徐 彥，鄭 耀，關(guān)富玲

(1.浙江大學(xué)航空航天學(xué)院，浙江，杭州310027;2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江，杭州310058)

1 引言

月球基地建設(shè)是人類移民外太空的重要一步。近年來，美國、中國、歐洲、俄羅斯、日本和印度等都紛紛制定新的探月工程計(jì)劃，致力于發(fā)展月球探測(cè)的新技術(shù)［1］。人類對(duì)月球的探測(cè)活動(dòng)，可以劃分為探、登、駐(住)三個(gè)階段:探是指對(duì)月球情況進(jìn)行近距離或有接觸的無人探測(cè);登是指人登上月球，與月球直接接觸，進(jìn)行有人直接操作的探測(cè);駐(住)分兩個(gè)層次:一是駐，即人攜帶設(shè)備登陸月球后很快返回，設(shè)備儀器長期駐留月球開展探測(cè)活動(dòng);二是住，即人在月球上長期居住和工作［2］。由于月面環(huán)境的極端惡劣，包括高度真空，缺少水分，隕石沖擊，微重力(0.18 g)，惡劣的溫度循環(huán)變化和輻射暴露［3］，設(shè)計(jì)和建造月球基地將面對(duì)很多挑戰(zhàn)。應(yīng)用于月球基地建設(shè)的典型結(jié)構(gòu)體系有:充氣結(jié)構(gòu)、剛性展開結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)工程等［4-5］。充氣結(jié)構(gòu)是其中最可行的方案之一，它具有高體積/重量比、高折疊率、不需要月球表面的材料和二次輻射危害少等優(yōu)點(diǎn)［1］。

充氣式月球基地概念已經(jīng)討論了很久，美國NASA聯(lián)合ILC公司，希望利用充氣結(jié)構(gòu)技術(shù)使月球基地方案變成現(xiàn)實(shí)。ILC公司在宇航員艙外服和火星著陸減速氣囊等方面廣泛利用柔性織物［7］。美國 NASA 的 Johnson Space Center(JSC)實(shí)驗(yàn)室為了更深入地進(jìn)行月球和火星探測(cè)，一直致力于將充氣展開技術(shù)應(yīng)用于宇宙移民地的建設(shè)，提出了充氣式月球基地概念［8］，如圖1所示;在研究居住單元的裝載和展開技術(shù)基礎(chǔ)上，于1998年研制了直徑為35英尺的Transhab實(shí)驗(yàn)單元實(shí)驗(yàn)室模型，如圖2所示［9］。近年來，不斷將新技術(shù)(如3D打印技術(shù))應(yīng)用于月球基地的構(gòu)建中［10］，采用月面當(dāng)?shù)夭牧虾驼归_結(jié)構(gòu)相結(jié)合的形式，通過月壤的微波燒結(jié)形成輻射和微小隕石撞擊的防護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖1 充氣式月球基地結(jié)構(gòu)概念Fig.1 Inflatable lunar habitat structure concept

圖2 Transhab實(shí)驗(yàn)單元Fig.2 Transhab experimental element

美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)和NASA、ILC公司等合作，在南極的極端環(huán)境下開展了雙層墻充氣結(jié)構(gòu)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)［11］，如圖3所示。Bigelow公司在美國北拉斯維加斯研究建造了超過50英畝的空間棲息地，并已經(jīng)在2006-2007年分別進(jìn)行了兩個(gè)居住艙模塊Genesis I和Genesis II的空間實(shí)驗(yàn)［12］，目前還在工作，該實(shí)驗(yàn)積累了大量充氣結(jié)構(gòu)長期服役的數(shù)據(jù)。

圖3 在南極的充氣結(jié)構(gòu)測(cè)試實(shí)驗(yàn)Fig.3 Experiment of inflatable structures in Antarctica

國外對(duì)充氣式月球基地的防護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，包括其結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、熱防護(hù)系統(tǒng)、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地面測(cè)試技術(shù)等方面［13］，取得了一定的成果，但距離工程實(shí)踐還存在較大差距，有必要?dú)w納技術(shù)發(fā)展歷程和展望發(fā)展方向，為實(shí)現(xiàn)充氣式月球基地提供技術(shù)支撐。

2 月球基地的發(fā)展歷程

科學(xué)家們對(duì)月球基地的發(fā)展提出了各種各樣的想法和建議，最典型的是將整個(gè)發(fā)展過程分為六個(gè)階段［14］。先建機(jī)器人基地，用機(jī)器人“開路”;而后是初級(jí)基地，航天員居住艙能到各地進(jìn)行探測(cè)和考察;再后是中級(jí)月球基地，它由若干個(gè)空間站艙組成，艙體之間由接口艙連接在一起，都埋在地表以下;接下來是高級(jí)月球基地，它可以建在月球的熔洞內(nèi)，也可以用鋼筋混凝土建在地下，混凝土是用月球上的巖石經(jīng)開采和加工混合而成;隨后是月球工廠，月球工廠除開采月球礦物以外，還要負(fù)責(zé)生產(chǎn)一些重型設(shè)備。這些設(shè)備除供應(yīng)月球移民區(qū)的建設(shè)外，還供應(yīng)太陽系其它行星和天體的開發(fā)之用;最后是月球移民區(qū)，這也是最核心的階段，該階段將形成一個(gè)超大規(guī)模的月球基地網(wǎng)，成為人類在月球上的一個(gè)永久性的定居點(diǎn)。月球基地結(jié)構(gòu)體系可以劃分為以下幾種形式［15］:

1)按時(shí)間劃分，可分為臨時(shí)性基地、半永久性基地和永久性基地;

2)按活動(dòng)性劃分，可分為活動(dòng)基地和固定基地;

3)按位置劃分，可分為地上基地、半地下基地、地下基地和月球溶洞基地;

4)按建設(shè)規(guī)模劃分，可分為小型基地、中型基地、大型基地和超大型基地;

5)按建筑材料劃分，可以分為充氣式基地和硬結(jié)構(gòu)式基地。

在以往的研究中，已經(jīng)提出很多關(guān)于月球基地的結(jié)構(gòu)體系，包括充氣式、金屬框架式或剛性塑料預(yù)制構(gòu)件式及復(fù)合式，各種結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)簡介如下:

1)枕狀充氣式月球基地［16］。防護(hù)結(jié)構(gòu)由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)成，外部加載了土被進(jìn)行防護(hù)。和傳統(tǒng)的球狀膨脹式結(jié)構(gòu)體系相比，能使宇航員居住面積最大化，并具有能耐壓和伸長的特性，以及良好的吸光性和持久性。

2)承壓的薄膜狀結(jié)構(gòu)月球基地［17］。它由充滿結(jié)構(gòu)型的泡沫材料組成，內(nèi)部材料能相互擠壓展開，圓環(huán)形地基能適應(yīng)不同情況的壓力環(huán)境。

3)裝配式的月球基地［18］。采用不同幾何學(xué)配置的八位元三維空間設(shè)計(jì)理念，且各位元是捆綁在一起的，既能做砌塊又能做月臺(tái)擴(kuò)充結(jié)構(gòu)的空間框架單元。

4)混凝土式的月球基地［19］。采用月球的天然資源材料作為基地的基礎(chǔ)材料結(jié)構(gòu)以及防護(hù)物，以硫磺取代水作為混凝土材料的粘合物，由機(jī)器人采取分層式的建造模式。

5)移動(dòng)式月球基地［17］。有可移動(dòng)式的永久性、半永久性月球基地兩種形式，可根據(jù)任務(wù)條件和危險(xiǎn)情況進(jìn)行隨處移動(dòng)。

6)熔巖管道式月球基地［20］?；匚挥谠卤硪韵?，比較適合作為“前哨戰(zhàn)”，安全和可靠性比較好，不僅保溫性能好，而且還可以有效防護(hù)航天員不受宇宙輻射和微隕石雨的傷害，是基地建設(shè)的長遠(yuǎn)發(fā)展途徑。

月球基地的結(jié)構(gòu)體系概念必須從不同的角度去滿足使用功能。為了減少來自太陽的輻射和隕石的撞擊，月球基地的表面結(jié)構(gòu)應(yīng)該既有承載功能又有防護(hù)功能。最常用的方法是將很厚的月壤土層覆蓋在結(jié)構(gòu)的外部。這給施工過程帶來了挑戰(zhàn)，對(duì)于進(jìn)出艙體也帶來了一定的困難。所以在結(jié)構(gòu)體系確定和詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用合適的防護(hù)技術(shù)。

3 防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1 總體設(shè)計(jì)要求

月球基地防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以從軌道居住艙的經(jīng)驗(yàn)中獲得很多技術(shù)儲(chǔ)備，但是還需要考慮更多的約束條件和特殊問題。

首先，軌道居住艙由于不處于范愛倫輻射帶上，避免了大量的太陽和宇宙輻射。但是在月面上月球基地暴露在太陽和宇宙輻射中，因此月球基地首先要求具備必要的宇宙輻射防護(hù)設(shè)施。其次，月面上的溫度循環(huán)對(duì)建筑材料來說是重要的環(huán)境影響因素。同樣需要考慮微小隕石碰撞，雖然大多數(shù)輻射/溫度防護(hù)系統(tǒng)同時(shí)提供了對(duì)微小隕石碰撞的防護(hù)［3］。

對(duì)月球基地結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)要求是:體積-實(shí)用面積比小，輕質(zhì)化，可擴(kuò)展，裝配工作量小，模塊化，耐久性能好，安全可靠，最少的艙外活動(dòng)、最短的建造時(shí)間，適當(dāng)建筑設(shè)備和工藝。

所以為了滿足這些總體設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要進(jìn)行常規(guī)的強(qiáng)度、剛度、疲勞、展開機(jī)構(gòu)和構(gòu)件連接的分析和設(shè)計(jì)，還要進(jìn)行循環(huán)熱載荷作用下的防護(hù)設(shè)計(jì)、沖擊防護(hù)設(shè)計(jì)等，并需要在常規(guī)工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，發(fā)展合適的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

和地球表面建筑相比，由于月球的特殊環(huán)境，在月球基地的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工過程中應(yīng)該考慮很多特殊問題［21］:

1)安全和可靠度。對(duì)于任何工程而言，人的安全和容許接受的最低風(fēng)險(xiǎn)是應(yīng)該首先考慮到的。最低的風(fēng)險(xiǎn)意味著結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備，當(dāng)其它所有構(gòu)件破壞后，居民可以輕易的從結(jié)構(gòu)中逃生。安全因素原本是為在地球上設(shè)計(jì)和施工的不確定性而考慮的，毋庸置疑，在月球的環(huán)境下是需要調(diào)整的，至于向上或向下調(diào)整取決于人的觀察和承受風(fēng)險(xiǎn)的容忍力。

2)微重力場。月球表面的重力場為1/6 g，總的來說，對(duì)于一個(gè)給定的結(jié)構(gòu)而言，在月球上的承載力是地球上承載力的6倍。因此，為了最大的利用材料，在進(jìn)行月球基地的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該使用質(zhì)量計(jì)算準(zhǔn)則而不是重力計(jì)算準(zhǔn)則。在月球重力場的環(huán)境下，考慮恒荷載和活荷載的問題。

3)內(nèi)部空氣壓力。月球基地的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是一個(gè)封閉的生物圈，在一個(gè)封閉的環(huán)境下施加壓力，并且內(nèi)部的壓力應(yīng)該是103，500 Pa，維護(hù)結(jié)構(gòu)必須包含本壓力，從而可以抵抗由于自然界和事故引起的災(zāi)難。

4)真空環(huán)境。真空環(huán)境對(duì)于露在外面的鋼筋、合金及其它的高級(jí)材料性能的影響以及對(duì)于暴露在外部的結(jié)構(gòu)、材料的疲勞性能與月球上氣溫交替的關(guān)系都需要進(jìn)一步研究。

5)浮塵。在月球的表面懸浮和分布著大量的浮塵。這些浮塵可以吸附在所有物體的表面，因此對(duì)于施工的裝置具有非常大的危害。

6)防護(hù)結(jié)構(gòu)。增加防護(hù)結(jié)構(gòu)的最初考慮是抵抗來自月球表面的惡劣環(huán)境:例如來自太陽和紫外線的輻射、隕石的沖擊、極端的氣候變化。防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮同一個(gè)構(gòu)件的不同部分對(duì)于溫度的靈敏性，以及超低溫度的影響和材料的脆性破壞;同時(shí)還需考慮由于小隕石的沖擊而引起新的破壞類型。

月球基地一般由若干個(gè)艙體組成，有必要進(jìn)行不同艙體區(qū)塊的概念及功能設(shè)計(jì)［22］。機(jī)組操作區(qū)包括基本的宇航員生活，例如睡覺、吃飯、衛(wèi)生設(shè)施。艙外活動(dòng)操作區(qū)應(yīng)擁有額外的艙外活動(dòng)能力和冗余的氣閘室功能，例如冗余氣閘室、宇航服保持、備品裝載和宇航服裝載。后勤操作區(qū)包括整個(gè)服役期的增強(qiáng)居住，例如閉環(huán)生命保障系統(tǒng)硬件、消費(fèi)品裝載、備品裝載、和其他居住單元的連接設(shè)備。

另外還需要研究月球基地的效率和適居性之間的平衡［23］，從空間分配、表面積、總體積和區(qū)塊體積等方面進(jìn)行分析，建立空間效率(工程造價(jià))和適居性(舒適度和生產(chǎn)率)之間的基本關(guān)系，尋找適用于月球基地設(shè)計(jì)的臨界平衡。

3.3 設(shè)計(jì)方法

充氣式月球基地由于其服役環(huán)境和性能需求的特殊性，防護(hù)結(jié)構(gòu)需要研究新的設(shè)計(jì)方法，主要包括:

1)月球基地選址和月面環(huán)境研究，明確重力場、熱、浮塵、輻射和微小隕石撞擊等;

2)月球基地功能分區(qū)設(shè)計(jì)，確定居住艙體幾何拓?fù)?、整體尺寸和內(nèi)部使用空間;

3)月球基地初始形態(tài)設(shè)計(jì)，考慮柔性結(jié)構(gòu)的幾何非線性，分析合適的內(nèi)部充氣氣壓和充氣前的結(jié)構(gòu)初始形態(tài);

4)防護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，包括強(qiáng)度分析、剛度分析、熱力耦合分析、撞擊響應(yīng)分析、疲勞分析和展開動(dòng)力學(xué)分析等;

5)防護(hù)結(jié)構(gòu)的閉合設(shè)計(jì)，在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行閉合設(shè)計(jì)，確定合適的材料類型和幾何參數(shù)，確保所有性能參數(shù)都在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi);

6)工藝設(shè)計(jì)，包括充氣成型工藝、氣腔密封工藝和月球基地施工工藝等。

4 柔性熱防護(hù)技術(shù)

對(duì)月面充氣結(jié)構(gòu)來說惡劣的熱環(huán)境是最重要的外部環(huán)境要素之一。月球表面溫度變化幅度很大，從小于 -173℃(暗邊)到127℃(臨近日下點(diǎn));月球赤道附近的熱環(huán)境會(huì)在一個(gè)月球日(28個(gè)地球日)的過程中發(fā)生一次循環(huán)變化，這種變化容易使結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形和材料發(fā)生熱疲勞。此外，在進(jìn)入照射區(qū)和進(jìn)入陰影區(qū)的兩個(gè)過程，月面建筑所受的外熱流急劇變化，容易引起熱致振動(dòng)［24］。為了避免溫度循環(huán)對(duì)月球基地的不利影響，也有建議將月面建筑選址在月極上［25］。不幸的是，這個(gè)月面上熱流最平穩(wěn)的區(qū)域也是月面上最寒冷的區(qū)域，而且由于太陽一直出現(xiàn)在月極的地平線上，月面建筑的一側(cè)被太陽照射，而其他陰影區(qū)溫度將很低。為了創(chuàng)造適合宇航員居住的人工環(huán)境，保持操作艙和電子設(shè)備的溫度在可以接受的范圍內(nèi)，非常有必要設(shè)計(jì)月面充氣結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)系統(tǒng)。

由于充氣式月球基地的可折疊和展開特性，一般采用柔性熱防護(hù)系統(tǒng)(FTPS)，如圖4所示［26］。柔性熱防護(hù)系統(tǒng)由柔性層合薄膜材料構(gòu)成，包括:防熱層、隔熱層、阻氣層，每一層又由多層薄膜組成。美國NASA Langley研究中心對(duì)充氣阻尼式再入飛行器PAIDAE進(jìn)行MLI熱防護(hù)研究［27］，充分利用“貨架產(chǎn)品”(0ff the shelf)，使用成熟的商業(yè)產(chǎn)品研制多種柔性防熱材料試樣，并進(jìn)行了熱防護(hù)試驗(yàn)。柔性熱防護(hù)系統(tǒng)研究主要集中在材料熱性能測(cè)試，此外還包括可折疊性能和熱傳導(dǎo)性能、機(jī)械張拉性能、防隕石碰撞性能等測(cè)試。Del Corso等［28］綜述了近年來柔性熱防護(hù)系統(tǒng)的試驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)方法、熱分析方法和結(jié)果。

現(xiàn)有的柔性熱防護(hù)系統(tǒng)性能研究主要針對(duì)充氣式再入錐［29］，目前大多采用試驗(yàn)手段，研究層合薄膜在氣動(dòng)力/熱作用下的服役性能［30］。限于試驗(yàn)條件的限制，針對(duì)柔性熱防護(hù)系統(tǒng)整體的試驗(yàn)還很少?，F(xiàn)有的數(shù)值分析研究相對(duì)較簡單，采用順序求解框架［31］，按照氣動(dòng)熱分析-傳熱分析-結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析-材料選擇的順序進(jìn)行數(shù)值模擬，沒有考慮其中的流-固-熱耦合效應(yīng)。針對(duì)月球基地的柔性熱防護(hù)系統(tǒng)的性能研究也很少，在層合薄膜材料設(shè)計(jì)等方面可以借鑒充氣式再入錐的研究成果。

圖4 柔性熱防護(hù)系統(tǒng)Fig.4 Flexible thermal protection system

層合薄膜是熱防護(hù)系統(tǒng)的隔熱結(jié)構(gòu)，也是月球基地的承載構(gòu)件。柔性熱防護(hù)系統(tǒng)中層合薄膜的傳熱和熱力學(xué)研究引起了廣泛關(guān)注，現(xiàn)有的研究大多基于一維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型［32-34］，考慮相互并列的導(dǎo)熱、輻射兩條傳熱途徑。這些一維傳熱模型及對(duì)應(yīng)的數(shù)值算法，即“點(diǎn)”設(shè)計(jì)方法，不能完全真實(shí)地反映熱防護(hù)實(shí)際三維結(jié)構(gòu)的溫度分布，也不能考慮由于結(jié)構(gòu)大尺寸引起的表面熱流分布不均的影響。

層合薄膜現(xiàn)有的一維分析模型，不能解決自遮擋問題和準(zhǔn)確地分析加強(qiáng)索對(duì)結(jié)構(gòu)整體的熱力性能的影響?，F(xiàn)有的柔性熱防護(hù)性能分析模型大多采用順序分析框架，無法準(zhǔn)確地模擬耦合效應(yīng)。為了更好地預(yù)測(cè)柔性熱防護(hù)系統(tǒng)的服役行為及評(píng)估其服役性能，有必要進(jìn)行柔性熱防護(hù)系統(tǒng)的分析模型、工作機(jī)理和防熱/承載性能研究。

前述的柔性熱防護(hù)系統(tǒng)屬于被動(dòng)熱控，也有人嘗試將屬于主動(dòng)熱控的蛇形蒸發(fā)器用于月球基地的熱防護(hù)中［35］，但現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案中蒸發(fā)器的質(zhì)量仍然較大，如何實(shí)現(xiàn)其輕質(zhì)化設(shè)計(jì)以適用于充氣式月球基地還有待研究。

柔性熱防護(hù)系統(tǒng)和承載/防沖擊系統(tǒng)結(jié)合在一起，構(gòu)成充氣式月球基地的防護(hù)系統(tǒng)［36］，如圖5所示。承載/防沖擊系統(tǒng)由 Kevlar(凱夫拉)、Nextel等高強(qiáng)纖維復(fù)合材料和鋼墊片構(gòu)成，而圖中的多層隔熱結(jié)構(gòu)由單層鋁箔和Kapton層合薄膜、多層鋁箔和Kapton層合薄膜、滌綸網(wǎng)間隔層等構(gòu)成。

圖5 充氣式月球基地的防護(hù)系統(tǒng)方案Fig.5 Protection system scheme of inflatable lunar habitat

5 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)

5.1 健康監(jiān)測(cè)需求分析

對(duì)于所有載人航天器而言，保證宇航員的安全性是最主要的。有效地監(jiān)控結(jié)構(gòu)受到的沖擊破壞，并迅速精確地將沖擊破壞的分布和程度反饋給宇航員是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首當(dāng)其沖的任務(wù)。沖擊破壞包括高速粒子(比如微型流星)造成的沖擊［37］，以及由于宇航員和太空車在結(jié)構(gòu)內(nèi)部或者外部活動(dòng)造成的緩慢移動(dòng)沖擊。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求能夠識(shí)別每次沖擊的時(shí)間、位置分布、貫穿深度和造成傷害的程度范圍，并告知宇航員是否需要迅速地做出反應(yīng)。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的另一項(xiàng)要求即不同界面的結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)，尤其是剛性材料和柔性材料的交接界面。絕大多數(shù)的基地設(shè)計(jì)方案中都包含了柔性和剛性構(gòu)件，其中柔性構(gòu)件包括氣囊薄膜、纖維約束層等;剛性構(gòu)件包括金屬隔板、氣閘、窗戶等。這些柔性和剛性材料的交接界面以及結(jié)構(gòu)特性的突變情況很難被建模和分析［38］。因此，通過接觸界面兩側(cè)的內(nèi)置傳感器對(duì)相應(yīng)的物理量進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，對(duì)于驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性就顯得尤為重要。

還有一些結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的需求，對(duì)于保障長期任務(wù)中宇航員的安全不甚重要，卻是成功建造充氣式月球基地的關(guān)鍵。比如這些基地必須在宇航員登月之前完成發(fā)射、著陸和展開，在此過程中，動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)能夠確保充氣展開過程平穩(wěn)。監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的最終尺寸和基地形狀，因此也被考慮為結(jié)構(gòu)健康管理系統(tǒng)的可能任務(wù)。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠讓地面工作人員利用嵌入式的傳感器網(wǎng)絡(luò)和船載攝像頭確認(rèn)整個(gè)基地構(gòu)建情況正常，在這之后才能進(jìn)行載人登月。基于集成驅(qū)動(dòng)器的調(diào)節(jié)能力，如果在展開過程中發(fā)生問題［39］，使得結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)需要進(jìn)行形狀或構(gòu)型的調(diào)整。鑒于充氣式月球基地獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案、材料特性和監(jiān)測(cè)需求，要求有新的系統(tǒng)構(gòu)成和監(jiān)測(cè)手段來滿足其工程應(yīng)用需求。

5.2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

之前大多數(shù)宇航結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)都是針對(duì)剛性結(jié)構(gòu)發(fā)展而來［40］，對(duì)此類結(jié)構(gòu)來說，傳感器的集成和裝配不是顯著的問題。不管是數(shù)據(jù)傳輸還是供能分配的有線電纜和光纖布線，都能適用于大量的航空電子子系統(tǒng)。

如果在充氣式月球基地結(jié)構(gòu)中采用傳統(tǒng)技術(shù)(如黏貼式應(yīng)變計(jì)和光纖傳感器)，有線電纜和光纖必須在裝載包裝之前安裝好(且在折疊和展開過程中必須保持完整)，或者在整個(gè)展開過程結(jié)束之后再進(jìn)行安裝［41］。后者將會(huì)增加展開過程的復(fù)雜性和人力投入，且只有在電纜光纖安裝好之后，才能啟用傳感器。這就意味著這一部分傳感器不能用于展開過程中的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)技術(shù)中，龐大數(shù)量的分散式節(jié)點(diǎn)傳感器，在供能和數(shù)據(jù)采集方面也帶來巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

充氣式月球基地的健康檢測(cè)系統(tǒng)將綜合使用無線點(diǎn)式傳感器和嵌入式彈性傳感器，彈性傳感技術(shù)可用于監(jiān)測(cè)沖擊傷害或者大面積應(yīng)變監(jiān)測(cè)，而無線點(diǎn)式傳感器更適用于無需大面積覆蓋監(jiān)測(cè)的情況，例如撞擊監(jiān)測(cè)(通過加速計(jì))或者泄漏檢測(cè)(通過超聲波和聲學(xué)傳感器)。

對(duì)于分散式傳感器系統(tǒng)，綜合考慮能源分布、產(chǎn)能和儲(chǔ)能，可以發(fā)現(xiàn):傳統(tǒng)的有線電力分布系統(tǒng)由于其龐大的導(dǎo)線導(dǎo)體、連接器、功率轉(zhuǎn)換設(shè)備和故障檢測(cè)線路，占據(jù)了月球基地的很大的質(zhì)量百分比。當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用低能耗分散式節(jié)點(diǎn)時(shí)，也要重新考慮相應(yīng)的設(shè)計(jì)概念。比如每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用低壓供電，就可以取消節(jié)點(diǎn)上的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備;在某一個(gè)遙控節(jié)點(diǎn)采用電池或者電容儲(chǔ)能裝置，就能減少某些電源的實(shí)時(shí)電流要求，從而減少有線電纜光纖和故障檢測(cè)線路的規(guī)模。

在充氣式月球基地結(jié)構(gòu)中安裝這類傳感器時(shí)，要保障傳感器在展開前后保持位置不變且不能干擾展開，還有一些待解決的問題，比如安裝固定點(diǎn)引起的應(yīng)變集中、黏貼或者其他連接技術(shù)改變了基層物質(zhì)特性，都對(duì)結(jié)構(gòu)本身有一定的損傷和影響。規(guī)避以上問題的一個(gè)方法就是采用某種多功能的材料，在分層之間整合或者嵌入式彈性材料傳感器和相關(guān)電子設(shè)備，用于數(shù)據(jù)采集和處理。

5.3 相關(guān)算法研究

針對(duì)充氣式月球基地的沖擊分析，需要考慮風(fēng)化土防護(hù)層和氣壓引起的預(yù)應(yīng)力剛度，沖擊荷載為作用在膜面上的移動(dòng)沖擊力，利用非線性有限元技術(shù)研究其動(dòng)力響應(yīng)分析［42］。因?yàn)樵旅嫒鄙倏諝?，?nèi)部氣壓對(duì)于任何的月面建筑來說是必不可少的，然而這將提高結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力剛度，影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)。建筑材料盡可能利用月球當(dāng)?shù)氐牟牧?，例如風(fēng)化土可以用于輻射、溫度和沖擊的防護(hù)，同時(shí)也增加了整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，大大影響了結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。

基于加速度傳感器陣和無線傳感技術(shù)，對(duì)充氣式月球建筑的微小隕石撞擊進(jìn)行監(jiān)測(cè)［43］，目的在于使得健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠識(shí)別每次沖擊的時(shí)間、位置分布、貫穿深度和造成傷害的程度。通過檢測(cè)從撞擊點(diǎn)傳出的表面波，基于小波分析研究撞擊定位算法和撞擊強(qiáng)度算法。

6 地面測(cè)試技術(shù)

國外學(xué)者已經(jīng)對(duì)充氣式月球基地進(jìn)行了一系列性能測(cè)試，主要包括:材料性能測(cè)試、展開過程測(cè)試、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、區(qū)塊功能測(cè)試、防護(hù)系統(tǒng)性能測(cè)試等［44］。

ILC公司設(shè)計(jì)并測(cè)試了一個(gè)圓柱體的充氣式月球基地居住單元［45］，包括兩個(gè)剛性端頭和中間柔性可展開部件，柔性部件可折疊包裝在剛性端頭內(nèi)，展開后長度方向大致變?yōu)閮杀?。為了?yàn)證充氣式月球居住單元在特定荷載條件下的包裝和展開，進(jìn)行了地面展開過程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。

美國馬里蘭大學(xué)借鑒其在增壓服方面的幾十年研究經(jīng)驗(yàn)，研制了一個(gè)足尺的X-Hab充氣居住單元［46］。設(shè)計(jì)了宇航員居住的內(nèi)部空間，內(nèi)部布置包括4個(gè)獨(dú)立的臥室、一個(gè)多功能娛樂/保健區(qū)塊、儲(chǔ)藏空間、窗戶、照明、通風(fēng)設(shè)備、緊急出口和電源出口，居住單元還包括壓力監(jiān)測(cè)器和一系列環(huán)境傳感器。完成了一系列商業(yè)研究及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，包括各種樣機(jī)模型的張拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、液壓實(shí)驗(yàn)及居住單元所有連接界面的有限元分析。

圖6 展開過程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)Fig.6 Deployment process confirmatory experiment

在充氣式月球基地的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，為了檢測(cè)高速粒子對(duì)傳感器單元模型的損傷并建立損傷模型，NASA進(jìn)行了一系列的高速粒子沖擊試驗(yàn)［3］，如圖7所示。試驗(yàn)裝置由數(shù)層基材組成，以模擬月球基地的防護(hù)結(jié)構(gòu)，包括玻璃纖維-7781(五層)、電容傳感器(3層)、凱夫拉710(5層)和一層0.508毫米厚的6061-T6型鋁板。高速粒子采用直徑為1.0 mm和2.8 mm的鋁制小球，小球運(yùn)動(dòng)速度為7 km/s。沖擊后直接觀測(cè)各層的損傷情況，電容傳感器的電容變化量則由標(biāo)準(zhǔn)LCR計(jì)測(cè)量。

圖7 高速粒子沖擊試驗(yàn)Fig.7 High-speed particle impact test

7 展望

為了在不久的將來建設(shè)我國的充氣式月球基地，需要系統(tǒng)地開展防護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究，包括結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、熱防護(hù)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地面測(cè)試技術(shù)等。在后續(xù)的研究中需要特別關(guān)注以下幾個(gè)科學(xué)問題:

1)混合結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈辖缑娣治?。它包括剛性?gòu)件和柔性構(gòu)件間的連接設(shè)計(jì)和有限元分析，考慮連接界面兩側(cè)的單元選擇、自由度耦合關(guān)系、材料特性突變等對(duì)力學(xué)性能的影響。

2)充氣式月球基地的流-固-熱耦合分析和熱防護(hù)設(shè)計(jì)。建立充氣式結(jié)構(gòu)的流-固-熱非線性耦合分析框架，尤其要考慮層合薄膜的三維傳熱行為和耦合界面場信息的高精度傳遞。

3)充氣式月球基地的非線性展開動(dòng)力學(xué)分析。它包括剛性展開構(gòu)件運(yùn)動(dòng)副中的間隙、柔性構(gòu)件充氣展開中的流固耦合非線性動(dòng)力學(xué)行為、剛性構(gòu)件和柔性構(gòu)件之間的碰撞和纏繞現(xiàn)象等。

4)防護(hù)系統(tǒng)的材料/結(jié)構(gòu)多功能一體化設(shè)計(jì)。選擇合適的防護(hù)結(jié)構(gòu)方案和材料方案，進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足承載、隔熱、防熱、防沖擊、防輻射、阻氣等多功能要求。

5)分布式網(wǎng)絡(luò)中無線傳感器的組網(wǎng)技術(shù)。針對(duì)大型月球基地的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大、單個(gè)節(jié)點(diǎn)能源極其有限和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葐栴}，研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)，設(shè)計(jì)高效節(jié)能的路由協(xié)議。

6)自修復(fù)功能性材料應(yīng)用技術(shù)。研究太陽紫外線輻射等太空因素對(duì)于自修復(fù)高聚物的影響，使得自修復(fù)材料在低溫環(huán)境下能夠保持自我修復(fù)性能。

目前我國對(duì)充氣式月球基地防護(hù)系統(tǒng)的研究還比較少［47］，相信通過開展對(duì)月球基地防護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究，能夠?yàn)樵缛战ㄔO(shè)我國月球基地奠定基礎(chǔ)。

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