柔性可展开月球居住舱发展现状

白成超, 彭祺擘, 郭继峰, 王慎泉, 张 琦, 谢旭东

(1.哈尔滨工业大学航天工程系, 哈尔滨 150001; 2.中国航天员科研训练中心, 北京 100094)

1 引言

进入21 世纪以来,各航天大国都提出了载人登月的构想,包括美国重返月球的Artemis 计划[1-3]、欧洲月球村计划[4-6]、俄罗斯月球综合探索与开发计划计划[7]和中国国际月球科考站计划[8]。通过分析上述探月计划可知,新一轮月球探测活动的核心目标转变为对月球资源的勘探与开发[9-11]。

月球资源勘探与开发需要长时间驻月的能力,因此建造月球居住舱是未来载人登月活动的重要组成部分。从建造构型划分,月球居住舱分为刚性舱构型、柔性舱构型和建造式构型[12-13]。3 种构型中,刚性舱构型与柔性舱构型技术上较为成熟,工程上较易实现,适合搭建初期小规模月球基地。相比于刚性居住舱,柔性月球居住舱(简称为柔性舱)可以提供更大的舱体容积,且相同舱体容积下质量较轻,尺寸上受运载火箭的限制较低。但柔性舱需要在月面完成充气,展开后才能使用,且对材料的要求较高,从功能上讲必须具备柔性可展开、热膨胀系数可控、密度低、弹性模量高、可控刚化等特点;从安全防护角度讲需要可靠耐用、强密封性;从工程实现角度讲需要易于加工、长寿命等[14]。

本文梳理了国内外典型的月球居住舱设计方案,并在此基础上结合未来月球探测活动需求,从宜居性、安全性、可扩展性、经济性4 个方面构建了柔性月球居住舱的评价指标体系,并梳理了柔性月球居住舱的关键技术与可能的发展路径。

2 发展现状

目前,国内外已经提出了多种柔性构型月球居住舱方案,构型上分为纯柔性构型、刚柔混合构型以及柔性+建造式构型(柔性蒙皮外使用月壤覆盖);形态上分为卧式(半)圆柱形、立式圆柱形、球(冠)形、多球形、环形等。本文中的月球舱均指代柔性构型月球居住舱,为航天器系统。

2.1 国外研究现状

2.1.1 STEM 月球舱

阿波罗计划中,为实现航天员月面长时间驻留目标,固特异公司设计了一款充气展开柔性月球舱,称为驻留时间延长模块(Stat time extension Module, STEM)[15]。STEM 月球舱(图1)可以支持2 名航天员在月面驻留8 ～30 d。采用卧式圆柱形,一端设计有气闸舱供航天员出入,其充气防护蒙皮分为4 层,由外至内分别为外部蒙皮、泡沫微尘防护层、结构层以及密封气囊层。

图1 STEM 月球舱[15]Fig.1 Stat Time Extension M odule[15]

2.1.2 约翰逊航天中心圆球形充气月球基地

1986 年,NASA 约翰逊航天中心(Johnson Space Center,JSC)[16]开展了月球基地系统研究项目,提出了一种柔性+建造式构型的圆球形充气式月球居住舱概念。该月球舱直径达16 m,总体积约为2145 m3,内部使用面积约为742 m2,最大可容纳12 名航天员,图2 为基于该月球舱的月球基地整体设想图,图3 为该月球舱内部剖面图。该方案舱壁由多层材料组成,由外至内依次为β布、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、聚酯薄膜、聚间苯二甲酰间苯二胺纤维(芳纶1313)。居住舱外面使用1 m 厚的月壤进行覆盖,起到防辐射屏蔽层的作用。该方案的优势是有充足的内部空间,且内部使用笼式结构支撑形成多层地板与墙壁,大大地提高了月球舱的空间利用率;缺点是建造过程较为复杂,需要前期开展大量的地形改造与修整。

图2 JSC 月球基地整体想象图[16]Fig.2 Overall concept draw ing of JSC Lunar base[16]

图3 JSC 月球舱剖面图[16]Fig.3 Sectional draw ing of JSC Lunar base[16]

2.1.3 卧式半圆柱形柔性月球舱

2008 年,NASA 与ILC Dover 公司合作设计了一种卧式半圆柱形柔性月球舱[17],采用纯柔性构型,主体支撑结构为平行排列的若干充气拱,外层为绝缘蒙皮材料。该月球舱高度为8 ft(约2.44 m),舱体一端连接一气闸舱。NASA 已经对该月球舱进行了折叠与展开测试,结果表明可以由4 人在4 h 内完成展开,图4 为NASA 在南极对该月球舱展开极端环境测试。该方案的优点是折叠效率高,缺点是难以承载较重的科研载荷。

图4 在南极进行测试的卧式半圆柱形柔性月球舱[17]Fig.4 The horizontal sem i-cylindrical inflatable Lunar module being tested at the South Pole[17]

2.1.4 LRH 可展开月球居住舱

LRH(Lunar Return Habitat)可展开月球居住舱是JSC 航天中心与ILC Dover 公司于1995 年合作开展的人类月球返回研究项目的研究成果之一[18]。该月球舱可以支持2 名航天员在月球表面驻留6 d。该方案柔性舱体为卧式圆柱形,直径为2.3 m,长为3.6 m,安装于着陆器上方(图5)。柔性舱体采用工程上较为成熟的Z 型折叠方法,柔性蒙皮选用聚芳酯纤维、涂层织物以及聚氨酯(涂层)等多种高分子材料。

图5 LRH 柔性月球舱[18]Fig.5 LRH inflatable Lunar habitat[18]

2.1.5 Moonwalker 月球舱

Moonwalker 月球舱概念是在第56 届国际宇航大会(International Astronautical Congress, IAC)上提出[19],主要包含充气展开舱体与刚性腿足模块。充气舱体蒙皮为可刚化的多层复合材料,可以防护微流星体的撞击和月尘磨损,蒙皮由张拉网进行结构加强。该方案的充气舱体外部提供12 个对接口,内部布局可以根据任务和环境灵活调整(图6)。

图6 M oonwalker 月球舱[19]Fig.6 M oonwalker Lunar habitat[19]

2.1.6 InFlex 月球舱

2007 年,NASA 与ILC Dover 公司联合开展了智能柔性材料(InFlex)项目,提出了一种立式双圆柱形态月球居住舱[20],如图7 所示。由一大一小2 个立式圆柱形柔性舱单元组成,仍然采用刚柔耦合的结构。

图7 InFlex 柔性月球舱[20]Fig.7 InFlex inflatable Lunar habitat[20]

InFlex 月球舱中较大的充气舱直径为3.65 m,使用4 条腿站立;较小的充气舱为气密过渡舱,通过刚性高压舱门与主舱室相连。这种月球居住舱可以作为临时居住场所或实验室,如果通过接口或密封通道连接多个舱段,可以构建出规模庞大的月球基地。

2.1.7 X-Hab 月球居住单元

2010 年,NASA 与ILC Dover 公司进一步开展了X-Hab 项目,该项目旨在研究轻质柔性月球居住舱与应用于空间结构的智能柔性材料(Intelligent Flexible Materials for Space Structures),X-Hab计划的研究人员为可展开居住舱设计了名为工程发展单元(Engineering Development Unit, EDU)的方案[21]。月球舱为卧式圆柱形,高约为3 m,折叠状态长度约为5.2 m。展开后长度约为10 m,折叠效率接近2。刚性结构位于两端,柔性可展开结构收纳于中部,并采用Z 型折叠方式,柔性段折叠后装载于2 个刚性段之内,如图8 所示。月球舱柔性蒙皮由多层不同功能的柔性复合材料构成:内衬层、结构限制层、热防护层和微流星体防护层。多个EDU 居住舱并排放置,顶部使用帐篷结构进行覆盖,在帐篷顶端覆盖一定厚度的月壤,即可构建起一个可以长期使用的简易月球基地。

图8 X-Hab 月球舱[21]Fig.8 X-Hab Lunar habitat[21]

2.1.8 UND 混合式可展开月球舱

2010 年,Pablo 等[22]提出了一种刚柔混合的月球居住舱方案。该方案是NASA 资助北达科他大学载人探月探火综合战略(Integrated Strategies for the Human Explora-tion of the Moon and Mars)项目的研究成果之一。月球舱长约为12 m,宽为3 m,高为3 m,内部包括4 个可供航天员休息和存放个人物品的卧室、1 个小厨房、1 个浴室和实验室空间,可以支持4 名航天员生存。

月球舱主结构采用刚性桁架结构,各杆之间采用可活动的接头连接。桁架结构通过接头与充气气囊相连。到达月面后,通过对气囊充气即可完成桁架结构的展开,内部压力舱则完全由充气式结构组成。由于主结构为刚性桁架,因此其抗压、抗撞击的能力比纯粹的充气式展开结构更强,并且可以在表面覆盖袋装月壤,进行辐射和流星体防护,方案剖视图如图9 所示。

图9 UND 刚柔混合月球舱[22]Fig.9 UND hybrid Lunar habitat[22]

如图10 所示,这种月球基地的缺点在于可使用空间仅有压力舱内部空间,整个桁架结构连同外部充气壳层形成的空间不能被有效利用。另外,桁架结构需要航天员手动完成组装,极为耗费航天员的体力和时间。优点在于外部桁架结构具有较强的支撑能力,因此经一定的适合性改进后,可以作为装载精密实验设备的实验舱使用。

图10 UND 刚柔混合月球舱剖视图[22]Fig.10 Sectional draw ing of UND hybrid Lunar habitats[22]

2.1.9 最小功能月球居住舱

最小功能月球居住舱的概念[19]由休斯顿大学 研 究 组 织 (Sasakawa International Center for Space Architecture,SICSA)提出,目的是满足短期载人月球探测任务需求。该方案底端为刚性构型的着陆模块,上端为柔性可展开的居住舱,如图11 所示[23]。

图11 最小功能月球居住舱单元[23]Fig.11 SICSA/ILC-Dover Lunar module concept[23]

最小功能居住舱除满足短期载人月球探测任务需求外,还考虑了月球基地的长期规划问题。每个最小功能月球舱单元使用标准化的统一对接口,可以搭建规模庞大的月球基地,实现月球基地的进化增长。

2.1.10 旋转椭圆体月球居住舱

NASA 约翰逊航天中心的LSS Habitation Lead 小组[24]提出了LS1 型月球基地设想,并设计了用于构建LS1 型月球基地的旋转椭圆体柔性可展开月球居住舱,如图12 所示。

图12 旋转椭圆体月球居住舱[24]Fig.12 The ellipsoid moon module of Lunar base[24]

LS1 型月球基地的航天员主要生活空间为2 个旋转椭圆形柔性可展开月球居住单元,其中一个是航天员居住舱,另外一个是实验舱。旋转椭圆体月球居住单元直径约为8.5 m,高约为3.6 m,体积约为174 m3,可居住4 名航天员。再增加一个体积为78 m3的柔性月球基地后勤保障舱,LS1 型柔性可展开月球基地可满足4 名航天员180 d 的月面驻留需求[24]。月球居住单元的舱体设计有3 个标准化对接口,其中一个接口连接气闸舱,供航天员出入使用,另2 个接口可与其他单元连接。这样多个外形相似但不同功能的单元通过相互对接,即可成为大型有人月球基地,为航天员的生活、工作与科研提供充裕空间。

旋转椭圆体柔性可展开月球居住单元的设计思路参考了TransHab 太空舱,舱体中心有一刚性芯柱,柔性部分为围绕刚性芯柱的环形结构。其刚性芯柱由封头和支撑柱组成,支撑住顶端和底端,分别布置有可展开舱壁,将空间分隔为多个隔间。柔性蒙皮选材与结构设计也参考了TransHab。对接口和舱门使用刚性骨架与刚性芯柱相连。折叠状态下,柔性蒙皮围绕在对接口和舱门周围,封装在刚性芯柱内。充气展开时,刚性组件随之展开,具体展开过程如图13 所示。

图13 旋转椭圆体居住舱展开过程[24]Fig.13 Expansion process of ellipsoid space inflatable capsule[24]

2.1.11 混合月球可展开结构

2020 年,Dronadula 等[25]提出了一种较为新颖的刚柔混合构型月球舱方案,灵感来自于雨伞,如图14 所示。混合月球可展开结构(Hybrid Lunar Inflatable Structure, HLIS)居住舱的骨架采用7075-T6 铝制造,充气薄膜穹顶使用多层织物,折叠/展开体积比为38%。该方案的新颖之处在于其将柔性蒙皮收纳于中心刚性支撑柱内,与前述的旋转椭圆体柔性可展开月球居住舱类似,其展开过程分为刚性结构展开与蒙皮展开2 个步骤。到达月面后,先是肋骨与地板机构的机械展开,然后柔性蒙皮从支撑柱内释放,完成整个居住舱的搭建,其过程如图15 所示。

图14 混合月球可展开结构[25]Fig.14 Hybrid Lunar inflatable structure[25]

图15 HLIS 展开过程[25]Fig.15 Expansion process of HLIS[25]

2.2 国内研究现状

2.2.1 球冠式月球舱

2017 年,袁勇等[26]提出了一种柔性+建造式的有人月球基地设计方案。如图16 所示,该方案为球冠式构型,直径为12 m,穹顶高为3 m,人员有效使用面积大于75 m2,有效使用空间为200 m3。为提高辐射防护能力,舱体表面覆盖0.3 m 厚的月壤。为了确保月球舱的气密性和安全冗余,内部舱室采用蜂窝状隔断设计。该方案的优缺点与前述JSC 月球舱相似,优点在于具有较大的可用空间和较高的空间利用率,缺点在于建造过程较为复杂,需要前期进行大量的地形平整工作,后期需要挖掘大量月壤,并将这些月壤尽可能均匀地覆盖在舱体表面。

图16 球冠形月球舱[26]Fig.16 Expansion process of HL[26]

2.2.2 椭球柱形月球舱

2021 年,徐铧东等[27]提出了一种充气展开月面居住舱方案,如图17 所示。月球舱为椭球柱设计,竖直方向上可以展开,并利用桁架将纵向空间分为3 层结构。居住舱主要由刚性封头、柔性复合材料舱壁、舱门、舷窗等结构构成。舱体内部包含充气桁架、基座、支架及气瓶等设备,外部安装有充气展开气闸舱,方便航天员进出居住舱。研究人员使用缩比样机测试了居住舱的折叠性能参数,并开展了充气展开实验。该月球舱的折叠效率可达10.5,充气10 min 即可完成展开。

图17 充气展开月面居住舱内部结构布局[27]Fig.17 Internal structure of inflatable deployable Lunar habitation module[27]

2.3 柔性月球舱不同形态对比分析

1) 圆柱形/半圆柱形月球舱在形态上最匹配运载火箭细长体特征,同时对于着陆地点的平整度要求较低,不需要在科考站建设之前大规模改造地形,因此比较适合早期规模较小的科考站。

2) 圆球形/球冠形月球舱的特征是底部面积较大,对于着陆点地形平整度要求较高,通常需要在科考站建设前期进行地形改造。如2.1.2 节所述的圆球形大型月球基地设想,需要在月球表面利用炸药制造出可容纳基地1/3 体积的大坑,并完成地形平整与尖利砂石去除工作,工程量较大。另外,较大的圆球形/球冠形月球舱需要在纵向设置多层地板,以提高空间利用率,否则穹顶部分大量空间无法充分利用。

3) 环形月球舱一般采用刚柔耦合构型,中心为刚性芯柱,外部为由柔性蒙皮扩展出的空间,与TransHab 太空舱在构型上无本质区别。环形月球舱对运载火箭的空间要求较低,适合早期的科研站建设。由于形状限制,环形月球舱不适合移动,可作为固定式居住舱或支持舱使用。单层的环形月球舱可在刚性芯柱内安装较重的能源系统或大型的机械臂,蒙皮扩展出的环形空间作为储物间放置月面漫游车以及科研设备。

3 评价体系与性能指标

3.1 需求分析

从未来载人月球探测的任务需求来看,有人月球基地应具备支持多名航天员长期在月面驻留的能力,因此月球舱应具有较大的尺寸,以提供足够的人员生存空间与物资储藏空间。大型刚性金属月球舱结构质量和体积较大,对运载火箭要求较高,受月面地形影响,组装困难,且对火箭载荷能力和整流罩包络要求高、有效空间有限,因此无法完全满足未来载人登月任务以及月球长期科学考察与开发任务需要。

柔性可展开构型月球舱具有质量轻、发射体积小、发射成本低、有效空间充裕、功能集成度高、防护能力强、工程实施方便、对月面地形要求低等优点,可以满足未来月面长期驻留需求,是构建大型有人月球基地的优势方案之一,具体如下:

1) 防护能力方面。柔性舱的防护能力与使用寿命并不弱于刚性舱,以美国TransHab 太空舱为例,其柔性可展开结构的蒙皮由20 余层不同功能的复合材料组成,从功能上讲分为5 个功能层,包括热防护层(材料为尼龙层和聚酯薄膜,绝热)、空间碎片与辐射防护层(材料为尼龙和聚乙烯,防辐射)、结构限制层(材料为聚对苯二甲酰对苯二胺和亚苯基材料,结构限制与强度增强)、冗余气囊层以及内衬防刮层(材料为聚对苯二甲酰对苯二胺纤维和聚间苯二甲酰间苯二胺纤维(芳纶1313),密封和防刺破),其柔性蒙皮的结构设计与选材充分考虑了空间热环境、空间辐射、空间碎片撞击和舱内航天员操作可能产生的风险,且防辐射能力超过刚性舱普遍采用的铝合金舱体[28]。

2) 承载能力方面。柔性月球舱一般采用多层复合材料作为蒙皮,蒙皮中通常包含由聚对苯二甲酰对苯二胺纤维编制的结构限制层,使舱体形状不会轻易改变。对于载人加压月球舱这种大型柔性舱体,舱内压力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,再辅以舱内的刚性支撑结构以及紫外固化或光固化等柔性材料刚化方法,其承载能力不输于刚性舱构型[29]。

3) 技术成熟度方面。柔性舱蒙皮使用的大部分材料都是现有的,主要问题在于根据月球舱的需求进行防护层各层的设计,需要有多层整体分析、层间耦合效应、加强筋等对蒙皮影响的建模与分析方法。因此,柔性舱的建模与分析难度要大大高于刚性舱构型。

4) 月面部署方面。柔性舱需要在月面完成结构展开与充气,部署难度无疑高于刚性舱。且球形/球冠形柔性月球舱对于着陆区平整度的要求较高,而圆柱形/半圆柱形以及环形柔性舱一般来说底面面积不大,对于着陆区的平整度要求并不高于刚性舱。

3.2 评价体系与性能指标

月球居住舱是航天员在月球长期生活工作的场所,因此宜居性、安全性必须要得到保障。考虑使用月球居住舱搭建月球基地的需求,月球居住舱的可扩展性和经济性也是重要的评估指标。参考果琳丽等[29]提出的月球基地评价体系,结合柔性构型月球居住舱自身特点,给出柔性构型月球居住舱的评价指标体系,如图18 所示。

图18 柔性月球居住舱评价体系Fig.18 Evaluation system of inflatable Lunar habitat

3.2.1 宜居性

1) 空间利用率。受限于月面地形与运载火箭整流罩容积的约束,月球居住舱舱体空间有限,因此需要提高舱体空间利用率。固定式月球舱一般采用圆柱形或球冠形设计,圆柱形月球舱可以沿舱体轴向使用挡板区隔出一个或多个方形区域作为航天员生活活动空间,将生保设备、管道线缆等安装于活动区域外以提高空间利用率。高度超过5 m 的立式圆柱形以及球冠形月球舱应设置多层地板,在舱体轴向上提高空间利用率。考虑到刚性隔间与柔性蒙皮之间存在一定距离,月球居住舱空间利用率应在80%以上。

2) 人均活动空间。根据NASA-STD-3001《人—系统集合标准》[30]意见,对于4 个月或更长时间任务的最低可居住空间大约为20 m3/人,基于对长期居住和密闭空间的研究,月球居住舱人均活动空间不应低于ISS 航天员人均活动空间。

3)私密空间大小。航天员长期在月面驻留,月球舱内应为航天员提供足够的私人空间。以层高3 m 计算,每位航天员私人空间应不低于22.5 m3(3 m×2.5 m×3 m)。

4)噪声水平。柔性月球舱可以提供较大的生活与工作空间,为保证航天员居住环境舒适,居住区与工作区应分开。工作区噪音较大的设备应远离居住区,并需要隔音装置减弱噪音对航天员的影响。依据宜居环境噪声标准,月球舱居住区噪声应在35 dB 以下;紧急情况下,舱内工作区与可通行区域的噪声应低于75 dB。

5) 环控能力。主要由支持航天员数量、内部大气温度、相对湿度、氧浓度等参数表示。参考空间站内部环境指标并结合月面环境条件下航天员生保需求,确定柔性月球居住舱环控能力如下:①内部正常大气温度18 ～28 ℃;②应急瞬时大气温度0～50 ℃;③相对湿度30%～70%;④氧浓度30%～35%。

3.2.2 安全性

1) 耐温性能。月面温度变化情况随纬度不同而不同。月球赤道区域平均温度较高,昼夜温差较大;两极区域平均温度较低,昼夜温差较小。为降低热控难度,同时获得长时间连续日照,针对月球南极永久光照区进行论证。该区域温度变化范围为±200 ℃,因此柔性月球居住舱舱体耐温性能定为±200 ℃。

2) 微流星体防护能力。月面容易受到流星体的超高速撞击,其中直径小于1 mm 的流星体为微流星体。柔性月球舱的微流星体防护能力应不低于铝合金刚性舱体的防护能力。

3) 空间辐射防护能力。月面辐射主要来自3 个空间辐射源:太阳风、太阳宇宙射线与太阳系外的高能银河宇宙射线。其中太阳风与太阳宇宙射线的核子能量较低但通量较大,高能银河宇宙射线的核子能量高但通量较低。太阳风与太阳宇宙射线的防护依靠柔性舱的蒙皮,而高能银河宇宙射线的防护则需要专门的防护舱。根据嫦娥四号月面辐射测量结果,月面辐射强度约为近地轨道的2.6 倍[31]。短期载人登月活动中,航天员月面驻留时间在3～7 d,在月球资源开发阶段,航天员月面驻留时间将延长到14 ～ 30 d。根据呼延奇等[32]的研究结果,5 g/cm2铝屏蔽层即可保证其产生的剂量比NASA30 日辐射暴露限值低一个数量级,已经基本能够满足阻挡太阳风与太阳宇宙射线的需求。因此,柔性舱蒙皮的空间辐射防护能力应与5～10 g/cm2的铝屏蔽层相当,对于特大太阳粒子事件或高能银河宇宙射线,则需要使用月壤构建防护层,并利用舱内仪器、防辐射水箱等设备等形成额外的屏蔽质量。

4) 耐压保压能力。刘伟波等[33]从人体生理学与工程技术要求两方面出发,详细论证了应如何选择密封舱内压力制度。月球舱应采用氧氮混合气体,总压(58±4) kPa,氧分压(21±2) kPa。考虑到安全余量,柔性舱蒙皮需要满足1.5 ～2 倍静压耐压,该指标主要考虑预紧力、温度变化等带来的材料疲劳应力因素,并不是柔性蒙皮的破坏压力。保压能力可以由柔性舱的漏率表示。漏率越小,所需补气量越小,补气操作次数也越少,充气舱性能越好。具体指标需要根据任务时长、月球舱总体设计方案给出。

5) 月尘防护能力。月尘是带电且拥有锋利表面的颗粒,容易划伤月球舱的表面,需要对月尘监测并防护。月尘防护可分为主动防护与被动防护,主要方法包括对蒙皮做针对性设计,如选择纳米荷叶效应表面、自动防尘膜、导电防护膜等,或是通过在蒙皮外使用与月尘电性相反的收集板吸附月尘并中和其所带电荷,使之落到月表。

3.2.3 可扩展性

1) 可扩展接口数量。考虑到月球居住舱的增量式建设以及人员在不同舱段间的转移,月球舱应留有可扩展接口。月球舱应能与其他舱段以及月球着陆器对接,因此每个舱段至少应有2 个扩展接口。

2) 舱体可移动性。为保证月球居住舱有一定的模块重组能力,柔性舱段应具有小范围移动的能力。对于集科研与居住功能于一体的月球舱而言,应具备大范围移动的能力,以支持科研工作。

3) 对接口标准程度。舱段间对接口应保证标准化程度,以保证各个舱段之间顺利对接。

4) 扩展空间大小。需要根据月球基地扩建计划与扩展舱段的功能来确定。

5) 舱段间重组能力。需要根据实际任务需求来确定。

3.2.4 经济性

1) 使用寿命。月球居住舱需要保障航天员月面长期驻留,需要较长的使用寿命。初期的月球居住舱寿命应能够保证支撑到完全利用月球原位资源建造的永久性大型月球基地取而代之的时候。考虑到从载人登月阶段开始到永久性建造式基地取代居住舱可能需要数年甚至十数年之久,因此月球居住舱的设计寿命应不低于5 年。

2) 折叠效率。柔性舱的充气展开能力可以由折叠效率和内部有效容积(充气舱长度、内径)表示。使用刚性芯柱的刚柔耦合舱体在纵向上不可折叠,受限于刚性芯柱的尺寸,折叠效率通常低于纯柔性舱体和轴向可折叠刚柔混合舱体。结合柔性舱展开后的有效体积,要求轴向可折叠刚柔混合舱体的折叠效率不低于8,含不可折叠刚性芯柱的刚柔耦合舱体折叠效率不低于3。

3) 月面组装难度。柔性舱在抵达月面之前都处于收拢状态,需要到达月面后完成展开,如果月球居住舱包括多个舱段,则需要在月面进行舱段对接。此过程可能需要航天员参与,例如UND混合式可展开月球舱,主结构采用管状的桁架结构。各杆之间采用可活动的接头连接,桁架结构通过接头与充气气囊相连。桁架与接头需要航天员手动连接,对航天员体力消耗很大,且时间成本高。因此,月球居住舱的舱体应具有较低的组装难度,可以从航天员工作量以及完成组装的时间来进行衡量。

4) 可维修性。柔性蒙皮结构应具备微流星/碎片撞击修复能力,可支持直径10 cm 的破洞修复。

5) 技术成熟度。由于此前从未在月面上部署过柔性构型的月球舱,为保证经济性与安全性,柔性月球舱不应具有过多革命性设计,其相关技术必须要在地面模拟月面环境中完成严格的测试。

3.2.5 总体指标

综上所述,得到柔性月球居住舱指标如表1所示。

表1 柔性月球居住舱总体指标Table 1 General index of inflatable Lunar habitat

4 关键技术

本文梳理了国内外柔性月球舱的典型项目,可为中国未来月球舱设计和月球基地建设提供借鉴。柔性月球舱未来需要集中攻关的关键技术集中在以下方面。

4.1 总体方案设计

由于柔性构型月球舱与刚性舱有本质区别,因此在设计时需要考虑柔性带来的约束条件和特殊问题,如柔性材料的非线性几何特征,充气形状保持工艺,柔性囊体与刚性芯级、舷窗或刚性端盖的刚柔连接机构设计等问题[34]。除此之外,还要考虑到环境带来的约束问题,比如在月球熔岩洞中建设月球基地[35-36],需要柔性月球舱蒙皮能够贴合到岩壁表面,并能够起到支撑作用,这对结构设计、材料选择都带来了挑战。

从支撑未来月球基地建设与长期发展的角度考虑,柔性月球舱设计应该考虑通用性与功能性,单个柔性舱可以作为系统的胞元,采用标准化接口,使不同功能的月球舱相互连接,形成类似蜂巢或蚁穴式的结构,实现月球基地的进化增长[36],如图19 所示。

图19 熔岩管道内蜂窝式月球基地[36]Fig.19 Beehive Lunar base in lava tubes[36]

4.2 蒙皮结构与材料

航天员月面驻留期间,需要考虑的安全因素主要有高低温交变、高真空、高能粒子辐射、宇宙射线、高速微流星体、月尘等。因此蒙皮材料选择与结构设计是柔性月球居住舱研发的关键问题。

4.2.1 蒙皮结构设计

柔性舱蒙皮结构设计最主要的依据是环境安全需求,通常由多层不同功能的柔性复合材料构成柔性蒙皮的各个功能层:内衬层、冗余气密层(或气体阻隔层)、结构限制层(或结构增强层、位移限制层、承力层)、微流星体防护层、辐射防护层,热防护层以及月尘防护层[37-43]。这种蒙皮结构设计来源于美国TransHab 太空舱,是一种较为完善的方案,主要区别是为防止月尘吸附并划伤蒙皮,并在最外侧增加了月尘防护层。此后的研究基本沿用了这种多功能层的蒙皮结构设计方案。

4.2.2 蒙皮材料选择

柔性月球居住舱蒙皮材料的选择需要考虑月面环境与功能需求,蒙皮的不同功能层需要不同特性的高性能复合材料。总结调研资料,柔性月球居住舱蒙皮各功能层典型材料如表2所示[24,44]。

表2 柔性月球居住舱蒙皮典型材料Table 2 Typical materials of inflatable Lunar habitat skin

4.3 微流星体防护层设计

除各层功能划分与选取外,各功能层自身的结构设计也会对蒙皮整体性能带来很大影响。典型的如微流星体防护层,传统航天器采用Whipple 防护结构作为微流星体防护层,Whipple 防护结构的层间距大小与板间填充对微流星体防护能力有较大影响。柔性月球居住舱蒙皮的微流星体防护层可以借鉴这种思路。常洁等[45]提出一种使用玄武岩纤维和芳纶纤维的微流星体防护层设计,玄武岩纤维可破碎微流星体,高强芳纶纤维对碎片进行进一步阻挡,并且在各缓冲层与承压层之间填充聚氨酯泡沫,聚氨酯泡沫除提供缓冲,降低微流星体速度外,还可以作为支撑层。

徐铧东等[27]设计了一种模块化方案,将微流星体防护层与热防护层设计成多层夹芯多功能防护模块,模块间通过条带进行连接,折叠状态下防护模块呈瓦片式交叠,可提高折叠效率。

可以看到,微流星体防护层的设计主要研究方向集中在防护层结构设计与材料选择2 个方面,其中材料选择相对固定,多为芳纶纤维防护屏与聚酯泡沫填充物,防护层结构设计相比之下则有更大研究空间。而仿生学的发展可以为微流星体防护层的设计带来新的灵感。如图20 所示,通过对撞击型虾蛄掠肢冲击区进行显微观察,发现其掠肢内部的高韧性人字形结构具备强大的抗冲击能力[46]。这种结构与材料特性可以引入柔性蒙皮防护层设计中来,研究填充材料结构拓扑性质对于防护能力的影响。因此,柔性蒙皮微流星体防护层的结构设计与材料选择是一个值得研究的关键问题。

图20 冲击区的光学显微镜和高分辨率纳米压痕[46]Fig.20 Optical m icroscopy and high-resolution nanoindentation of the impact region[46]

4.4 折叠方案设计与展开控制技术

柔性可展开月球舱折展控制技术的目标是提高柔性舱的折叠效率,尽可能减小发射时的体积,并保证柔性展开过程的可靠性。其中,蒙皮与地板折展方式、柔性舱充气方案设计、折叠紧凑性以及折叠与展开过程的精度控制和可靠性是柔性舱折展技术研究的重点。

折叠方法方面,主要是结合舱体的具体形态与构型特性,设计折叠效率更高的折叠方式。目前柔性可展开结构设计方案中采用比较多的折叠方式是Z 型折叠和卷曲折叠。其中卷曲折叠方式多用于含有中央刚性芯柱的立式圆柱形柔性舱,如TransHab,国内东北大学在缩比样机上进行过卷曲折叠方式的展开实验[47];而Z 型折叠方式则多用于卧式圆柱形月球舱。目前,航天器太阳能帆板已经开始论证多边形折叠设计、仿生折叠设计等折叠效率更高的折叠方法,未来有望应用到柔性蒙皮展开领域。

在展开过程控制方面,由于舱体蒙皮各功能层之间存在交叠与摩擦,需要着重强调展开过程的速率控制,以免出现蒙皮的磨损、褶皱与划伤。

总结调研资料,在柔性舱折叠方案设计与展开控制技术领域,存在如下亟待解决的技术难题[44]:

1) 无损/低损高效折叠收纳问题。柔性舱如何优化折叠线使其损伤最小、折叠效率最高、去褶皱影响,该问题即涉及到材料也涉及到折叠设计。

2)折展机构一体化设计问题。柔性舱蒙皮折叠与展开控制机构如何设计得紧凑,该问题主要涉及机构学。

3) 自主展开控制问题。柔性舱舱体如何能在无人操作情况下自主、平稳、有序展开,且保证展开过程的低能耗、可重复,柔性舱舱体结构越复杂,尺度越大,这个问题越突出。

近年来,折纸技术与折纸超材料开始应用到航天领域,目前主要应用于太阳能帆板与天线设计,已处于实验验证阶段。折纸技术有数学理论的支撑,分为柔性折纸与刚性折纸,可以生成多种形状,且折叠效率高,图21 为几种折纸展开前后对比。这种数学与艺术相结合的工程技术可以助力柔性可展开月球舱折展技术的发展[48-52]。

图21 折纸展开示例Fig.21 Example of origam i unfolding

4.5 可控刚化技术

柔性月球居住舱的蒙皮与柔性天线等空间柔性结构不同,其厚度一般在10 cm 以上,且内含高强芳纶纤维。在完成充气展开后,蒙皮的刚性足以满足航天员舱内活动以及防止舱体变形,因此一般而言并不需要额外的刚化手段。但如果需要在柔性舱内安装较重的设备,则需要对蒙皮进行刚化处理。柔性舱蒙皮刚化主要存在以下问题:

1) 确定蒙皮中的哪些功能层需要刚化/不能刚化;

2) 在不影响其他功能层性能的同时实现特定功能层的刚化;

3) 实现刚化过程的可控、可逆。

目前主流的柔性结构刚化技术包括紫外刚化技术和热塑性/形状记忆刚化技术技术,常见的刚化材料有铝/聚合物薄膜刚化材料、热刚化材料[44,53]。其中,热塑性/形状记忆刚化技术具有所需能量低、储存期近乎无限、刚化过程可逆等优点,适合应用于柔性月球居住舱[44]。

4.6 气密性刚柔连接技术

柔性月球居住舱设有舷窗、舱门、封底等刚性组件,因此柔性蒙皮与这些刚性组件之间如何保证刚柔连接的气密性是一个需要重点研究的问题[45]。一般采用将柔性蒙皮夹在刚性组件中的方法,使蒙皮与密封圈之间相互挤压产生适中的密封接触应力以保证气密性。

柔性舱刚柔连接技术存在如下亟待解决的问题:

1) 柔性舱蒙皮厚度较大且分多个功能层,刚柔连接机构需要确定夹紧蒙皮整体还是特定功能层;

2) 刚柔连接处的柔性蒙皮如何保证在展开过程中消除褶皱。

4.7 蒙皮健康状态监测技术

柔性舱在月面受到辐射损伤、月尘划伤,还可能受到微流星体的撞击,监测蒙皮的健康状态是一个需要关注的问题。目前已经有集成了多种类型传感器,兼具多功能传感、数据传输、状态检测的智能蒙皮技术应用在大气层内飞行器上,可以为柔性月球居住舱蒙皮健康状态监测提供参考。可在蒙皮内外两侧布设多功能传感器网络,以实时监测温度变化、辐射损伤、月尘划伤与微流星体撞击,并实时传输数据。未来蒙皮与健康状态监测系统的一体化设计需要重点关注。

5 结论

随着人类对月球探索的不断深入,对长期月面驻留的需求愈发迫切,柔性月球居住舱将会在未来月球探测活动中发挥重要作用。未来的柔性月球居住舱应采用基于折纸理论等有数学理论支撑的优化折叠方案,尽可能简化折展过程;应用具有自适应、自感知能力的智能柔性材料;蒙皮与健康状态监测系统采用一体化设计,强化柔性舱的智能化水平。

月球居住舱的设计与建造是一个复杂的系统工程,本文主要着眼于柔性月球舱的构型和形态,分析对比了国内外多种月球舱设计方案,并给出了符合未来一段时间中国探月计划需求与现实约束的柔性月球舱性能指标,对中国月球居住舱设计与基地工程的开展具有借鉴意义。