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航天科技五院总体部充气式太空舱研制

薄膜结构让空间折展稳且轻 

日期 : 20170324 作者 : 刘宇飞 , 成正爱

        近年来,众多新型航天器如太阳帆、太空发电站、充气式卫星等都需要大量使用薄膜可展开结构来实现其特定的功能,这涉及新材料、新结构等一系列关键问题。其中,折叠展开技术是一个非常具有吸引力的研究方向。

        空间薄膜结构折叠和展开技术的研究目的是在减小结构折叠体积的同时,使结构可以实现稳定可靠地展开。其主要的技术特征是质量轻、展开过程简单平稳、燃料损耗和功率需求低。

        目前空间薄膜结构折叠展开技术研究的对象主要包括两类:支撑臂的折叠展开和薄膜的折叠展开。

        以太阳帆为例,有支撑臂的太阳帆由支撑臂的逐步伸长带动帆面渐次展开;无支撑臂的太阳帆利用质量块绕卫星旋转产生的离心力来带动帆面渐次展开,最终形成一个高面质比的空间薄膜结构,可以作为太阳光压力器、光线遮挡设备、薄膜电池阵、薄膜天线等多种功能设备使用。

        支撑臂的样式包括充气伸展臂、变直径伸缩臂、形状记忆复合材料臂、机械臂、桁架伸展臂等多种类型。由于不同支撑臂的物理特征、力学性能以及伸展臂的展开能力均不尽相同,因此折叠方式也是多种多样。目前,支撑臂的折叠方式主要有4种:Z形折叠、卷曲折叠、喷出式折叠和多边形折叠。

        当前国际上最新的支撑臂是由碳纤维复合材料构成,具有自展开能力,其截面可以是双Ω形、人字形、半圆形等多种样式。

        为实现有序展开,科研人员还需要对展开力进行约束,如利用尼龙粘扣约束、金属丝约束等简单的被动式约束,也需要研究更为复杂的主动式可抛型约束机构。

        中国航天科技集团公司五院已经开展了大量关于可展开支撑臂研究工作,研制了多种原理样机,充气展开支撑臂已经得到 了 空 间 试 验 验证。钱学森空间技术实验室重点针对双Ω支撑臂的折叠方式开展了研究和地面试验验证,研制了支撑包装结构,获得了国家发明专利授权。此外,实验室还正在开展针对大尺度自展开支撑臂可抛型展开约束机构的研究。

        薄膜,特别是大面积薄膜的折叠展开技术是当前需攻克的难点。难点主要体现在薄膜材料的特性、表面粘贴物质的特性、镀层的特性、空间环境影响带来的折痕、薄膜间吸力等的不确定性,支撑臂能力以及支撑臂与薄膜的连接方式对展开性能和展开过程带来约束,面型精度则对预紧力和振动控制等提出了要求。

        这些问题都需要在薄膜表面进行解决,可操作的空间和可使用的手段都非常有限。薄膜的折叠方式更为丰富,特别是不同的折痕带来各具特色的展开特性。钱学森空间技术实验室针对薄膜的折叠开展了大量的仿真和试验工作,提出了一种新型的斜叶外折叠方式,具有折痕短、折叠后质量均匀、展开过程平顺等特点,获得国家发明专利授权。

        大型空间薄膜折展结构的柔性特点比较突出,在展开过程中系统的固有频率大范围变化,结构的弹性振动对整个系统动力学产生明显影响。由于系统的阻尼较小,使得薄膜结构启动和停止引起的整个系统的振动很难被抑制。这些都是大型空间薄膜结构在工程应用中需要解决的问题,未来需要科研人员开展更为深入的研究。


航天科技五院总体部充气式太空舱研制迎来新突破

来源:中国航天科技集团公司       发布时间:2016-10-14 

日前,中国航天科技集团公司五院总体部顺利完成了充气式太空舱结构水压试验。充气式太空舱项目是总体部面向“十三五”的重点预研项目,自2014年立项以来,项目组相继掌握了充气式太空舱的设计、工艺方法,并完成了直径2米、长度近4米的舱体结构研制工作。本次试验完成了对充气结构承压、密封等功能的综合考核,标志着该预研项目完成了具有里程碑意义的重要成果。

充气式太空舱为柔性密封舱,具有重量轻、折叠效率高、展开可靠、工程实施方便等优点,是未来解决空间站扩展舱体、大型空间居住舱建造问题的有效途径之一。近期,比格洛公司的充气舱与国际空间站成功对接成为国内外关注的焦点。

密封与承压是充气式太空舱的核心功能。内压强度试验是对柔性充气舱结构最简单直接的考核方法,项目组采用充水加压的方法进行试验考核,充气式太空舱顺利通过了两个大气压的内压强度考核,实现了预期目标。

此前,总体部还针对充气式太空舱结构折叠方案、碎片防护等进行了研究和试验验证,为后续工程型号立项、结构技术跨越发展奠定了良好基础,也为总体部在充气式太空舱工程研制领域保持领先地位提供了支撑。

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