3的膨胀模块B330［3］。我国研究人员对充气式太空舱的折叠等进行了研究与试验验证，研制了直径2m、长近4m的舱体结构。通过充水加压的方法进行内部压强试验，顺利通过了两个大气压的内压强度考核，实现了预期目标［13］。

图6 BEAM充气式居住舱Fig.6 BEAM inflatable space station modules

（7）重力梯度杆

充气式伸展臂是重力梯度杆的实现方式之一，结构完全展开后可依靠支撑臂内的自支撑增强条保持刚度［14］。这种基于自支撑增强条的充气展开臂也应用于太阳帆或充气太阳能阵列的展开结构中，具有质量轻、收拢比大、可靠性高、热稳定性高、承载能力强、振动特性好及工程复杂程度低等优点［15］。

国内外研究主要集中在充气展开自支撑增强条正、反向折叠的力学性能、充气结构动态特性以及试验检测方法等方面［14］。2013年哈尔滨工业大学联合北京空间机电研究所研制的3m长的充气式重力梯度杆成功充气展开，是国际上首次基于微卫星开展的充气式重力梯度杆的在轨测试［16］。

（8）着陆缓冲气囊

缓冲气囊可以减小装备着陆时的冲击载荷，在航天器软着陆工程中应用广泛，例如地外星球探测器软着陆的冲击缓冲结构、运载火箭伞降回收装置等。美国在1997年发射的火星探路者（MPF）探测器所用的是相互联通的密闭型气囊（见图7）。2018年发射的BepiColombo水星探测器采用了双环形布局的密闭气囊来改进登陆车姿态不可控的缺点［17］。图8所示是欧空局于2016年发射的ExoMars火星探测器，采用组合式气囊，环形主气囊分成六个腔室，刚性实验平台下方为密闭型环形气囊［18］。

随着商业航天的兴起，为降低成本，可重复使用的运载火箭成为航天领域的热点，运载火箭的回收着陆技术受到广泛关注。此外降低运载火箭坠落速度，精确落点可减少对地面人员生命财产的威胁。基于群伞-缓冲气囊的伞降回收着陆系统是适合于可重复使用运载火箭回收的典型方案，若要定点回收可选择具备机动滑翔能力的冲压翼伞回收着陆系统［19］。

图7 MPF采用的密闭型气囊Fig.7 The airtight airbag used by MPF

图8 ExoMars采用的组合式气囊Fig.8 The modular airbag used by ExoMars

（9）飞艇

近年来，材料、推进、太阳能电池板、能量储存系统、优化仿真等领域的发展，使人们重拾在无人监测和载重运输任务中使用飞艇的信心。平流层飞艇飞行高度高、生存能力强、覆盖范围大，在情报收集、遥感监测、预警探测、通信保障及对空对地作战等领域具有极高军用与民用价值。各国都将平流层飞艇作为战略目标，开展了可行性研究论证及飞行试验。图9所示的美国高空无人飞艇HAA，拟布置在两万米的高空进行导弹预警［20］。

图9 美国的高空无人飞艇HAAFig.9 High altitude unmanned airship HAA of the United States

2005年，美国国防预先研究计划局（DARPA）分别授予洛克希德·马丁公司和飞行航空系统公司“海象”（Walrus）项目第一阶段合同，以评估大型空运浮升混合飞行器概念，如图10所示。

洛克希德·马丁公司臭鼬工程部设计并研制出P-791的原型机，于2006年1月完成首飞。P-791将三个囊瓣整合为一个具有大的升阻比外形的完整艇囊，艇身两侧的四个矢量桨提供推力并辅助姿态调节。

图10 海象计划飞行器设想图Fig.10 The aircraft diagram of walrus program

图11 洛克希德·马丁公司P-791混合飞行器Fig.11 The P-791 hybrid aircraft of Lockheed Martin Corporation

（10）充气无人机

随着无人机越来越多的应用于各种军用和民用活动，各国对无人机的轻量、便携提出了更高要求。充气机翼无人机可紧凑包装、快速部署，具有重量轻、体积小、易运载、生存率高、维修时间与成本低、易于培训操纵人员等优点，适合对机动性与战场信息要求越来越高的现代作战系统。

美国研发了两种用于炮筒发射的无人机，FASM与GLOV。并成功进行了NASA Dryden I2000充气无人机高空投放、充气展开试验。图12所示为充气展开过程。

图12 Dryden I2000充气机翼无人机飞行部署过程Fig.12 In-flight deployment sequence of Dryden I2000 inflatable wing aircraft

国内外学者通过风洞实验，得到了充气机翼展开过程中的动力学特性［21］，也有学者对机翼的保形设计与气动特性、初始形态问题进行研究［22］。

在旋翼方面，国外无人机公司推出如图13所示的轴为充气结构可水上起降的DIODON多旋翼无人机，抛弃传统硬质结构，降低结构重量，提高续航时间。

图13 DIODON充气多旋翼无人机Fig.13 DIODON inflatable multi-rotor UAV

2.2 柔性充气结构在机器人领域的应用

传统的无人系统平台一般由刚性模块通过各类运动副连接构成，每个运动副提供一个（或多个）平动自由度或转动自由度，通过滚动、滑动、行走、飞行、游动等实现运动位置的变化或设计动作的执行。尽管动力足、功率大、性能成熟，但是其刚性模块设计、环境适应性差等缺点很大程度上限制了其进一步发展。

研究自然界生物系统发现，为了更好地适应各种外界复杂环境，多数生物体结构均为软体结构。国内外学者以此为启发，近年来研制出了各种软体无人系统平台［23］，其结构主要由可以承受大变形的非线性材料构成，可以连续变形，具有极高的自由度，实现蠕动、扭转、爬行、游动等运动形式。可以根据实际需要任意地改变自身形状和尺寸，在更加复杂的环境中作业，具有更高的安全性和更好的环境相容性，有着巨大的发展和应用潜力［24］。柔性充气结构作为软体结构中较为特殊的一种，通过在封闭气囊内充入一定压力的气体，保证整体结构具有一定的刚度，增加控制系统、能源系统和电子系统后，实现承力和装载等功能［25］。

软体机器人可采取气压驱动流体制动器FEA驱动，用于仿生机器人、机械手、外骨骼、超冗余机械臂等方面。如图14所示，是2014年麻省理工大学研制的机器鱼，采用的是FEA作动器，通过加压使空腔膨胀，同时限制轴向伸缩并把压缩气体的能量引向弯曲方向实现尾部摆动［26］。

图14 仿生鱼机器人与作动器Fig.14 Bionic fish robot and its actuator

2015年欧盟某项目的研究人员，受章鱼启发设计了冗余软体机械臂（见图15），主要用于微创手术，避免内窥镜对人体器官碰触甚至刺破的危险［26］。

图15 仿章鱼软体机械臂Fig.15 Bionic octopus soft robotic arm

斯坦福大学研发了仿藤蔓生长的软体机器人，如图16所示，通过向管内加压使向内折叠的部分展开，尖端快速延长，并利用控制方向的传感器控制前进方向。实验证明仿藤蔓自生长机器人可举起重物，穿越水面陆地上的各种障碍物，并能抵御火焰，未来可在勘探救援领域发挥重要作用［27］。

图16 仿藤蔓自生长软体充气式机器人Fig.16 Vine-like self-growing soft inflatable robot

机械臂的连杆已经可以用充气结构制造，然而关节往往仍采用传统刚性材料设计制造，更重且存在危及人员或财产安全的可能性。法国原子能委员会的交互式机器人实验室为避免工人的核辐射开发了一种完全采用充气结构的机器人充气检查臂。测试显示充气关节与传统结构关节具有相同的力学性能［28］。

为提高人与机器人交互的安全性，卡内基梅隆大学研究人员用充气结构代替传统刚性结构（如图17），提出一种能够实现安全交互的机械手接触检测和反应方案［29］。

图17 卡内基梅隆大学充气式机械手Fig.17 Inflatable manipulator developed by Carnegie Mellon University

上海宇航系统工程研究所的研究人员提出了一种基于仿章鱼充气软体机器人的空间碎片柔性、自适应捕获装置，并针对典型任务进行仿真验证。相对于刚性捕获，软体材料能够减小碰撞时的冲击、吸收能量［30］。

3 柔性充气结构应用于无人系统的关键技术

柔性充气结构被广泛用于人们探索世界以及社会生活的进程中，在水陆空天都能见到柔性充气结构的身影。航空航天应用的大型充气展开结构设计和制备涉及的领域较多，主要包括化学材料、包装展开技术、表面工程、工程测量、动力学以及气动建模仿真等［5］。软体机器人的设计开发也需要多学科同步信息，其关键技术涉及到材料选择、运动学动力学建模、运动控制等方面。本文结合柔性充气结构的具体应用，阐述其关键技术。

3.1 高性能柔性气囊材料技术

柔性充气结构应用于无人系统的关键部件，柔性气囊高性能材料技术成为其研制的基础。根据应用领域的不同，气囊材料需要满足的性能也不尽相同，通常采用高性能薄膜材料或柔性纤维薄膜层压复合材料等。一般情况下，为降低任务的效费比、提高结构可靠性与工作时间，要求其材料具有轻质、柔性、气密性好、耐高温及防辐射等性能［31］。

（1）气密性。柔性充气结构在无人系统中无论是用于提供刚度、承受载荷、气动控制或提供静浮力，均需要保证气囊内部的气密性，如充气式无人机需要通过气密性保证结构刚度、平流层飞艇需要保证阻氦性以保持整体静浮力等。现有无人系统结构通常采用气密性良好的涂层浸泡或薄膜复合材料，如聚氟乙烯PVF膜（Tedlar）、聚亚胺酯、聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜等。

（2）轻质柔性高强度。充气式结构应用于无人系统通常需要承受内部气体压力、外部冲击载荷、执行机构控制力等，同时为了防止在运输或服役过程中外部环境的剐蹭、拉扯、磨损、充气展开等导致的撕裂破坏，要求气囊材料具有一定的强度。通常通过高强度薄膜或高强度纤维编织材料实现，如聚酯尼龙、聚酰亚胺以及PBO、Vectran等。充气式软体机器人常用的柔性材料的杨氏模量如图18所示，此类材料通常具有较好的柔度。

（3）耐环境性。对于具有特殊服役环境的无人系统，为了保证其运行的可靠性，需要气囊材料具有较好的耐环境性，如航空航天充气式无人飞行器需要承受紫外照射、空间辐射、高低温交变等复杂的空间环境。对于柔性气囊材料，通常通过层合或者涂覆耐环境层以保证恶劣环境下服役的高可靠性的要求。高分子氟化物耐环境性能优越，但同时必须在其内部添加防老化剂，以防止紫外线对气囊内层材料的伤害。另外，聚偏二氟乙烯（PFDF）、聚氟乙烯PVF膜等也具有较好的耐环境性。

图18 工程中软体机器人常用柔性材料杨氏模量对比［32］Fig.18 Approximate Young’s modulus of engineering and biological materials

充气结构应用于无人系统，要综合考虑气囊材料的物理、机械性能、成熟度、效费比等因素进行选材，并对结构进行优化设计。对于大型航空航天无人系统，其气囊材料通常采用高强纤维编织材料作为承力层，高分子薄膜或涂层作为阻气层或耐环境层。另外，近年来随着数字化设计和制造工具的快速发展，各种新型充气式软体机器人成为可能［33］。研究者通过采用快速高效的加工工艺，如3D打印技术、形状沉积制造技术（SDM）和软光刻蚀技术等，将不同的非均质材料（如不同模量的橡胶、嵌入式电子和安装驱动器的内部通道等）复合而成复杂的软体机器人。

3.2 柔性充气结构折叠和展开技术

充气结构依赖充入气体来保证外形与刚度，但对于航空航天中充气结构，多数要求运载发射过程中处于折叠状态以占用较小的体积，而处于服役状态时再选择合适的充气方式将其快速充气展开。柔性气囊常用的折叠方式有Z型折叠、E型折叠等，展开方式有旋转展开、仿生展开等。按照充气系统的工作方式可分为持续充气（CI）结构、刚性充气（RI）化结构、一次性充气（SI）结构［34］。例如像“天地间先进无线电干涉测量”（ARISE）需要较高的形面精度，只有CI系统才能满足要求。RI系统刚性化的方法有两种，一种是永久性发泡介质填充，另一种是使用硬化材料如热固性复合材料、紫外光固化复合材料等，可降低撞击带来的气体泄漏风险，如美国的JWST就采取RI系统。

对于大型航空航天结构，如充气天线自身刚度较低、在展开过程中受到气压变化、边界扰动易变形，提高形面精度是充气天线应用领域的技术难点，因此需要合理选择充气方式和气体生成方式，保证形面精度，降低充气系统的质量。

3.3 柔性充气结构数值模拟与仿真

充气结构的试验研究往往面临着真空和微重力环境模拟困难、地面试验重复性差、试验设备能力有限、试验费用高昂的问题。数值模拟方法可以有效的模拟空间环境，减少试验所需的时间和费用，是一种有效的动态分析方法，在动力学、气动分析优化方面应用广泛［35］。

大型空间结构在太空工作时会受到热辐射梯度、空间碎片撞击、姿态调整等各种各样的外界和内部因素的干扰，激发出复杂的动态响应。由于外部无阻尼，大型空间结构内部阻尼又很小，动态响应一旦被激起便很难衰减，会给航天器带来很严重的影响。充气薄膜结构的动态特性受结构弹性、微分刚度、几何非线性、结构和气动耦合等因素的影响，十分复杂。因此开展相关的理论研究及数值模拟十分重要。

航天器运行时会受到流星以及卫星碰撞后产生的太空碎片影响，因此需要对柔性充气结构展开空间碎片超高速撞击及防护设计的研究。目前大部分超高速撞击研究都是针对金属结构，对柔性薄膜的研究尚待进行。

另外数值仿真及优化在充气式再入减速器再入时气动力、气动热多物理场耦合分析，缓冲气囊工作性能的仿真分析，仿真稳健性优化设计都有应用。可节省试验时间与费用，为初期选型、优化设计提供依据，缩短研发周期。

3.4 柔性充气结构动力学建模与控制

柔性充气结构作为机器人承力或功能结构的新形式，近年来取得了长足进步，在勘探、医疗等领域有着广阔的发展前景，但其研究与应用仍处于刚起步阶段。柔性充气结构应用于无人系统的发展涉及到材料科学、机电、控制、生物工程等多个学科，从材料选择、运动学和动力学建模、控制算法到制造生产还有许多问题需要深入研究。

控制传统刚性无人系统的算法不适用于柔性充气结构，因此真正精确控制柔性充气结构实现实时的无线自由度运动需要更优异的控制算法。为进一步平衡灵活性、承载能力、可靠性，需要建立精确的物理模型，涉及到多学科同步分析，将集成传感器、致动器、机载计算机集成在柔性材料中，实现预期的运动。为使柔性充气结构真正的在医疗、探测等领域造福人类，要积极的将材料科学与生物工程科学联合起来开发满足生物相容性的柔性材料，将新生产工艺及技术运用到生产中，使生产规模化、商业化。

4 结束语

随着航空航天技术的发展，太空成为各国科技竞争、战略部署的新制高点，人们探索太空的脚步也逐步迈向深空。航空航天装备水平是国家航天能力的核心标志，是国家高科技生产力的重要体现。同时，无人系统在医疗、制造、环境勘探等领域的发展，会给人类的社会生产生活带来极大的便利。

研究柔性充气式结构会是这一切很好的切入点。能够为航天器大型化轻量化的发展目标、高效能减速器的设计、太空旅馆概念的实现提供可行的技术途径。同时，充气结构也用在飞艇、无人机、机器人等领域，可在信息获取方面发挥至关重要的作用。相信随着柔性充气式无人系统技术的发展及人机交互水平的提高，将对医疗康复、勘探救援等领域产生颠覆式的影响。所以我们应该放眼未来，挖掘柔性充气结构的发展潜力，攻克技术难点，提高可靠性，不断创新。