2024年10月14日，第75屆國(guó)際宇航大會(huì)（International Astronautical Congress， IAC）在意大利米蘭舉行，會(huì)上波音防務(wù)航天與安全公司分享了使用日本東麗公司T1100/3960碳纖維復(fù)合材料在深空居住艙模塊主結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。在該項(xiàng)研究中，波音公司研究了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在深空居住艙中的應(yīng)用。與金屬模塊相比，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在減輕質(zhì)量的同時(shí)提供了更高的強(qiáng)度和剛度，評(píng)估了全復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)考慮因素和質(zhì)量效益。

復(fù)合材料模塊設(shè)計(jì)包括連續(xù)壓力外殼、復(fù)合材料縱梁和環(huán)形框架。研究中選用的復(fù)合材料是日本東麗T1100高強(qiáng)度碳纖維和環(huán)氧狹縫帶預(yù)浸料。制造涉及自動(dòng)纖維放置和利用現(xiàn)有設(shè)施及高壓釜工藝。分析顯示，與金屬結(jié)構(gòu)件相比，復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少了33%，總體凈減重近1900公斤。復(fù)合材料模塊的質(zhì)量效率得到了提高，為深空探測(cè)開(kāi)辟了新的可能性。

在上期文章中介紹了項(xiàng)目背景、復(fù)合材料設(shè)計(jì)以及材料設(shè)計(jì)方案，本文繼續(xù)介紹具體研究?jī)?nèi)容及結(jié)果分析。

如前所述，棲息艙的主體是一個(gè)連續(xù)的復(fù)合材料殼體。將采用自動(dòng)纖維鋪放（AFP）工藝進(jìn)行殼體鋪層。該棲息艙的尺寸與波音公司為美國(guó)宇航局NASA復(fù)合材料低溫技術(shù)與演示（CCTD）項(xiàng)目以及美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）實(shí)驗(yàn)性太空飛機(jī)（XSP）項(xiàng)目設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試的復(fù)合材料儲(chǔ)罐（4.3米至5.5米）類似。

鋪層芯模由多個(gè)可拆卸的模塊組成，這些模塊可在殼體固化后拆除。縱梁和框架的制造將采用手工鋪層、懸垂成型、沖壓成型或逐層纖維鋪放工藝。這些部件隨后將與棲息艙殼體通過(guò)共固化或二次膠接工藝連接。

若采用二次膠接，則需在粘接界面使用一層薄膜粘合劑。波音公司已具備該能力，且無(wú)需大規(guī)模資本投入，因其已擁有大型熱壓罐、AFP機(jī)器人及相關(guān)設(shè)施設(shè)備。

06、復(fù)合材料分析

針對(duì)復(fù)合材料艙段，建立了有限元模型（FEM），提取應(yīng)力/應(yīng)變數(shù)據(jù)，并基于復(fù)合材料許用值計(jì)算安全裕度。

主要載荷工況包括發(fā)射、在軌壓力、NASA對(duì)接系統(tǒng)（NDS）接口載荷，以及全配置艙段執(zhí)行跨火星注入（TMI）點(diǎn)火時(shí)的載荷。其他載荷（如熱載荷、乘員載荷或其他推進(jìn)點(diǎn)火）經(jīng)評(píng)估不構(gòu)成主結(jié)構(gòu)關(guān)鍵工況，故未納入分析。

發(fā)射載荷覆蓋了SLS（太空發(fā)射系統(tǒng)）和SpaceX星艦兩種運(yùn)載火箭，確保模塊兼容這兩類（或類似級(jí)別）運(yùn)載器。最大設(shè)計(jì)壓力（MDP）設(shè)定為15.2 psi并施加于壓力殼體上。

NDS接口載荷施加于所有對(duì)接端口（2個(gè)軸向端口，1個(gè)徑向端口）。采用國(guó)際對(duì)接系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工況1-3的包絡(luò)載荷，面內(nèi)剪切力和力矩每30°方位角進(jìn)行一次校核。最后考慮的是TMI燃燒案例，此時(shí)飛行器已完全裝備了1100天任務(wù)所需的所有設(shè)備和物資。對(duì)完全裝備的模塊施加了0.3 g的載荷。

運(yùn)輸棲息地的邊界條件在發(fā)射與在軌狀態(tài)下有所不同：

• 發(fā)射階段：模塊在尾端與運(yùn)載平臺(tái)（連接至運(yùn)載火箭）的接口處受約束。

• 在軌階段：模塊在前端NDS接口受約束（模擬對(duì)接至門(mén)戶空間站）。

• 自由飛行或NDS接口載荷分析：應(yīng)用慣性釋放條件。

根據(jù)NASA-STD-5001B標(biāo)準(zhǔn)，各材料的安全系數(shù)（FS）設(shè)置如表1所示：

如圖4所示的有限元模型采用二維單元模擬薄層壓結(jié)構(gòu)，包含承壓殼及內(nèi)外縱梁。模型總質(zhì)量對(duì)發(fā)射慣性載荷和在軌慣性釋放條件至關(guān)重要。非結(jié)構(gòu)質(zhì)量通過(guò)點(diǎn)質(zhì)量（已知位置的大質(zhì)量部件）和分布質(zhì)量（通過(guò)承壓殼均布）實(shí)現(xiàn)，以滿足發(fā)射質(zhì)量目標(biāo)和跨火星任務(wù)全配置質(zhì)量目標(biāo)。

層壓板厚度（鋪層數(shù)）基于有限元應(yīng)力/應(yīng)變結(jié)果確定，確保含安全系數(shù)后的預(yù)測(cè)值低于材料許用值。同時(shí)進(jìn)行屈曲模態(tài)頻率校核，確保設(shè)計(jì)剛度滿足發(fā)射要求。

07、材料體系對(duì)比

波音公司針對(duì)火星運(yùn)輸棲息地的主結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)型開(kāi)展了多方案權(quán)衡研究，通過(guò)多階段評(píng)估確定最小質(zhì)量方案。四類構(gòu)型包括：5.5米直徑金屬模塊、7.0米直徑金屬模塊、7.6米直徑充氣模塊（金屬基承壓結(jié)構(gòu)）、5.5米直徑復(fù)合材料模塊（圖5）。

圖5 四種結(jié)構(gòu)構(gòu)型

所有構(gòu)型基于相同的設(shè)計(jì)參考任務(wù)、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與假設(shè)（GR&A），并施加等體積約束以確保可比性，以使每種配置的總體積相等，從而有助于進(jìn)行直接比較。每種模塊配置和結(jié)構(gòu)都針對(duì)其材料系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。

首階段對(duì)比前三類構(gòu)型后，選定5.5米金屬模塊進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，隨后引入復(fù)合材料系統(tǒng)與之直接對(duì)比。為直接評(píng)估復(fù)合材料與金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，復(fù)合材料棲息艙采用相同的5.5米直徑構(gòu)型，并繼續(xù)采用金屬模塊的GR&A、操作方案及設(shè)計(jì)約束。針對(duì)復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)影響的子系統(tǒng)（如次結(jié)構(gòu)、微流星體及軌道碎片防護(hù)（MMOD）、電源、熱控系統(tǒng)等）進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果納入主設(shè)備清單（MEL）。

對(duì)比顯示，復(fù)合材料設(shè)計(jì)使主結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低33%，總凈減重近1900 kg（圖6），其干質(zhì)量?jī)H占飛行器總質(zhì)量的14%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)空間棲息艙。次結(jié)構(gòu)通過(guò)優(yōu)化外掛附件（直接粘接至裙部或內(nèi)外縱梁）進(jìn)一步減重。MMOD子系統(tǒng)因復(fù)合材料彈道極限數(shù)據(jù)有限，需保守設(shè)計(jì)；而金屬模塊的超高速撞擊失效模式已有充分驗(yàn)證。

圖6 復(fù)合材料與金屬材料體系對(duì)比

由于復(fù)合材料缺乏電導(dǎo)性，需要一個(gè)電流回路網(wǎng)絡(luò)，這導(dǎo)致復(fù)合材料配置的電源系統(tǒng)質(zhì)量增加；由于缺乏熱導(dǎo)性，無(wú)法在殼體上使用傳統(tǒng)的補(bǔ)丁加熱器來(lái)保持溫度高于露點(diǎn)，因此復(fù)合材料系統(tǒng)的熱控制系統(tǒng)質(zhì)量也增加。解決方案是采用通風(fēng)設(shè)計(jì)，以使殼體保持在露點(diǎn)以上，雖增加質(zhì)量但降低了總功耗。

在所有四類構(gòu)型中，復(fù)合材料模塊以其最低的質(zhì)量配置脫穎而出，遠(yuǎn)低于質(zhì)量目標(biāo)。兩種金屬模塊的總質(zhì)量相似，而充氣選項(xiàng)在整體模塊級(jí)別上是最重的。圖7顯示了總模塊質(zhì)量的比較。圖中所示的誤差帶代表了與每種配置相關(guān)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)與優(yōu)化潛力。

圖7 復(fù)合材料與金屬材料重量對(duì)比

主要成果與結(jié)論

波音公司獨(dú)特的復(fù)合材料技術(shù)能力支持設(shè)計(jì)連續(xù)穹頂結(jié)構(gòu)的自動(dòng)纖維鋪放（AFP）方案，實(shí)現(xiàn)高效輕量化。利用現(xiàn)有制造設(shè)施、機(jī)器人設(shè)備及熱壓罐即可生產(chǎn)，避免了承壓殼分段連接帶來(lái)的復(fù)雜性與增重。

盡管復(fù)合材料棲息艙尚未經(jīng)歷太空飛行驗(yàn)證，波音正持續(xù)推進(jìn)設(shè)計(jì)成熟度，制定認(rèn)證路徑，并通過(guò)試驗(yàn)提升技術(shù)就緒水平。復(fù)合材料棲息艙通過(guò)大幅減重或質(zhì)量再分配，為提升任務(wù)性能（如支持其他關(guān)鍵子系統(tǒng)）開(kāi)辟了新機(jī)遇。

來(lái)源：碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)

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