航天器柔性主动展开技术与应用进展

王立武 李博 武士轻 竺梅芳 廖航 王奇

(1 北京空间机电研究所,北京 100094)

(2 中国航天科技集团有限公司航天进入、减速与着陆技术实验室,北京 100094)

人类空间活动的增加,对空间物资下行、航天器返回及寿命末期离轨等航天进入减速与着陆技术提出了更高的要求,极大促进了柔性可展开减速技术尤其是柔性主动展开减速技术的发展,积累了一定的技术积淀和工程应用经验。

当前,充气式再入减速器、増阻离轨帆、缓冲气囊等柔性主动展开减速装置在航天进入减速与着陆领域得到了广泛应用[1]。这些柔性主动展开减速装置的共同特点,是将一种折叠包装成较小体积的柔性产品,通过主动展开手段,在特定环境下展开并完成特定功能。这种柔性主动展开技术在产品轻质化、空间利用优化等方面具有显著效果,尤其在应用于空间产品时可显著降低发射成本,具有明显优势[2]。

随着空间技术的进步与发展,许多科学应用领域均提出了对大尺度面状产品的需求,而受限于质量、体积与发射能力,已无法采用刚性结构进行相关产品的设计,柔性可展开技术已成为解决这一难题的最佳方案之一[3]。20 世纪90 年代以来,各种充气天线、充气展开太阳能电池阵、空间遮光罩等空间柔性主动展开产品陆续投入工程应用[3-5],成为了空间应用领域的研究热点之一。

除此之外,空间柔性舱等大尺度空间立体结构也是柔性主动展开技术的另一大应用领域,NASA、毕格罗公司、约翰逊空间中心等均对空间充气舱展开了工程研究[6-7]。

近年来,国内在柔性主动展开技术研究方面也取得了一系列进展,北京空间机电研究所依托在回收着陆专业的技术基础,先后研制并成功应用了充气展开重力梯度杆、高分七号卫星遮光罩、50/70周年国庆天安门广场红宫灯、新一代载人飞船试验船缓冲气囊系统等柔性主动展开产品,其中基于新一代载人飞船的大载重气囊缓冲系统,达到了国际先进水平,填充了这一领域的国内空白。同时,研究所还在增阻离轨装置、充气再入下降技术系统(IRDT)装置、空间充气舱、空间柔性防护结构以及柔性充气翼、低空减速缓冲装置等其他应用领域开展了柔性主动展开技术的研究。

柔性主动展开技术在以空间应用领域为主的众多科学应用领域均有着广泛应用与需求,针对航天器柔性主动展开装置开展基础理论和关键技术研究具有强烈的必要性和现实意义。文章通过对航天器柔性主动展开技术应用领域,发展情况、关键技术以及当前待攻克技术难题等的介绍,凸显了柔性主动展开技术在航天领域应用的优势,梳理并聚焦了关键技术难题,对柔性主动展开技术在航天领域的工程应用,以及相关关键技术的发展提出了呼吁。

1 航天器柔性主动展开装置简介

1.1 航天器柔性主动展开装置分类

从功能上讲,航天器柔性主动展开装置可分为展开减速装置和其他功能展开装置。展开减速装置主要是指利用柔性主动展开结构,通过气动力、支撑力等对目标进行减速的装置,图1所示的增阻离轨装置、IRDT、充气再入返回飞行器(IRVE)、缓冲气囊等低空减速缓冲装置均属于展开减速装置;其他功能展开装置的功能则较为多样化,图2所示的充气天线、太阳电池阵、遮光罩、空间充气舱等均为其他功能展开装置。

图1 展开减速装置Fig.1 Deployable decelerators

图2 其他功能展开装置Fig.2 Deployable devices with other function

航天器柔性主动展开装置从展开形式上可分为充气展开与机械展开两类。充气展开是以充气的方式对内为空腔的充气展开结构进行可控展开,目前在大型空间柔性主动展开装置中得到了广泛应用。其气源形式包括高压气瓶、气体发生器以及粉末升华等不同技术途径,对于需要长期在轨运行的结构在充气结构完全展开后需要进一步对材料进行刚化以满足工作需求[8],对于一些较短时间的应用情况,利用充气后形成的压差维形以保证刚度亦可满足要求。

机械展开则是以机械展开结构将附在展开结构上的柔性薄膜展开成型。相对充气展开,机械展开在展开装置尺度较大时,往往存在附加质量大,收拢展开构型受约束等问题。

1.2 航天器柔性主动展开装置的应用

航天器柔性主动展开装置凭借质量轻、展收比大、结构形式多样的优势,在诸多领域都得到了广泛应用,是解决空间大尺度、大质量产品轻量化问题的重要技术途径。

利用柔性展开装置为飞行器进行减速是当前较为常见的一种手段,除了降落伞、翼伞等被动展开减速器外,国内外在缓冲气囊、低空减速缓冲装置、充气式可展开气动减速装置、充气式增阻离轨装置等柔性主动展开减速装置等方面也均开展了广泛的研究和技术验证。美国在猎户座飞船和波音载人飞船(Starliner)研制过程中先后发展了组合式缓冲气囊系统;俄罗斯研制了集低空减速与缓冲为一体的高楼救生装置,先后数次进行了IRDT 验证器飞行试验,美国发展了IRVE充气飞行器、超声速充气减速器(Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator,SIAD)和高超声速充气减速器(Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator,HIAD)和可用于3U 立方体卫星减速离轨的纳帆-D2(NanoSail-D)制动帆[9]。

另一方面,超大口径天线、大尺度遮光罩、大面积太阳能电池阵等大尺度空间面状产品日益成为制约空间开发、探索能力的瓶颈。在空间环境下,重力几乎为零,大气环境也为稀薄,粒子流气动力极小,因而对大尺度产品结构强度的要求相对不高,较为适合柔性主动展开结构的应用。美国在充气展开大口径天线、充气展开大面积太阳电池阵以及大尺度空间造光罩等方面均展开了技术研究与在轨试验验证;欧空局进行了充气展开大口径天线的研制,并通过与NASA 以及JAXA 的合作对柔性遮光罩进行了研究。日本研制的“伊卡洛斯”(IKAROS)太阳帆利用太阳光压作为主推进,成功实现了100 m/s的太阳光压速度增量[10]。

空间充气舱等大尺度空间立体结构也是柔性主动展开装置的一大应用领域,其凭借质量轻、发射体积小、功能集成度高以及工程实施方便等优点,成为了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。美国毕格罗航天公司以NASA充气式转移太空舱(TransHab)的相关研究为基础,先后研制了Genesis-I和Genesis-l和“比奇洛”充气式活动太空舱(Bigelow Expandable Activity Module,BEAM);马里兰大学与约翰逊空间中心分别研制了XHab充气式居住舱与LS1型充气式月球舱。

综上所述,由于柔性主动展开装置在飞行器减速,大尺度空间面状与立体结构构建、空间居住环境改善等方面均具有显著优势,其已被广泛应用于各种科学领域,成为解决限制空间技术发展的一些主要问题的最佳技术途径之一。

2 航天器柔性主动展开技术内涵及关键技术

2.1 技术内涵

虽然航天器柔性主动展开装置根据不同的应用领域其具体功能不尽相同,但其本质都是将柔性产品主动展开成预定形状以便发挥相应功能。其工作过程中都需要经历折叠存储、主动展开、保形承担相应功能等几个阶段。这其中,折叠形式即决定了柔性主动展开装置的存储形状与体积,同时也影响着其主动展开过程的实现。而主动展开过程作为一个动态过程,其无论是通过充气展开还是机械展开,过程中柔性结构的变化都有着非线性强、随机性和变形幅度大的特点,是关键技术难点。同时,主动展开过程也是柔性主动展开装置承担相应功能的先决条件。保形承担相应功能是柔性主动展开装置的最终目的,充气结构刚化技术等保形手段,以及承担相应功能过程中的刚-柔耦合系统动力学响应等关键特性,也均是柔性主动展开装置研究中重要的关键技术。

2.2 关键技术

柔性主动展开装置的工作过程是较为复杂的力学分析问题,对其在基础理论方面进行关键技术研究,可以更好的获得准确的力学和运动学特性,为实际工程应用打好基础。从柔性主动展开装置的工作特点来看,其主要有以下3个方面的共性关键技术。

1)柔性展开结构折叠技术

柔性展开结构的折叠主要是指其中薄壁管柱和薄膜结构的折叠[11]。薄壁管柱折叠主要包括卷曲折叠法、Z字形折叠法、折纸模式折叠法、圆锥层合折叠法等。近年来,各种折纸技术在空间柔性展开结构的应用成为了热点。对于薄壁管柱的折叠已经出现了Yoshimura折叠法、Bellows波纹管折纸法、Miura折叠法、螺旋三角折叠法等多种基于折纸模式的折叠方法。国外学者针对Miura折叠充气柱与Yoshimura折叠充气柱进行了对比试验研究。结果表明Miura折叠相比Yoshimura折叠的展开性能更好,展开更为流畅且展开后的直线度指标更优。螺旋三角折叠法是英国剑桥大学Calladine CR 教授在研究生物结构力学时发现的,其包括一系列螺旋线分割成的刚性三角形板块,具有小位移机制[12]。

薄膜折叠又可分为平面折叠和曲面折叠。平面折叠主要包括旋转倾斜折叠、叶内折叠法、叶外折叠法、Miura折叠法等[13],其中旋转倾斜折叠主要适用于自旋展开的薄膜结构。常见的曲面折叠包括锥面折叠、球面折叠、抛物面折叠等,在平面折叠方法的基础上通过改变平面折叠结构中的折痕夹角,就可以得到相应的锥面或球面折叠方法。抛物面折叠多用于抛物面的充气展开,分为非对称折叠与对称折叠两种方式,其充气展开过程分别如图3所示。

图3 抛物面展开过程示意图Fig.3 Schematic diagram of paraboloid’s unfolding process

2)柔性展开结构展开过程动力学分析

柔性展开结构动力学分析主要包括充气展开结构动力学分析与薄膜结构动力学分析。

充气展开结构的充气展开过程是较为复杂的动力学过程,十几年来大量学者从不同切入角度,运用动力学方法、有限元方法以及非线性方法对这一动力学过程进行了研究。文献[14]采用控制体积模型,应用非线性大变形动力分析软件LS-Dyna进行了Z形折叠、卷曲折叠和变直径伸缩式折叠等三种薄膜管的充气展开动力学研究。文献[15]用流-固耦合方法对伸缩式充气支撑管进行了模拟,建立了有限元模型,结果表明,流-固耦合模型更能真实的反映展开过程,但是需要更长的时间步长。文献[16]将刚性链之间用非线性旋转弹簧以及线性旋转阻尼铰进行连接,采用二维刚性链系统研究充气管的展开动力学。

薄膜结构动力学分析较为复杂,技术难点也较多,目前针对其的研究主要集中于薄膜展开运动非线性有限元弹性动力学分析、薄膜局部屈曲、褶皱膜结构展开动力学分析等方面[17]。日本大学基于能量动量法(EMM),应用非线性有限元分析软件Abaqus对对IKAROS太阳帆的展开运动进行了非线性有限元弹性动力学分析。日本工业大学通过有限元仿真对折叠太阳帆局部屈曲的细节进行了研究,确定了空间膜的折叠尺寸和残余变形。美国加州工业大学研究了膜厚度和折痕密度对展开褶皱膜结构所需的力的影响。

3)刚-柔耦合系统动力学分析

柔性主动展开装置在主动展开发挥相应功能的过程中,均属于刚-柔耦合系统。但应用于不同领域的柔性主动展开系统,其动力学特性相差较大。如缓冲气囊,低空减速缓冲装置等缓冲装置主要涉及缓冲过程动力学分析,IRDT 等应用于中间层大气的减速器主要涉及气动力学分析,增阻离轨装置、空间充气舱、空间充气天线等空间柔性主动展开装置主要涉及刚-柔耦合系统姿轨控动力学分析等。缓冲气囊缓冲过程动力学分析方面主要分为解析法和有限元法,Esgar和Morgan在假设气囊内气体为理想气体的前提下,以力学平衡方程和热力学方程为基础,对气囊缓冲过程进行了动力学分析;Tutt等通过有限元仿真与试验相结合的方法研究了“猎户座”载人飞船缓冲气囊的缓冲过程动力学特性[18]。Likins、Modi、Kane等是最早研究柔性多体系统动力学理论的学者们,他们提出了混合坐标法、Kane方法等动力学建模方法,极大地促进了柔性多体系统理论的发展[18]。国内柔性多体系统动力学建模研究领域的学者缪炳祺、阎绍泽、李东旭等对柔性航天器动力学模型、刚柔耦合航天器动力学及附件振动抑制等方面进行了深入研究,取得了丰硕的成果[19-21]。

除上述关共性键技术之外,根据功能特点及应用环境的不同,航天器柔性主动展开装置在工作中还可能会涉及空气动力学、流固热多物理场耦合、空间环境适应性及刚化等关键技术。图4结合工程应用需求,对柔性主动展开技术的共性基础技术和个性化关键技术进行了总结。

图4 柔性主动展开技术的关键技术分布Fig.4 Key technical distribution of flexible active deployment technology

由图4可见,柔性主动展开装置涉及的技术与学科交叉度和难度都极高,其中如在轨刚化技术、挠性结构振动动力学等都还需要继续进行深入研究。

充气结构在空间充气展开后一般需要进行柔性结构刚化,以维持结构表面形状并确保结构的安全性和可靠性。刚化的功能就是在柔性材料结构充气展开之后,通过某种方式使材料达到预期的强度与刚度。常用的刚化技术主要有:热固性刚化,紫外刚化,充气气体反应刚化,增塑剂或溶剂挥发刚化,铝/聚合物层合结构刚化,泡沫刚化以及基于温度变化的形状记忆刚化等。但当前上述在轨刚化手段都还存在一定的应用限制,未能展开大规模工程应用。

大型空间主动展开结构,自身材料提供的阻尼系数有限,太空中空气稀薄,由空气产生的阻尼作用也很小。因此当大型空间主动展开结构由各种因素引起自由振动后很难通过自身结构对振动进行衰减。当前常用的振动抑制方法主要有3种,被动控制、主动控制和主被动一体化控制。这3种振动抑制方法各有优缺点,还有着进一步优化的空间。

基础技术研究是掌握关键技术,实现工程应用的基础,也是当前制约航天器柔性主动展开技术工程应用的关键环节之一。对航天器柔性主动展开技术所涉及的关键技术进行深入理论研究,是推动其在诸多科学应用领域实现大范围工程应用的先决条件之一。

3 结束语

航天领域对轻质、高展收比结构产品的需求促进了柔性主动展开技术的发展,多种形式的柔性主动展开装置在航天领域进行了工程应用,推动了一系列航天工程难题的解决,具有广阔的应用前景。但同时柔性主动展开装置在航天领域的广泛工程应用还需要一系列基础理论技术的支持。随着我国航天技术的发展,也越来越多地需要各种航天器柔性主动展开装置的在轨应用,在这一阶段,迫切需要对航天器柔性主动展开技术相关的基础理论进行深入研究,打通关键技术环节。根据当前柔性主动展开技术在航天领域的应用前景,建议从以下3个方面着手,推动航天器柔性主动展开技术的发展。

(1)吃透柔性展开结构折叠技术、柔性展开结构展开过程动力学分析、刚-柔耦合系统动力学分析等共性基础理论技术,奠定技术基础,为柔性主动展开装置的航天工程应用提供技术保障。

(2)加强相关基础学科与交叉学科的研究,通过工程问题牵引柔性主动展开装置相关个性基础理论技术的进步,为柔性主动展开装置功能特性扩展,应用范围拓宽提供技术支持。

(3)进一步通过在轨试验验证等手段,对柔性主动展开技术的相关成果展开验证,推动该技术的实际工程应用进展。

可以预见,随着相关关键技术的突破与夯实,航天器柔性主动展开技术将推动一系列航天重大工程项目的进展,引领航天领域技术发展的潮流。