柔性可展开太空舱研究进展

付新卫 孟少华 周印佳 石泳

（1 中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）（2 中国空间技术研究院总装与环境工程部，北京 100094）

0 引言

载人航天器太空舱设计，通常需要考虑加工工艺、构型布局、密封效果以及技术成熟度等因素，大多数载人天地往返系统、轨道空间站、载人探测器采用刚性金属舱。大型刚性金属太空舱结构质量和体积大，发射成本高，在轨组装困难，且受火箭发射载荷和整流罩包络限制、有效空间狭窄等，导致众多大型航天探索任务无法开展，特别是载人航天器留给航天员活动空间非常有限，因此刚性金属太空舱无法满足未来载人航天和深空探测任务需要[1]。

新型柔性可展开太空舱结构具有质量轻、发射体积小、折叠效率高、功能集成度高、空间防护能力强、工程实施方便和发射成本低等优点，它可在轨充气展开为更大体积的空间舱体，柔性可展开太空舱是未来载人天地往返系统、深空探测器、月球居住舱、行星居留舱、火星基地的重要发展方向[1-3]。

1 柔性可展开太空舱发展概况

1.1 前苏联

20 世纪60年代，前苏联已经初步掌握了柔性可展开太空舱设计及研制技术。“上升1 号”载人飞船形状和尺寸大体上与“东方号”飞船相似，如图1 所示。“东方号”载人飞船的搭载能力为1 人，为了满足搭载3 名航天员需求，研制人员减轻了“东方号”载人飞船的质量，缩小了其包络尺寸。“上升1 号”载人飞船长约5m，直径2.4m，质量约5.5t，舱内自由空间1.6m3。1964年10月12 号，前苏联成功发射“上升1 号”载人飞船，在近地轨道上飞行了17 圈，次日安全返回。受当时前苏联生命保障系统的制约，“上升1 号”载人飞船在轨飞行时间较短，在轨运行仅25h30min。为解决火箭运载质量和整流罩包络的瓶颈问题，开创性地在其“上升2 号”载人飞船上应用柔性可展开气闸舱。该气闸舱有两个闸门，一端与飞船相连，另外一端与外界相通，收缩后高度为0.7m，伸长后高度为2.5m，内径1m。1965年3月“上升2号”飞船发射成功，航天员列昂诺夫穿过柔性可展开气闸舱第一次走出飞船，实现了柔性可展开太空舱的首次在轨应用，出舱活动完成后，将该气闸舱抛弃。据文献[4-5]记载，此阶段前苏联未完全掌握柔性可展开太空舱刚化技术。

图1 “上升号”飞船的柔性可展开气闸舱Fig.1 Inflatable airlock of voskhod spacecraft

1.2 美国

1.2.1 “兰利”柔性可展开太空舱

NASA 的“兰利”研究中心早在20 世纪60年代就提出了柔性可展开太空舱的概念[1]。当时大多数太空探索者都认为地球轨道载人空间站是进行深空任务的必经过程，可以借助该站进行长期飞行对航天员心理和生理等影响的研究，并可作为航天新技术的测试验证平台。经过一系列柔性可展开太空舱概念论证之后，“兰利”研究中心与“固特异”飞机公司共同提出了柔性可展开的空间站方案，柔性可展开舱为直径7.3m 的圆环，充气后通过自旋提供人工重力，载人往返飞行器通过充气舱环芯的端口进行对接与分离。

该项目后来被终止主要来自两个层面的原因：一是技术层面，20 世纪60年代用于制作柔性可展开密封舱的柔性材料强度性能无法满足其使用要求，而且柔性材料刚化技术不成熟。载人太空舱不仅内压远超非载人柔性可展开结构，还对安全防护性能要求特别高，不仅要防护陨石或空间碎片的击穿，也要防止由于各种原因航天员从内部刺穿。为此“固特异”公司专门研制了三层尼龙加强的橡胶材料，但仍然无法抵挡空间碎片撞击。另外一个非技术层面的原因在于为了进行登月竞赛，美国取消了轨道空间站建造计划。“兰利”研究中心原计划利用地面模型开展的一系列关于柔性可展开太空舱的试验随之取消。由于航天任务需求不明确，到20 世纪80年代中期美国关于柔性可展开太空舱的相关研究几乎停滞。

1.2.2 TransHab 太空舱[1-7]

1997年美国NASA 启动了运输居住舱TransHab（Transit Habitation Module）太空舱项目[1-4]，该项目研究目标是为空间站提供更廉价、更大型化的空间舱段，仍保留了火星项目星际转移的痕迹。

TransHab 是一种专门用于航天员生活的太空舱，目标是提供6~12 名航天员在太空长期生活。TransHab太空舱发射状态下包络尺寸直径3.35m，长度10.97m，展开后的包络尺寸直径23m，长度10.97m，可扩展容积339.8m3，质量1315.4kg。TransHab 太空舱为硬式中央芯级+柔性可展开蒙皮外壳，采用碳复合材料的中心承力筒结构，分上、中和下层，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。TransHab 太空舱无独立飞行能力，拟采用航天飞机将折叠状态下的TransHab 太空舱送入轨道。

该项目在防护技术和总体方案方面已经相当完善。柔性可展开结构的蒙皮采用了20 余层的复合材料，自外向内提供了五级防护，蒙皮展开后总厚度达0.51m，包括外部温度防护层（尼龙层和聚酯薄膜，绝热）、空间碎片防护层（尼龙和聚乙烯，防辐射）、约束层（凯夫拉和亚苯基材料，维型与强度加强）、密封气囊以及内部防刮层（凯夫拉纤维和诺梅克斯，密封和防刺破），如图2 所示，充分考虑了空间环境、空间碎片撞击和舱内航天员操作可能产生的风险。

图2 Transhab 太空舱柔性可展开防护系统Fig.2 Shield system of Transhab capsule

1.2.3 Bigelow 太空舱[7-10]

Bigelow Aerospace 成立于1999年，在全面继承了TransHab 太空舱项目研究成果的基础上，先后成功发射了“起源I 号”（Genesis I）和“起源II 号”（Genesis II）柔性可展开太空舱。Bigelow Aerospace 规划了一系列宇航产品，其中包括已经发射并成功在轨运行的Genesis I、Genesis II 和BEAM，在研的B330和BA2100，Bigelow 柔性可展开太空舱模块如图3 所示。

图3 Bigelow 柔性可展开太空舱发展路线图Fig.3 The development road of Bigelow space capsule

（1）Genesis I 太空舱[1-3,11-12]

Genesis I 太空舱沿用了TransHab 太空舱的设计，于2006年7月12日，搭乘俄罗斯“第聂伯”火箭成功进入太空，成为世界首个实验性太空舱。Genesis I 太空舱在轨成功展开，在柔性可展开太空舱发展史上具有里程碑的意义。这次空间试验首次验证了柔性材料的空间适应性、柔性可展开舱体、空间环境下的折叠展开、金属与柔性材料的结合及密封等多项关键技术。

（2）BEAM 太空舱[1-3,7-10,13-17]

BEAM 太空舱对柔性可展开载人级太空舱进行验证，以确定在整体受力和载人的情况下，柔性可展开太空舱的可居住性和贮存性能，验证工作涵盖了先进的系统生活舱、环境控制与生命支持系统等。

该项目设立了三大技术目标：发展、验证并集成轻质柔性可展开太空舱所需技术、自主交会对接所需技术以及闭合回路生命支持循环系统所需技术。

BEAM 太空舱各部分组成见图4。其内部结构由前后两层金属隔板、铝合金骨架、软质多层织物（内含约束层和密封层）及充气系统等部分组成。BEAM 太空舱发射时被折叠成长2.4m、直径2.36m 的大包裹。BEAM 太空舱特制的防护层是一层厚厚的纤维状材料，采用了20 多层材料，从里到外共设计了五层防护结构：内部防磨损层、密封气囊、凯夫拉约束层、微流星和空间碎片防护层、外部防热层。不仅能够进行热防护，还能防太阳辐射、宇宙射线、空间碎片、原子氧、紫外辐射以及其他空间环境物质等。BEAM太空舱采用类似于聚芳酯纤材料制作而成，空间防护能力远高于国际空间站铝合金舱，其安全系数更高。

图4 BEAM 太空舱各组成部分Fig.4 Thecomponentsof BEAM space capsule

2 柔性可展开月球居住舱研究进展

2.1 卧式圆柱形柔性可展开月球居住舱

进入21 世纪，NASA 将柔性可展开太空舱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柔性可展开太空舱和星球基地的新概念柔性可展开舱论证。美国月球基地建造小组根据Area V 火箭的载荷情况设计的卧式圆柱形柔性可展开月球居住舱[18]，结构如图5 所示。该模型尺寸高约3m，折叠状态时长度约5.2m。展开后长度约10m，折展比接近2︰1，适合身高1.62~1.75m的航天员使用。卧式圆柱形柔性可展开月球居住舱两端为刚性端盖，柔性可展开结构位于中部，同样是由多层不同功能的柔性复合材料构成：内胆层、增强层、热防护层和微流星体防护层。这种柔性可展开月球舱采用Z 型折叠方式，柔性部分折叠后装载于两个端盖之内，如图6 所示。

图5 卧式圆柱形月球居住舱组成Fig.5 Composition of Horizontal cylindrical-shaped inflatable lunar module

图6 卧式圆柱形月球舱折叠/展开尺寸Fig.6 The pack and unfold dimensions of horizontal cylindrical-shaped lunar module

2.2 旋转椭圆体柔性可展开月球居住舱

旋转椭圆体柔性可展开月球居住舱是由NASA Johnson Space Center 的LSS Habitation Lead 小组设计[19]，如图7 所示。两个扁圆形柔性可展开月球居住舱单元是该月球基地的重要组成部分，一个用于居住舱，另外一个用于实验舱，舱体直径8.5m，长度3.6m，体积约174m3，可居住4 名航天员。若再增加一个78m3的圆柱型柔性可展开月球居住舱后勤保障舱，整个LS1 型柔性可展开月球基地可满足4 名航天员执行180 天的月球探测任务需求。柔性可展开月球居住舱体四周有三个接口，一个接口连接气闸舱，另两个接口可与其他单元连接。未来月球基地可以由多个这种不同功能的单元连接而成，将为航天员提供集生活、工作和科研于一体的大型月球居住基地。

图7 旋转椭圆体月球基地月球舱Fig.7 The ellipsoid moon module of lunar base

旋转椭圆体柔性可展开月球居住舱单元为环形结构，中心有一刚性结构“心轴”。该设计概念来源于TransHab 太空舱结构。其内部心轴由横板和纵梁组成，纵梁顶端和底部分别布置有隔离壁。柔性可展开蒙皮设计与TransHab 太空舱类似。对接口和舱口作为地板系统的一部分，连接于结构中心。蒙皮围绕对接口和舱口周围并包装折叠于结构中心，飞船运输过程中附有保护罩，并与着陆舱连接。充气展开时，中心部件即可随之展开，具体展开过程如图8。

图8 旋转椭圆体居住舱展开过程Fig.8 Expansion process of ellipsoid space inflatable capsule

图9 SICSA/ILC-Dover月球舱概念Fig.9 SICSA/ILC-Dover lunar module concept

2.3 最小功能月球居住舱

柔性可展开月球基地概念2000年就开始论证，NASA联合ILC-Dover 公司，希望采用柔性可展开结构技术来实现月球基地方案。NASA 的Johnson Space Center （JSC）实验室为了更深入地进行月球和火星探测，一直致力于将柔性可展开结构技术应用于宇宙移民基地，率先提出了柔性可展开组合结构概念。柔性可展开月球基地是由柔性可展开膜结构与空间可展开梁组成，利用柔性可展开膜可折叠结构特点开展月球基地的设计研制工作。

为满足短期月球探测任务需求，休斯顿大学建筑学院的研究组织（Sasakawa International Center for Space Architecture，SICSA）引入了最小功能月球舱单元概念[19-21]，如图9 所示。最小功能月球舱单元其结构特点是底端为刚性结构，上端为柔性的柔性可展开太空舱体。

3 柔性可展开太空舱关键技术

梳理柔性可展开太空舱的发展历程及关键技术，可为我国未来载人登月和深空探测航天器设计提供借鉴。柔性可展开太空舱关键技术有以下5个方面。

3.1 系统设计

柔性可展开太空舱的材料体系和刚性太空舱有质的区别，相对于刚性太空舱需要考虑更多的约束条件和特殊问题，需要采用新的设计方法[22-24]，如：需要考虑柔性材料的几何非线性特征，研究展开前后的结构初始形态，充气成型工艺及密封工艺。因此，需要深入研究柔性可展开太空舱的总体论证、结构设计和总体方案，明确技术指标以及技术要求，确定柔性可展开太空舱的设计方案，开展关键技术的研究工作。

系统设计技术主要针对当前柔性可展开太空舱体结构的任务需求，开展具体结构构型设计、舱体内部布局设计、刚柔连接设计、气密设计等内容，突破并掌握柔性可展开太空舱结构的相关技术及设计方法，为将来大型、多用途柔性可展开太空舱结构设计及其设计准则的建立提供一套初步的设计依据和参考。

根据空间环境适应性要求和柔性太空舱系统设计特点，柔性可展开太空舱总体设计要求：体积/实用面积比小；材料轻量化；舱体可扩展；模块化组装；安全可靠性高；舱外活动少；建造时间短；建造工艺简单[3]。

3.2 多功能蒙皮设计[3,17,24-27]

多功能蒙皮设计制作与选型是柔性可展开太空舱结构研制的关键环节。从蒙皮材料的使用角度及所处空间环境考虑，要求选择密度小、柔软、耐高温、抗辐射、气密性好和易刚化等特点的材料。

柔性可展开太空舱一般用于大型长期在轨飞行的轨道空间站或月球居住地，依据使用环境通常选用高性能复合材料作为多功能蒙皮主体材料，通常由多层柔性复合材料（如薄膜或织物）构成：气密层（或气体阻隔层）、增强层（或结构层、限制层）、微流星体/轨道碎片防护层和防辐射层，以及多层隔热层。根据任务性质和周期长短，可以自由地增减某些功能层，以满足具体任务需求。太空舱防护结构材料的选择需要综合考虑材料力学性能、密度、可展开性能以及材料的成熟度和费效比等因素[3]。

多功能复合材料蒙皮是柔性可展开太空舱在宇宙空间能够生存并且保持长寿命的基础。只有突破多功能蒙皮设计制作技术，才能实现柔性可展开太空舱的工程化应用。综合调研结果总结出目前国内外柔性蒙皮材料各功能体系如表1 所示。

表1 柔性可展开太空舱体蒙皮体系各功能层[3]Tab.1 Functional layers of space Inflatable capsule skin system

3.3 舱体折叠与展开控制技术研究

柔性可展开太空舱的折叠和展开技术旨在提高太空舱发射过程的折叠效率和保证在柔性可展开的可靠性。折叠展开方式、充气方式及充气顺序、折叠的紧凑性以及折叠展开的精度和可靠性是折叠与展开技术研究的重点。

折叠设计方面，主要是针对舱体结构的几何特点，设计更小收拢体积的折叠方式。目前柔性可展开结构比较成熟的折叠方式是Z 型折叠和卷曲折叠；同时国外也在研究仿生折叠设计、多边形折叠设计。Z 型折叠技术是目前应用最为广泛的柔性可展开折叠技术，尤其是对于载人航天器太空舱结构，美国Bigelow公司的BEAM 舱就是采用Z 型折叠技术。该技术主要是舱体直径不变、沿舱体轴线方向折叠。Z 型折叠结构在真空环境下展开过程中需要克服折叠层间的接触摩擦力。

柔性可展开太空舱蒙皮材料通常采用功能承载一体化设计，需要考虑折叠方式对蒙皮材料损伤和密封性的影响。保证柔性可展开太空舱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。柔性可展开太空舱折叠设计与展开控制、刚化设计是密不可分，折叠机构要和展开锁紧机构一起设计，保证折叠展开机构的结构的紧凑。

折叠展开仿真分析是该领域的一个重要研究方向，通常采用有限元仿真分析和多体动力学软件对柔性可展开太空舱从折叠状态到完全展开过程进行仿真，考虑刚柔耦合因素的影响对折叠展开顺滑的影响，分析蒙皮和骨架刚度强度是否符合指标要求，分析残余气体、不同材料参数、边界条件、充气速率、模型尺寸对展开过程影响。

3.4 舱体刚化技术研究[3,22]

刚化技术是保证柔性可展开太空舱在零内压状态下保形能力及抗变形能力的决定性技术。虽然目前已经研究多种可用于柔性可展开太空舱的刚化技术，主要是针对小空腔结构，而适合柔性可展开太空舱这种大型空腔结构的刚化技术适应性极为有限。此外选择何种刚化技术不但会影响柔性可展开太空舱结构整体设计，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，柔性可展开太空舱的在轨刚化技术也是一项亟待解决的关键技术。

柔性可展开太空舱结构刚化是指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。对于柔性可展开太空舱，气体内压作用下在舱体蒙皮上产生的面内应力足以使舱体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，通常不需要额外手段实现刚化。

柔性可展开太空舱舱体刚化之后具有承载和维型功能；同时具有高柔性，方便高效折叠包装；在室温条件下储存寿命长；热稳定性好，热膨胀系数接近为零；能抵御恶劣的空间环境；充气硬化过程中的形状易控制。

3.5 地面试验验证技术

柔性可展开太空舱暴露于在轨空间环境中，要经历长期的原子氧、高低温交变、紫外线辐射、微流星体或空间碎片撞击等恶劣环境。柔性可展开太空舱研制过程中要充分识别空间环境引起的风险，通过相关的试验验证其整个生命周期的安全性和可靠性。由于柔性可展开太空舱和刚性太空舱承载和防护机理有着明显差别，针对这种新型的航天器常规的航天器试验方法不一定适用，要改进原有的试验方法；另外针对验证柔性可展开太空舱一些特殊性能开展专门试验。柔性可展开太空舱试验常规项目有气密性试验、耐压试验、展开试验、刚化试验，还包括高低温交变、宇宙射线、微流星体和空间碎片撞击、毒性、寿命等多种试验。

依据相关报告，NASA 对Transhab 太空舱采用的柔性纤维材料进行了力学、高速冲击、高低温交变、微流星体或空间碎片撞击、宇宙辐射、气密性、耐压、展开、刚化、毒性、寿命等多种综合性能试验，建立了柔性可展开太空舱简单有效的试验方法与技术，建立了相应的试验准则与标准规范，实现了针对柔性可展开太空舱柔性蒙皮材料的标准化测试与评估。

柔性可展开太空舱型面精测也是研究的重点方向之一，目前主要采用非接触式扫描测量技术对柔性薄膜结构进行测量。大面积柔性薄膜柔性可展开机理复杂，具有瞬时、随机及非线性等特点，因此需要研究大面积薄膜结构的标定方法、测量方法和测量数据处理方法，设计专用测量工装，实现柔性可展开形状精度的有效测取。

4 柔性可展开太空舱应用展望

随着人类对太空探索逐步深入，对长期有人驻留、短期出舱活动、星际转移的大尺寸太空舱体的需求更加迫切，集工作、起居、饮食、锻炼、娱乐、私人空间于一体的多功能大型柔性可展开太空舱成为一种趋势。柔性可展开太空舱将被广泛应用于新一代天地往返系统、新一代空间站、外星基地建设、太空酒店、星际旅行等。

特别是未来的月球基地、行星居留舱、火星基地建设，由于基地内部需要较大的活动空间，为了节约建造和发射成本，柔性可展开太空舱的舱段将会是理想的基地建造选择。以火星基地为例，由于火星距离地球遥远，再加上运载火箭和运输飞船的燃料和容积的限制，向火星运送的舱段的体积和质量受限，为了建造尽可能大容积的基地，必然需要使用柔性可展开太空舱。

本着节约发射成本和提高经济效益的原则，未来发展商业太空旅游也必然选择柔性可展开太空舱。柔性可展开太空舱相对于金属舱成本更低，容积更大，建造时间更短、使得居住环境更加舒适。

综上所述，柔性可展开太空舱应用前景非常广阔，我国该领域涉及的关键技术亟需尽早开展相应研究，以储备相关领域的技术，实现我国载人航天及深空探测的可持续发展。