張 祎， 于 東， 王玉林， 劉文翔， 苗常青

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種壞境復(fù)合材料技術(shù)國家級重點實驗室， 哈爾濱 150001； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院機械設(shè)計系， 哈爾濱 150001； 3.中國運載火箭技術(shù)研究院， 北京 100076)

1 引言

隨著中國空間站建設(shè)的發(fā)展，多名航天員長期駐留將成為空間站的常態(tài)[1]，增大航天員居住空間將是后續(xù)建設(shè)的重點。 隨著空間站航天員人數(shù)增加和駐留時間延長，航天員產(chǎn)生的廢物垃圾也必將隨之大量增加。 目前，中國在建空間站以及國際空間站的廢物垃圾主要是儲放于空間站密封艙內(nèi)部，并定期由下行貨運飛船運回地面進行處理或在大氣層中焚燒銷毀[2-4]。 艙內(nèi)儲放的廢物垃圾不僅嚴重擠占了航天員的工作和生活空間，還容易滋生細菌等微生物，這對生活在密閉而又狹小空間的航天員來說，是一種巨大的健康威脅，甚至?xí)＜昂教靻T的生命安全[5-6]。 而垃圾定期運回地球，則顯著加大了空間站廢物垃圾的處理成本。 因此，迫切需要一種低成本、易于使用的空間站垃圾艙，以滿足中國空間站建設(shè)面臨的廢物垃圾的儲放和處理需求。 目前，尚未見有關(guān)空間站垃圾艙研究的公開文獻發(fā)表。

傳統(tǒng)空間密封艙采用金屬艙體，主要用于航天員居住，結(jié)構(gòu)質(zhì)量重、發(fā)射體積大，制造及發(fā)射難度大、成本高[7]。 若用傳統(tǒng)的空間密封艙制成空間站垃圾艙，則在制造、發(fā)射等的成本、難度等方面得不償失。

目前，充氣密封艙技術(shù)受到各航天大國越來越廣泛的關(guān)注，已成為空間密封艙技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點[8-11]。 1997 年，NASA 開始充氣載人密封艙TransHab 的研究，與相同發(fā)射體積金屬艙相比，展開后的TransHab 具有金屬艙3 倍的容積[12]。 2006 年，Bigelow 公司發(fā)射了首個實驗性充氣艙“起源一號”，并完成了在軌充氣展開，此后發(fā)射的“起源二號”進一步驗證了充氣艙長期在軌運行的能力[13]。 在2012 年，NASA 設(shè)計了由金屬結(jié)構(gòu)和充氣結(jié)構(gòu)復(fù)合構(gòu)建的深空居住艙DSHM(Deep Space Habitation Module)，最大限度的擴大了居住空間，并減小了發(fā)射體積與發(fā)射質(zhì)量[14]。 2016 年，Bigelow 公司發(fā)射了充氣式載人密封艙Beam[15]，并利用機械臂成功安裝于國際空間站，實現(xiàn)了充氣艙的在軌對接、航天員進入等在軌試驗驗證，成為首個與國際空間站對接的充氣艙，驗證了空間充氣密封艙技術(shù)的可行性。

上述研究表明，充氣密封艙具有可柔性折疊、折疊效率高、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕優(yōu)點，可顯著降低大尺寸空間密封艙的制造、發(fā)射的難度和成本，在構(gòu)建空間密封艙方面具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。 針對空間站及月球基地等的廢物垃圾儲放需求，結(jié)合充氣艙結(jié)構(gòu)技術(shù)優(yōu)勢，本文提出一種充氣式垃圾艙方案，并測試其結(jié)構(gòu)樣機的折疊展開、密封、承內(nèi)壓等性能，以驗證方案可行性。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 需求分析

為滿足空間站廢物垃圾儲放需求，并考慮垃圾艙的功能性能需求，垃圾艙方案應(yīng)具有如下特點:

1)垃圾艙應(yīng)滿足質(zhì)量輕、發(fā)射體積小、內(nèi)部空間大、結(jié)構(gòu)簡單等性能要求，并具有較低的制造成本，且易于發(fā)射，以降低空間站垃圾艙的總體成本和發(fā)射難度。

2)垃圾艙主要用于垃圾儲放，對密封性要求不高，但考慮到垃圾艙垃圾的投放及某些特殊情況下航天員的進出等需求，需保證垃圾艙在此期間內(nèi)能夠保持1 atm 的內(nèi)部氣壓，且需有剛性艙門及與載人密封艙對接的對接機構(gòu)。

3)垃圾艙在裝滿垃圾或在不需要時，可以將其釋放，最終墜入大氣層銷毀。

2.2 總體結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)垃圾艙的上述功能、性能要求，設(shè)計充氣式垃圾艙結(jié)構(gòu)方案如圖1 所示。

圖1 充氣式垃圾艙設(shè)計圖Fig.1 Design of inflatable garbage cabin

充氣式垃圾艙由兩端的剛性封頭和中間的充氣囊體兩部分構(gòu)成，剛性封頭包括剛?cè)徇B接法蘭、剛性艙門、對接機構(gòu)及附屬部件，由金屬材料制成。

剛?cè)徇B接法蘭是充氣式垃圾艙柔性的充氣囊體和剛性艙門連接的關(guān)鍵部件，且垃圾艙的對接機構(gòu)、剛性艙門等，都通過連接法蘭與充氣囊體連接。 對接機構(gòu)實現(xiàn)垃圾艙與空間站艙體的對接，剛性艙門則是航天員進出垃圾艙進行必要操作的通道，并可實現(xiàn)廢物垃圾的儲放。

密封艙剛性艙門及對接機構(gòu)技術(shù)目前已比較成熟，本文所設(shè)計的充氣式垃圾艙，可采用現(xiàn)有成熟的剛性艙門方案，并通過剛?cè)徇B接法蘭與剛性艙門連接。 為開展充氣式垃圾艙承壓性能及折疊展開性能測試，本文設(shè)計了替代艙門，替代艙門采用鋁合金材料制成，結(jié)構(gòu)形狀如圖2 所示。

圖2 臨時替代艙門示意圖Fig.2 Diagram of the temporary hatch door

充氣式垃圾艙的柔性充氣囊體部分由中間圓柱直段和兩端弧面段構(gòu)成(圖1)，其圓柱直段的直徑可設(shè)置為1～5 m，囊體總長在1～5 m 范圍內(nèi)，其容積約在0.7～87 m3之間。 充氣囊體內(nèi)設(shè)置有氣瓶，與剛性艙門連接。 在一般情況下，充氣式垃圾艙只需保持較低的氣壓(約1 kPa)，便可維持其基本形狀，所需氣量少，只需攜帶體積較小、質(zhì)量較輕的氣瓶。 為進一步降低垃圾艙的制造、發(fā)射成本及難度，并增大其內(nèi)部容積，充氣式垃圾艙內(nèi)不設(shè)置環(huán)控生保等系統(tǒng)及相關(guān)附屬裝置。

充氣式垃圾艙可柔性折疊，折疊后體積很小，可隨載人密封艙發(fā)射入軌，或由貨運飛船攜帶入軌。 需要時，折疊的垃圾艙可用機械臂將其與空間站艙體對接，對接后可充氣展開成型為大容積的空間垃圾艙。

垃圾艙在裝載垃圾前，可將垃圾先裝入一種壓縮的真空袋中，對垃圾進行簡單的壓縮、分類處理，防止細菌的滋生和蔓延。 垃圾艙在裝滿垃圾后或在不需要時，可將其釋放、推離空間站。 由于充氣式垃圾艙具有較大的迎風(fēng)面積、較輕的質(zhì)量，在釋放后可在較短的時間內(nèi)減速、降低軌道，并最終墜入大氣層銷毀。

2.3 充氣囊體結(jié)構(gòu)方案

充氣囊體是充氣式垃圾艙的主體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。 圓柱直段的柔性囊體有利于物品在內(nèi)部的安放和布局，且易于折疊，折疊后褶皺少，利于囊體的展開控制，其剖面如圖3 所示。

圖3 充氣囊體剖面圖Fig.3 Cross-section view of the inflatable bag

充氣囊體壁采用多層柔性復(fù)合材料制成，以保證充氣囊體的柔性可折疊、充氣展開及內(nèi)部承載1 atm 大氣壓的性能要求。 其中，囊壁由內(nèi)至外依次為氣密層、承力層、防護層，如圖4 所示。為滿足充氣式垃圾艙的多次折疊、展開及空間環(huán)境適應(yīng)性要求，氣密層和承力層材料都應(yīng)具有良好的耐折疊性能和空間環(huán)境適應(yīng)性能。

圖4 囊壁材料層示意圖Fig.4 The sketch diagram of wall material

氣密層采用氣體阻隔薄膜材料制成，若不考慮各連接、接縫處的漏氣，理想的氣體阻隔薄膜制成的充氣囊體的氣體滲透量主要與薄膜的氣體阻隔性能(以氣體滲透系數(shù)S表征)、薄膜厚度D、囊體表面積A、囊體內(nèi)外壓差ΔP及氣體滲透時間t有關(guān)，計算公式如式(1)[16]:

氣密層薄膜材料的選擇，需綜合考慮薄膜材料的氣體阻隔性能、柔性、耐折疊、易加工等性能，且需考慮同一種薄膜材料對不同氣體組分阻隔性能的差異[17]。 目前的充氣艙體的氣密層一般采用聚亞胺脂、聚乙烯、乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)等薄膜材料[7]。

為保證充氣囊體能夠承受1 atm 以上的內(nèi)壓載荷，需在氣密層外增加承力層以承擔艙內(nèi)氣壓。承力層采用高比強度和高比模量的纖維材料制成，以提高其承內(nèi)壓性能、減輕總體質(zhì)量，可根據(jù)膜應(yīng)力計算結(jié)果進行承力層強度設(shè)計。 充氣囊體囊壁很薄，在較高內(nèi)壓作用下，可視為薄膜結(jié)構(gòu)，忽略氣密層強度貢獻，則充氣囊體薄膜應(yīng)力只與承力層的厚度及表面曲率有關(guān)，計算公式如式(2)～(3)[18]:

式中，σm、σθ分別為囊壁上某點的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力，r1、r2分別為該點的第一、第二曲率半徑，p為內(nèi)部壓強，δ為承力層厚度。

對于圓柱形囊體結(jié)構(gòu)，其圓柱直段所受環(huán)向應(yīng)力較大，承力層應(yīng)首要滿足其環(huán)向的強度要求，其中環(huán)向應(yīng)力可用式(4)表示:

以芳綸纖維編織布囊體承力層為例，其中，囊體直徑為2.5 m、總長為3 m，平紋編織的芳綸纖維布強度約為2 GPa，若囊體內(nèi)壓為1 atm，則承力層厚度應(yīng)大于62.5 μm。

為進一步提高充氣式垃圾艙在軌服役壽命，在上述充氣囊體方案基礎(chǔ)上，在囊體外層增加空間環(huán)境防護層，以隔絕或減少紫外、原子氧等對囊體材料的損傷或破壞。 空間環(huán)境防護層可采用鍍鋁薄膜材料制成，或在承力層外表面涂敷二氧化硅涂層而成。 本文采用一種覆鋁箔玻纖布，如圖5 所示，作為其外層承力和防護層，具有良好的空間環(huán)境防護性能，可確保垃圾艙的使用壽命在5年以上。

圖5 覆鋁箔玻纖布Fig.5 Aluminum foil coated glass fiber cloth

3 性能測試

為驗證本文提出的充氣式垃圾艙結(jié)構(gòu)方案的可行性，研制了垃圾艙結(jié)構(gòu)樣機，進行了充氣式垃圾艙的密封、承內(nèi)壓性能測試及折疊展開試驗。所研制的氣密層樣機及充氣艙整體樣機如圖6所示。

圖6 充氣式垃圾艙樣機Fig.6 Prototype of the inflatable garbage cabin

圖6 中，垃圾艙整體樣機包含氣密層、承力層和剛性艙門，不包含覆鋁箔玻纖布防護層，直徑2.5 m，總長3 m，容積13 m3，總重120 kg。 其中:圓柱段長1.53 m；氣密層厚度0.1 mm，重約3 kg；承力層厚度2.8 mm，重約37.4 kg；剛性艙門是為試驗設(shè)計的替代艙門，艙體2 端兩套艙門共重79.6 kg，體積為0.1 m3。

3.1 密封性能

試驗環(huán)境溫度為15 ～ 20 ℃，大氣壓約99.67 kPa，樣機初始內(nèi)壓為101 kPa(壓差)。 艙體內(nèi)壓隨時間變化曲線如圖7。

圖7 充氣艙內(nèi)部壓力隨時間變化曲線Fig.7 Time curve of internal pressure in garbage cabin

圖中可以看出，艙體內(nèi)壓在24 h 內(nèi)由101 kPa 下降至99.6 kPa， 其氣體泄漏量為0.26 kg，一周氣體泄漏量約為1.82 kg，可滿足充氣式垃圾艙短時間(一周)內(nèi)氣體保壓性能要求。

充氣囊體密封性能除了受氣密層薄膜材料氣體阻隔性能影響，還受多種因素的影響，如囊體接縫設(shè)計、接縫粘接工藝、剛?cè)徇B接密封性能、密封膠性能、折疊損傷、環(huán)境溫度等因素，以及囊體長期運行情況下導(dǎo)致的材料老化、蠕變等因素。 若需進一步提高充氣式垃圾艙密封性能，可在滿足充氣艙的折疊展開、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、折疊體積等約束條件下，綜合考慮上述影響因素，并結(jié)合試驗測試結(jié)果，進行氣密層的優(yōu)化或改進設(shè)計。

3.2 承內(nèi)壓性能

為避免測試過程中艙體爆裂而產(chǎn)生的危險，保障測試過程中的安全性，測試中采用了不含剛性艙門的垃圾艙樣機。 測試場景如圖8 所示。

圖8 充氣艙樣機耐壓試驗Fig.8 Pressure test of garbage cabin prototype

測試結(jié)果表明，充氣式垃圾艙在0.125 MPa內(nèi)壓下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可滿足垃圾艙承內(nèi)壓1 atm的需求。

此外，若需提高充氣式垃圾艙在軌服役壽命，承力層設(shè)計還應(yīng)考慮承力層的蠕變、疲勞等長期承載性能要求，并可通過增加承力層厚度、增加約束條帶等方式，提高其在軌服役壽命。

3.3 折疊及展開

充氣式垃圾艙采用手風(fēng)琴式折疊，該折疊方式簡單，便于操作，易于展開控制。 結(jié)構(gòu)樣機折疊后的形狀如圖9。

圖9 充氣式垃圾艙折疊形狀Fig.9 Folding shape of inflatable garbage cabin

充氣式垃圾艙折疊為邊長1.5 m、高0.1 m的長方體，折疊后總體積約0.325 m3(含剛性艙門體積0.1 m3)，可以看出，充氣式垃圾艙具有很高的折疊效率，其折疊體積與展開體積之比約為1 ∶40，對更大尺寸的垃圾艙，其折疊效率將會更高。

折疊后的充氣式垃圾艙進行了充氣展開試驗，圖10 為展開過程照片。

圖10 充氣艙展開過程Fig.10 Deployment process of the inflatable garbage cabin

從圖中可以看出，折疊的充氣艙可以在充氣壓力驅(qū)動下可靠、有序地展開，并最終在充氣20 min后完全展開成型。

采用柔性復(fù)合材料制成的充氣式密封艙，質(zhì)量輕、可柔性折疊、折疊效率高，可根據(jù)需要折疊成所需要的形狀，折疊后的充氣艙具有很小的發(fā)射體積，并可展開成型為大尺寸垃圾艙。

4 結(jié)論

本文提出了一種可用于空間站的充氣式垃圾艙方案，研制了充氣式垃圾艙樣機，測試了其密封、承內(nèi)壓及折疊展開性能，得到以下結(jié)論:

1)所研制的直徑2. 5 m、長3 m、重120 kg(含2 套艙門79.6 kg)的垃圾艙樣機，可折疊為邊長1. 5 m、高0. 1 m 的長方體，折疊與展開體積之比約為1 ∶40。 結(jié)果表明，充氣式垃圾艙質(zhì)量輕、可柔性折疊、折疊效率高，展開過程穩(wěn)定、有序，可用較小體積的發(fā)射折疊的充氣艙，并可在軌展開成為大型空間站垃圾艙。

2)充氣式垃圾艙具有良好的承內(nèi)壓和密封性能，所研制樣機可承受0.125 MPa 以上的內(nèi)壓，在1 atm 的內(nèi)外壓差下，垃圾艙每天的氣體泄漏量為0.26 kg，可滿足垃圾艙短期保壓需求。

3)充氣式垃圾艙可通過剛性法蘭與對接機構(gòu)、剛性艙門連接，結(jié)構(gòu)簡單、折疊效率高、質(zhì)量輕，可利用較小的發(fā)射體積發(fā)射入軌、并在軌展開成型為大容積的充氣式垃圾艙。

充氣式垃圾艙將為空間站廢物垃圾的儲放、處理提供一種有效方案，能有效釋放航天員生活空間，并將有效消除廢物垃圾等產(chǎn)生的微生物對航天員的健康威脅。 同時，顯著降低了大尺寸空間站垃圾艙的制造、發(fā)射的難度和成本，可為中國空間站建設(shè)提供良好的技術(shù)支撐。