空间站充气式垃圾舱结构方案研究

张 祎， 于 东， 王玉林， 刘文翔， 苗常青

(1.哈尔滨工业大学特种坏境复合材料技术国家级重点实验室， 哈尔滨 150001； 2.哈尔滨工业大学机电学院机械设计系， 哈尔滨 150001； 3.中国运载火箭技术研究院， 北京 100076)

1 引言

随着中国空间站建设的发展，多名航天员长期驻留将成为空间站的常态[1]，增大航天员居住空间将是后续建设的重点。 随着空间站航天员人数增加和驻留时间延长，航天员产生的废物垃圾也必将随之大量增加。 目前，中国在建空间站以及国际空间站的废物垃圾主要是储放于空间站密封舱内部，并定期由下行货运飞船运回地面进行处理或在大气层中焚烧销毁[2-4]。 舱内储放的废物垃圾不仅严重挤占了航天员的工作和生活空间，还容易滋生细菌等微生物，这对生活在密闭而又狭小空间的航天员来说，是一种巨大的健康威胁，甚至会危及航天员的生命安全[5-6]。 而垃圾定期运回地球，则显著加大了空间站废物垃圾的处理成本。 因此，迫切需要一种低成本、易于使用的空间站垃圾舱，以满足中国空间站建设面临的废物垃圾的储放和处理需求。 目前，尚未见有关空间站垃圾舱研究的公开文献发表。

传统空间密封舱采用金属舱体，主要用于航天员居住，结构质量重、发射体积大，制造及发射难度大、成本高[7]。 若用传统的空间密封舱制成空间站垃圾舱，则在制造、发射等的成本、难度等方面得不偿失。

目前，充气密封舱技术受到各航天大国越来越广泛的关注，已成为空间密封舱技术领域的研究热点[8-11]。 1997 年，NASA 开始充气载人密封舱TransHab 的研究，与相同发射体积金属舱相比，展开后的TransHab 具有金属舱3 倍的容积[12]。 2006 年，Bigelow 公司发射了首个实验性充气舱“起源一号”，并完成了在轨充气展开，此后发射的“起源二号”进一步验证了充气舱长期在轨运行的能力[13]。 在2012 年，NASA 设计了由金属结构和充气结构复合构建的深空居住舱DSHM(Deep Space Habitation Module)，最大限度的扩大了居住空间，并减小了发射体积与发射质量[14]。 2016 年，Bigelow 公司发射了充气式载人密封舱Beam[15]，并利用机械臂成功安装于国际空间站，实现了充气舱的在轨对接、航天员进入等在轨试验验证，成为首个与国际空间站对接的充气舱，验证了空间充气密封舱技术的可行性。

上述研究表明，充气密封舱具有可柔性折叠、折叠效率高、结构质量轻优点，可显著降低大尺寸空间密封舱的制造、发射的难度和成本，在构建空间密封舱方面具有显著的技术优势。 针对空间站及月球基地等的废物垃圾储放需求，结合充气舱结构技术优势，本文提出一种充气式垃圾舱方案，并测试其结构样机的折叠展开、密封、承内压等性能，以验证方案可行性。

2 结构方案

2.1 需求分析

为满足空间站废物垃圾储放需求，并考虑垃圾舱的功能性能需求，垃圾舱方案应具有如下特点:

1)垃圾舱应满足质量轻、发射体积小、内部空间大、结构简单等性能要求，并具有较低的制造成本，且易于发射，以降低空间站垃圾舱的总体成本和发射难度。

2)垃圾舱主要用于垃圾储放，对密封性要求不高，但考虑到垃圾舱垃圾的投放及某些特殊情况下航天员的进出等需求，需保证垃圾舱在此期间内能够保持1 atm 的内部气压，且需有刚性舱门及与载人密封舱对接的对接机构。

3)垃圾舱在装满垃圾或在不需要时，可以将其释放，最终坠入大气层销毁。

2.2 总体结构方案

根据垃圾舱的上述功能、性能要求，设计充气式垃圾舱结构方案如图1 所示。

图1 充气式垃圾舱设计图Fig.1 Design of inflatable garbage cabin

充气式垃圾舱由两端的刚性封头和中间的充气囊体两部分构成，刚性封头包括刚柔连接法兰、刚性舱门、对接机构及附属部件，由金属材料制成。

刚柔连接法兰是充气式垃圾舱柔性的充气囊体和刚性舱门连接的关键部件，且垃圾舱的对接机构、刚性舱门等，都通过连接法兰与充气囊体连接。 对接机构实现垃圾舱与空间站舱体的对接，刚性舱门则是航天员进出垃圾舱进行必要操作的通道，并可实现废物垃圾的储放。

密封舱刚性舱门及对接机构技术目前已比较成熟，本文所设计的充气式垃圾舱，可采用现有成熟的刚性舱门方案，并通过刚柔连接法兰与刚性舱门连接。 为开展充气式垃圾舱承压性能及折叠展开性能测试，本文设计了替代舱门，替代舱门采用铝合金材料制成，结构形状如图2 所示。

图2 临时替代舱门示意图Fig.2 Diagram of the temporary hatch door

充气式垃圾舱的柔性充气囊体部分由中间圆柱直段和两端弧面段构成(图1)，其圆柱直段的直径可设置为1～5 m，囊体总长在1～5 m 范围内，其容积约在0.7～87 m3之间。 充气囊体内设置有气瓶，与刚性舱门连接。 在一般情况下，充气式垃圾舱只需保持较低的气压(约1 kPa)，便可维持其基本形状，所需气量少，只需携带体积较小、质量较轻的气瓶。 为进一步降低垃圾舱的制造、发射成本及难度，并增大其内部容积，充气式垃圾舱内不设置环控生保等系统及相关附属装置。

充气式垃圾舱可柔性折叠，折叠后体积很小，可随载人密封舱发射入轨，或由货运飞船携带入轨。 需要时，折叠的垃圾舱可用机械臂将其与空间站舱体对接，对接后可充气展开成型为大容积的空间垃圾舱。

垃圾舱在装载垃圾前，可将垃圾先装入一种压缩的真空袋中，对垃圾进行简单的压缩、分类处理，防止细菌的滋生和蔓延。 垃圾舱在装满垃圾后或在不需要时，可将其释放、推离空间站。 由于充气式垃圾舱具有较大的迎风面积、较轻的质量，在释放后可在较短的时间内减速、降低轨道，并最终坠入大气层销毁。

2.3 充气囊体结构方案

充气囊体是充气式垃圾舱的主体结构，如图1 所示。 圆柱直段的柔性囊体有利于物品在内部的安放和布局，且易于折叠，折叠后褶皱少，利于囊体的展开控制，其剖面如图3 所示。

图3 充气囊体剖面图Fig.3 Cross-section view of the inflatable bag

充气囊体壁采用多层柔性复合材料制成，以保证充气囊体的柔性可折叠、充气展开及内部承载1 atm 大气压的性能要求。 其中，囊壁由内至外依次为气密层、承力层、防护层，如图4 所示。为满足充气式垃圾舱的多次折叠、展开及空间环境适应性要求，气密层和承力层材料都应具有良好的耐折叠性能和空间环境适应性能。

图4 囊壁材料层示意图Fig.4 The sketch diagram of wall material

气密层采用气体阻隔薄膜材料制成，若不考虑各连接、接缝处的漏气，理想的气体阻隔薄膜制成的充气囊体的气体渗透量主要与薄膜的气体阻隔性能(以气体渗透系数S表征)、薄膜厚度D、囊体表面积A、囊体内外压差ΔP及气体渗透时间t有关，计算公式如式(1)[16]:

气密层薄膜材料的选择，需综合考虑薄膜材料的气体阻隔性能、柔性、耐折叠、易加工等性能，且需考虑同一种薄膜材料对不同气体组分阻隔性能的差异[17]。 目前的充气舱体的气密层一般采用聚亚胺脂、聚乙烯、乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)等薄膜材料[7]。

为保证充气囊体能够承受1 atm 以上的内压载荷，需在气密层外增加承力层以承担舱内气压。承力层采用高比强度和高比模量的纤维材料制成，以提高其承内压性能、减轻总体质量，可根据膜应力计算结果进行承力层强度设计。 充气囊体囊壁很薄，在较高内压作用下，可视为薄膜结构，忽略气密层强度贡献，则充气囊体薄膜应力只与承力层的厚度及表面曲率有关，计算公式如式(2)～(3)[18]:

式中，σm、σθ分别为囊壁上某点的径向应力、环向应力，r1、r2分别为该点的第一、第二曲率半径，p为内部压强，δ为承力层厚度。

对于圆柱形囊体结构，其圆柱直段所受环向应力较大，承力层应首要满足其环向的强度要求，其中环向应力可用式(4)表示:

以芳纶纤维编织布囊体承力层为例，其中，囊体直径为2.5 m、总长为3 m，平纹编织的芳纶纤维布强度约为2 GPa，若囊体内压为1 atm，则承力层厚度应大于62.5 μm。

为进一步提高充气式垃圾舱在轨服役寿命，在上述充气囊体方案基础上，在囊体外层增加空间环境防护层，以隔绝或减少紫外、原子氧等对囊体材料的损伤或破坏。 空间环境防护层可采用镀铝薄膜材料制成，或在承力层外表面涂敷二氧化硅涂层而成。 本文采用一种覆铝箔玻纤布，如图5 所示，作为其外层承力和防护层，具有良好的空间环境防护性能，可确保垃圾舱的使用寿命在5年以上。

图5 覆铝箔玻纤布Fig.5 Aluminum foil coated glass fiber cloth

3 性能测试

为验证本文提出的充气式垃圾舱结构方案的可行性，研制了垃圾舱结构样机，进行了充气式垃圾舱的密封、承内压性能测试及折叠展开试验。所研制的气密层样机及充气舱整体样机如图6所示。

图6 充气式垃圾舱样机Fig.6 Prototype of the inflatable garbage cabin

图6 中，垃圾舱整体样机包含气密层、承力层和刚性舱门，不包含覆铝箔玻纤布防护层，直径2.5 m，总长3 m，容积13 m3，总重120 kg。 其中:圆柱段长1.53 m；气密层厚度0.1 mm，重约3 kg；承力层厚度2.8 mm，重约37.4 kg；刚性舱门是为试验设计的替代舱门，舱体2 端两套舱门共重79.6 kg，体积为0.1 m3。

3.1 密封性能

试验环境温度为15 ～ 20 ℃，大气压约99.67 kPa，样机初始内压为101 kPa(压差)。 舱体内压随时间变化曲线如图7。

图7 充气舱内部压力随时间变化曲线Fig.7 Time curve of internal pressure in garbage cabin

图中可以看出，舱体内压在24 h 内由101 kPa 下降至99.6 kPa， 其气体泄漏量为0.26 kg，一周气体泄漏量约为1.82 kg，可满足充气式垃圾舱短时间(一周)内气体保压性能要求。

充气囊体密封性能除了受气密层薄膜材料气体阻隔性能影响，还受多种因素的影响，如囊体接缝设计、接缝粘接工艺、刚柔连接密封性能、密封胶性能、折叠损伤、环境温度等因素，以及囊体长期运行情况下导致的材料老化、蠕变等因素。 若需进一步提高充气式垃圾舱密封性能，可在满足充气舱的折叠展开、结构质量、折叠体积等约束条件下，综合考虑上述影响因素，并结合试验测试结果，进行气密层的优化或改进设计。

3.2 承内压性能

为避免测试过程中舱体爆裂而产生的危险，保障测试过程中的安全性，测试中采用了不含刚性舱门的垃圾舱样机。 测试场景如图8 所示。

图8 充气舱样机耐压试验Fig.8 Pressure test of garbage cabin prototype

测试结果表明，充气式垃圾舱在0.125 MPa内压下保持结构稳定，可满足垃圾舱承内压1 atm的需求。

此外，若需提高充气式垃圾舱在轨服役寿命，承力层设计还应考虑承力层的蠕变、疲劳等长期承载性能要求，并可通过增加承力层厚度、增加约束条带等方式，提高其在轨服役寿命。

3.3 折叠及展开

充气式垃圾舱采用手风琴式折叠，该折叠方式简单，便于操作，易于展开控制。 结构样机折叠后的形状如图9。

图9 充气式垃圾舱折叠形状Fig.9 Folding shape of inflatable garbage cabin

充气式垃圾舱折叠为边长1.5 m、高0.1 m的长方体，折叠后总体积约0.325 m3(含刚性舱门体积0.1 m3)，可以看出，充气式垃圾舱具有很高的折叠效率，其折叠体积与展开体积之比约为1 ∶40，对更大尺寸的垃圾舱，其折叠效率将会更高。

折叠后的充气式垃圾舱进行了充气展开试验，图10 为展开过程照片。

图10 充气舱展开过程Fig.10 Deployment process of the inflatable garbage cabin

从图中可以看出，折叠的充气舱可以在充气压力驱动下可靠、有序地展开，并最终在充气20 min后完全展开成型。

采用柔性复合材料制成的充气式密封舱，质量轻、可柔性折叠、折叠效率高，可根据需要折叠成所需要的形状，折叠后的充气舱具有很小的发射体积，并可展开成型为大尺寸垃圾舱。

4 结论

本文提出了一种可用于空间站的充气式垃圾舱方案，研制了充气式垃圾舱样机，测试了其密封、承内压及折叠展开性能，得到以下结论:

1)所研制的直径2. 5 m、长3 m、重120 kg(含2 套舱门79.6 kg)的垃圾舱样机，可折叠为边长1. 5 m、高0. 1 m 的长方体，折叠与展开体积之比约为1 ∶40。 结果表明，充气式垃圾舱质量轻、可柔性折叠、折叠效率高，展开过程稳定、有序，可用较小体积的发射折叠的充气舱，并可在轨展开成为大型空间站垃圾舱。

2)充气式垃圾舱具有良好的承内压和密封性能，所研制样机可承受0.125 MPa 以上的内压，在1 atm 的内外压差下，垃圾舱每天的气体泄漏量为0.26 kg，可满足垃圾舱短期保压需求。

3)充气式垃圾舱可通过刚性法兰与对接机构、刚性舱门连接，结构简单、折叠效率高、质量轻，可利用较小的发射体积发射入轨、并在轨展开成型为大容积的充气式垃圾舱。

充气式垃圾舱将为空间站废物垃圾的储放、处理提供一种有效方案，能有效释放航天员生活空间，并将有效消除废物垃圾等产生的微生物对航天员的健康威胁。 同时，显著降低了大尺寸空间站垃圾舱的制造、发射的难度和成本，可为中国空间站建设提供良好的技术支撑。