充氣式月球基地防護結構技術綜述

徐 彥，鄭 耀，關富玲

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

1 引言

月球基地建設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劃，致力于發展月球探測的新技術［1］。人類對月球的探測活動，可以劃分為探、登、駐(住)三個階段:探是指對月球情況進行近距離或有接觸的無人探測;登是指人登上月球，與月球直接接觸，進行有人直接操作的探測;駐(住)分兩個層次:一是駐，即人攜帶設備登陸月球后很快返回，設備儀器長期駐留月球開展探測活動;二是住，即人在月球上長期居住和工作［2］。由于月面環境的極端惡劣，包括高度真空，缺少水分，隕石沖擊，微重力(0.18 g)，惡劣的溫度循環變化和輻射暴露［3］，設計和建造月球基地將面對很多挑戰。應用于月球基地建設的典型結構體系有:充氣結構、剛性展開結構、混合結構和地下結構工程等［4-5］。充氣結構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點［1］。

充氣式月球基地概念已經討論了很久，美國NASA聯合ILC公司，希望利用充氣結構技術使月球基地方案變成現實。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)實驗室為了更深入地進行月球和火星探測，一直致力于將充氣展開技術應用于宇宙移民地的建設，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基礎上，于1998年研制了直徑為35英尺的Transhab實驗單元實驗室模型，如圖2所示［9］。近年來，不斷將新技術(如3D打印技術)應用于月球基地的構建中［10］，采用月面當地材料和展開結構相結合的形式，通過月壤的微波燒結形成輻射和微小隕石撞擊的防護結構。

圖1 充氣式月球基地結構概念Fig.1 Inflatable lunar habitat structure concept

圖2 Transhab實驗單元Fig.2 Transhab experimental element

美國國家科學基金會(NSF)和NASA、ILC公司等合作，在南極的極端環境下開展了雙層墻充氣結構的測試實驗［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，并已經在2006-2007年分別進行了兩個居住艙模塊Genesis I和Genesis II的空間實驗［12］，目前還在工作，該實驗積累了大量充氣結構長期服役的數據。

圖3 在南極的充氣結構測試實驗Fig.3 Experiment of inflatable structures in Antarctica

國外對充氣式月球基地的防護結構技術進行了大量的研究，包括其結構體系、設計要點、熱防護系統、健康監測系統和地面測試技術等方面［13］，取得了一定的成果，但距離工程實踐還存在較大差距，有必要歸納技術發展歷程和展望發展方向，為實現充氣式月球基地提供技術支撐。

2 月球基地的發展歷程

科學家們對月球基地的發展提出了各種各樣的想法和建議，最典型的是將整個發展過程分為六個階段［14］。先建機器人基地，用機器人“開路”;而后是初級基地，航天員居住艙能到各地進行探測和考察;再后是中級月球基地，它由若干個空間站艙組成，艙體之間由接口艙連接在一起，都埋在地表以下;接下來是高級月球基地，它可以建在月球的熔洞內，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，還要負責生產一些重型設備。這些設備除供應月球移民區的建設外，還供應太陽系其它行星和天體的開發之用;最后是月球移民區，這也是最核心的階段，該階段將形成一個超大規模的月球基地網，成為人類在月球上的一個永久性的定居點。月球基地結構體系可以劃分為以下幾種形式［15］:

1)按時間劃分，可分為臨時性基地、半永久性基地和永久性基地;

2)按活動性劃分，可分為活動基地和固定基地;

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)按建設規模劃分，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構式基地。

在以往的研究中，已經提出很多關于月球基地的結構體系，包括充氣式、金屬框架式或剛性塑料預制構件式及復合式，各種結構體系的特點簡介如下:

1)枕狀充氣式月球基地［16］。防護結構由纖維增強復合材料構成，外部加載了土被進行防護。和傳統的球狀膨脹式結構體系相比，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)承壓的薄膜狀結構月球基地［17］。它由充滿結構型的泡沫材料組成，內部材料能相互擠壓展開，圓環形地基能適應不同情況的壓力環境。

3)裝配式的月球基地［18］。采用不同幾何學配置的八位元三維空間設計理念，且各位元是捆綁在一起的，既能做砌塊又能做月臺擴充結構的空間框架單元。

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材料結構以及防護物，以硫磺取代水作為混凝土材料的粘合物，由機器人采取分層式的建造模式。

5)移動式月球基地［17］。有可移動式的永久性、半永久性月球基地兩種形式，可根據任務條件和危險情況進行隨處移動。

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”，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航天員不受宇宙輻射和微隕石雨的傷害，是基地建設的長遠發展途徑。

月球基地的結構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，月球基地的表面結構應該既有承載功能又有防護功能。最常用的方法是將很厚的月壤土層覆蓋在結構的外部。這給施工過程帶來了挑戰，對于進出艙體也帶來了一定的困難。所以在結構體系確定和詳細設計時，需要采用合適的防護技術。

3 防護結構設計技術

3.1 總體設計要求

月球基地防護結構的設計可以從軌道居住艙的經驗中獲得很多技術儲備，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設施。其次，月面上的溫度循環對建筑材料來說是重要的環境影響因素。同樣需要考慮微小隕石碰撞，雖然大多數輻射/溫度防護系統同時提供了對微小隕石碰撞的防護［3］。

對月球基地結構的總體設計要求是:體積-實用面積比小，輕質化，可擴展，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、最短的建造時間，適當建筑設備和工藝。

所以為了滿足這些總體設計要求，結構設計既要進行常規的強度、剛度、疲勞、展開機構和構件連接的分析和設計，還要進行循環熱載荷作用下的防護設計、沖擊防護設計等，并需要在常規工程設計的基礎上，發展合適的結構健康監測技術。

3.2 設計要點

和地球表面建筑相比，由于月球的特殊環境，在月球基地的結構設計和施工過程中應該考慮很多特殊問題［21］:

1)安全和可靠度。對于任何工程而言，人的安全和容許接受的最低風險是應該首先考慮到的。最低的風險意味著結構具有一定的安全儲備，當其它所有構件破壞后，居民可以輕易的從結構中逃生。安全因素原本是為在地球上設計和施工的不確定性而考慮的，毋庸置疑，在月球的環境下是需要調整的，至于向上或向下調整取決于人的觀察和承受風險的容忍力。

2)微重力場。月球表面的重力場為1/6 g，總的來說，對于一個給定的結構而言，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，在進行月球基地的結構設計時，應該使用質量計算準則而不是重力計算準則。在月球重力場的環境下，考慮恒荷載和活荷載的問題。

3)內部空氣壓力。月球基地的結構應該是一個封閉的生物圈，在一個封閉的環境下施加壓力，并且內部的壓力應該是103，500 Pa，維護結構必須包含本壓力，從而可以抵抗由于自然界和事故引起的災難。

4)真空環境。真空環境對于露在外面的鋼筋、合金及其它的高級材料性能的影響以及對于暴露在外部的結構、材料的疲勞性能與月球上氣溫交替的關系都需要進一步研究。

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，因此對于施工的裝置具有非常大的危害。

6)防護結構。增加防護結構的最初考慮是抵抗來自月球表面的惡劣環境: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。防護結構設計需要考慮同一個構件的不同部分對于溫度的靈敏性，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艙體組成，有必要進行不同艙體區塊的概念及功能設計［22］。機組操作區包括基本的宇航員生活，例如睡覺、吃飯、衛生設施。艙外活動操作區應擁有額外的艙外活動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。后勤操作區包括整個服役期的增強居住，例如閉環生命保障系統硬件、消費品裝載、備品裝載、和其他居住單元的連接設備。

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、總體積和區塊體積等方面進行分析，建立空間效率(工程造價)和適居性(舒適度和生產率)之間的基本關系，尋找適用于月球基地設計的臨界平衡。

3.3 設計方法

充氣式月球基地由于其服役環境和性能需求的特殊性，防護結構需要研究新的設計方法，主要包括:

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

2)月球基地功能分區設計，確定居住艙體幾何拓撲、整體尺寸和內部使用空間;

3)月球基地初始形態設計，考慮柔性結構的幾何非線性，分析合適的內部充氣氣壓和充氣前的結構初始形態;

4)防護結構力學分析，包括強度分析、剛度分析、熱力耦合分析、撞擊響應分析、疲勞分析和展開動力學分析等;

5)防護結構的閉合設計，在力學分析的基礎上進行閉合設計，確定合適的材料類型和幾何參數，確保所有性能參數都在設計要求范圍內;

6)工藝設計，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 柔性熱防護技術

對月面充氣結構來說惡劣的熱環境是最重要的外部環境要素之一。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);月球赤道附近的熱環境會在一個月球日(28個地球日)的過程中發生一次循環變化，這種變化容易使結構發生大變形和材料發生熱疲勞。此外，在進入照射區和進入陰影區的兩個過程，月面建筑所受的外熱流急劇變化，容易引起熱致振動［24］。為了避免溫度循環對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，這個月面上熱流最平穩的區域也是月面上最寒冷的區域，而且由于太陽一直出現在月極的地平線上，月面建筑的一側被太陽照射，而其他陰影區溫度將很低。為了創造適合宇航員居住的人工環境，保持操作艙和電子設備的溫度在可以接受的范圍內，非常有必要設計月面充氣結構的熱防護系統。

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系統(FTPS)，如圖4所示［26］。柔性熱防護系統由柔性層合薄膜材料構成，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研究中心對充氣阻尼式再入飛行器PAIDAE進行MLI熱防護研究［27］，充分利用“貨架產品”(0ff the shelf)，使用成熟的商業產品研制多種柔性防熱材料試樣，并進行了熱防護試驗。柔性熱防護系統研究主要集中在材料熱性能測試，此外還包括可折疊性能和熱傳導性能、機械張拉性能、防隕石碰撞性能等測試。Del Corso等［28］綜述了近年來柔性熱防護系統的試驗裝置、實驗方法、熱分析方法和結果。

現有的柔性熱防護系統性能研究主要針對充氣式再入錐［29］，目前大多采用試驗手段，研究層合薄膜在氣動力/熱作用下的服役性能［30］。限于試驗條件的限制，針對柔性熱防護系統整體的試驗還很少?，F有的數值分析研究相對較簡單，采用順序求解框架［31］，按照氣動熱分析-傳熱分析-結構應力分析-材料選擇的順序進行數值模擬，沒有考慮其中的流-固-熱耦合效應。針對月球基地的柔性熱防護系統的性能研究也很少，在層合薄膜材料設計等方面可以借鑒充氣式再入錐的研究成果。

圖4 柔性熱防護系統Fig.4 Flexible thermal protection system

層合薄膜是熱防護系統的隔熱結構，也是月球基地的承載構件。柔性熱防護系統中層合薄膜的傳熱和熱力學研究引起了廣泛關注，現有的研究大多基于一維非穩態傳熱模型［32-34］，考慮相互并列的導熱、輻射兩條傳熱途徑。這些一維傳熱模型及對應的數值算法，即“點”設計方法，不能完全真實地反映熱防護實際三維結構的溫度分布，也不能考慮由于結構大尺寸引起的表面熱流分布不均的影響。

層合薄膜現有的一維分析模型，不能解決自遮擋問題和準確地分析加強索對結構整體的熱力性能的影響?，F有的柔性熱防護性能分析模型大多采用順序分析框架，無法準確地模擬耦合效應。為了更好地預測柔性熱防護系統的服役行為及評估其服役性能，有必要進行柔性熱防護系統的分析模型、工作機理和防熱/承載性能研究。

前述的柔性熱防護系統屬于被動熱控，也有人嘗試將屬于主動熱控的蛇形蒸發器用于月球基地的熱防護中［35］，但現有的設計方案中蒸發器的質量仍然較大，如何實現其輕質化設計以適用于充氣式月球基地還有待研究。

柔性熱防護系統和承載/防沖擊系統結合在一起，構成充氣式月球基地的防護系統［36］，如圖5所示。承載/防沖擊系統由 Kevlar(凱夫拉)、Nextel等高強纖維復合材料和鋼墊片構成，而圖中的多層隔熱結構由單層鋁箔和Kapton層合薄膜、多層鋁箔和Kapton層合薄膜、滌綸網間隔層等構成。

圖5 充氣式月球基地的防護系統方案Fig.5 Protection system scheme of inflatable lunar habitat

5 結構健康監測技術

5.1 健康監測需求分析

對于所有載人航天器而言，保證宇航員的安全性是最主要的。有效地監控結構受到的沖擊破壞，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測系統首當其沖的任務。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構內部或者外部活動造成的緩慢移動沖擊。結構健康監測系統要求能夠識別每次沖擊的時間、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。

結構健康監測的另一項要求即不同界面的結構應變評價，尤其是剛性材料和柔性材料的交接界面。絕大多數的基地設計方案中都包含了柔性和剛性構件，其中柔性構件包括氣囊薄膜、纖維約束層等;剛性構件包括金屬隔板、氣閘、窗戶等。這些柔性和剛性材料的交接界面以及結構特性的突變情況很難被建模和分析［38］。因此，通過接觸界面兩側的內置傳感器對相應的物理量進行實際測量，對于驗證設計方案的正確性就顯得尤為重要。

還有一些結構健康監測的需求，對于保障長期任務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鍵。比如這些基地必須在宇航員登月之前完成發射、著陸和展開，在此過程中，動態檢測系統能夠確保充氣展開過程平穩。監測結構的最終尺寸和基地形狀，因此也被考慮為結構健康管理系統的可能任務。動態監測系統能夠讓地面工作人員利用嵌入式的傳感器網絡和船載攝像頭確認整個基地構建情況正常，在這之后才能進行載人登月?；诩沈寗悠鞯恼{節能力，如果在展開過程中發生問題［39］，使得結構能夠根據需要進行形狀或構型的調整。鑒于充氣式月球基地獨特的設計方案、材料特性和監測需求，要求有新的系統構成和監測手段來滿足其工程應用需求。

5.2 健康監測系統構成

之前大多數宇航結構的健康監測技術都是針對剛性結構發展而來［40］，對此類結構來說，傳感器的集成和裝配不是顯著的問題。不管是數據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。

如果在充氣式月球基地結構中采用傳統技術(如黏貼式應變計和光纖傳感器)，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)，或者在整個展開過程結束之后再進行安裝［41］。后者將會增加展開過程的復雜性和人力投入，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構健康監測。傳統技術中，龐大數量的分散式節點傳感器，在供能和數據采集方面也帶來巨大的設計挑戰。

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

對于分散式傳感器系統，綜合考慮能源分布、產能和儲能，可以發現:傳統的有線電力分布系統由于其龐大的導線導體、連接器、功率轉換設備和故障檢測線路，占據了月球基地的很大的質量百分比。當傳感器網絡中采用低能耗分散式節點時，也要重新考慮相應的設計概念。比如每個節點采用低壓供電，就可以取消節點上的功率轉換設備;在某一個遙控節點采用電池或者電容儲能裝置，就能減少某些電源的實時電流要求，從而減少有線電纜光纖和故障檢測線路的規模。

在充氣式月球基地結構中安裝這類傳感器時，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，比如安裝固定點引起的應變集中、黏貼或者其他連接技術改變了基層物質特性，都對結構本身有一定的損傷和影響。規避以上問題的一個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電子設備，用于數據采集和處理。

5.3 相關算法研究

針對充氣式月球基地的沖擊分析，需要考慮風化土防護層和氣壓引起的預應力剛度，沖擊荷載為作用在膜面上的移動沖擊力，利用非線性有限元技術研究其動力響應分析［42］。因為月面缺少空氣，內部氣壓對于任何的月面建筑來說是必不可少的，然而這將提高結構的預應力剛度，影響結構響應。建筑材料盡可能利用月球當地的材料，例如風化土可以用于輻射、溫度和沖擊的防護，同時也增加了整體結構的質量，大大影響了結構動力響應。

基于加速度傳感器陣和無線傳感技術，對充氣式月球建筑的微小隕石撞擊進行監測［43］，目的在于使得健康監測系統能夠識別每次沖擊的時間、位置分布、貫穿深度和造成傷害的程度。通過檢測從撞擊點傳出的表面波，基于小波分析研究撞擊定位算法和撞擊強度算法。

6 地面測試技術

國外學者已經對充氣式月球基地進行了一系列性能測試，主要包括:材料性能測試、展開過程測試、風洞實驗、區塊功能測試、防護系統性能測試等［44］。

ILC公司設計并測試了一個圓柱體的充氣式月球基地居住單元［45］，包括兩個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，展開后長度方向大致變為兩倍。為了驗證充氣式月球居住單元在特定荷載條件下的包裝和展開，進行了地面展開過程驗證實驗，如圖6所示。

美國馬里蘭大學借鑒其在增壓服方面的幾十年研究經驗，研制了一個足尺的X-Hab充氣居住單元［46］。設計了宇航員居住的內部空間，內部布置包括4個獨立的臥室、一個多功能娛樂/保健區塊、儲藏空間、窗戶、照明、通風設備、緊急出口和電源出口，居住單元還包括壓力監測器和一系列環境傳感器。完成了一系列商業研究及實驗測試，包括各種樣機模型的張拉強度實驗、風洞實驗、液壓實驗及居住單元所有連接界面的有限元分析。

圖6 展開過程驗證實驗Fig.6 Deployment process confirmatory experiment

在充氣式月球基地的結構健康監測系統中，為了檢測高速粒子對傳感器單元模型的損傷并建立損傷模型，NASA進行了一系列的高速粒子沖擊試驗［3］，如圖7所示。試驗裝置由數層基材組成，以模擬月球基地的防護結構，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，小球運動速度為7 km/s。沖擊后直接觀測各層的損傷情況，電容傳感器的電容變化量則由標準LCR計測量。

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

7 展望

為了在不久的將來建設我國的充氣式月球基地，需要系統地開展防護結構技術研究，包括結構體系、結構設計技術、熱防護系統、結構健康監測系統和地面測試技術等。在后續的研究中需要特別關注以下幾個科學問題:

1)混合結構的剛柔耦合界面分析。它包括剛性構件和柔性構件間的連接設計和有限元分析，考慮連接界面兩側的單元選擇、自由度耦合關系、材料特性突變等對力學性能的影響。

2)充氣式月球基地的流-固-熱耦合分析和熱防護設計。建立充氣式結構的流-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力學分析。它包括剛性展開構件運動副中的間隙、柔性構件充氣展開中的流固耦合非線性動力學行為、剛性構件和柔性構件之間的碰撞和纏繞現象等。

4)防護系統的材料/結構多功能一體化設計。選擇合適的防護結構方案和材料方案，進行復合材料結構設計，以滿足承載、隔熱、防熱、防沖擊、防輻射、阻氣等多功能要求。

5)分布式網絡中無線傳感器的組網技術。針對大型月球基地的結構健康監測無線傳感器網絡節點數量龐大、單個節點能源極其有限和數據遠距離傳輸等問題，研究無線傳感器網絡時間同步技術，設計高效節能的路由協議。

6)自修復功能性材料應用技術。研究太陽紫外線輻射等太空因素對于自修復高聚物的影響，使得自修復材料在低溫環境下能夠保持自我修復性能。

目前我國對充氣式月球基地防護系統的研究還比較少［47］，相信通過開展對月球基地防護結構的相關研究，能夠為早日建設我國月球基地奠定基礎。

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