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实现载人深空空间探索所面临的材料结构方面的挑战

张稚平

北京赛诺达文信息技术有限公司

 

摘  要:自人类首次将足迹留在月球表面之后,人们把目光投向火星及深空。目前,美国国家航空航天局(NASA),欧空局(ESA)、印度、中国均对未来登陆火星计划表现出浓厚兴趣,有些国家甚至已经明确了载人登陆火星的时间表。诚然,实现人类登陆火星的梦想目前面临诸多技术能力的局限,包括辐射防护、设备轻量化、可靠性及资金成本。其中一个核心元素便是新材料研制与验证。本文试图从航天材料结构与验证模式方面的现状分析入手,提出载人深空探测材料方面的主要挑战。

关键词:载人航天;火星探测任务;材料和结构;设计与验证技术

中图分类号:V 文献标识码:A 文章编号:

 

Challengers in Materials and Structures in Manned Deep Space Exploration

ZHANG Zhiping

Beijing Sinotrans IT Co. Ltd., Beijing, P.C: 100000

 

Abstract: Since the first human foot set on the moon, manned space exploration has shifted its focuses on Mars and deep space. Today, NASA, ESA, India and China show their interests on Crewed Mars exploration. Some countries even put forward the time schedule on the project. It is obvious that Crewed Mars exploration and manned deep space missions face multiple challengers such as radiation protection, reduction of mass of components, reliability and cost. The core factors are about the development, manufacturing and design and test of materials and structures. This essay gives brief reviews on the capacities state of the art as well as the challengers in future crewed deep space missions.

Key words: Manned space exploration; Mars exploration mission; Materials & Structures; Design and verification methodology

 


 

1  引言

1961412日,前苏联宇航员尤里·加加林乘坐东方一号在苏联发射升空,开启了载人航天的时代。继1969720日美国人尼尔·阿姆斯特朗首次把人类足迹留在月球表面之后,人类的下一个梦想就是实现登陆火星及深空载人探测。相对于地球到月球的平均距离约384401千米而言,因为地球与火星均绕太阳公转,所以地球到火星的距离一直处在变化中,两者在位于太阳同一侧的最短距离也有5600万千米,平均距离达2.1亿千米。按目前的技术能力,无人航天器飞往火星的时间从120多天到300多天不等。在未来漫长的星际旅行中,人类面临着许多重大挑战,如系统安全性、辐射防护、生命维持系统及空间动力及储能技术等。按照NASA2015技术路线图材料部分给出的数据,若要实现载人登陆火星并成功返回,每千克有效载荷所需的推进剂质量高达300千克[1]。由此可见,航天材料的轻型化和可靠性是实现载人深空探测的一大关键。从另外一个角度看,美国航天飞机发生的两次重大灾难性事故,挑战者号发射升空过程中的爆炸坠毁与哥伦比亚号再入过程中的空中解体,根本原因无不与材料失效有关。因此可以说,材料科学在某种程度上成为载人深空探索的核心关注之一。之所以出现这一局面,与太空探索的独特的严苛的空间环境有关。因为人类有关材料的研发与应用,在未开启航天时代以前,多数应用于地球环境:平均的地球温度、压力和自然的化学环境之中。所以,人类积累的丰富的材料性能数据与研发理论与实践,很多无法直接应用空间极端温度(高温与低温)、压力(接近真空或巨大压力)与微重力(或超过地球重力场)环境下。


从上述分析中不难看出,材料性能,从本质上也决定着材料结构,是制约航人类太空探索任务的核心要素之一,这也是本文的宗旨所在:通过对目前成熟技术及前沿技术的梳理与分析,结合火星载人探测计划的任务需求,从而发掘和找到未来材料科技发展技术路线图和重要材料主要经济技术指标,以期对航天材料的研发与生产制造有所借鉴。

尽管航天材料与结构研究文献浩若烟海,载人深空探索的理论分析模型与技术能力分析也是众多的机构与研究人员的关注所在,但仅从材料发展这一单一变量出发,梳理载人航天深空探索任务需求与研发现状的关系与挑战,尚不多见。减少研究变量更容易凸显研究对象与结果之间的直接关联度,这是本项研究的最大价值与特征所在。

人类无限的好奇心与求知欲推动着科技进步与人类文明发展。探索人类未来的栖息地,揭示宇宙的奥秘与人类的起源,是人类的共同梦想。火星载人探测规划以及因此而因引发的科学研究与技术开发成果,反过来也会造福人类的日常生活,为人们的日常生活与工作,带来意想不到的便利与惊喜。其中一个小小的例证就是人们为航天服所设计与开发的具有较强隔热性能的织物,已经用于高温作业环境如炼钢厂工人的防护服。所以,航天材料的发展与进步所产生的综合效益亦不可小觑。

 

航天材料的特殊性要求及分类

正如引言所述,由于空间环境的特殊性,所以,对用于航天的材料的要求也有明显行业特征。简言之,航天材料是指飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类材料。

航天材料需要在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作,有的则受到重量和容纳空间的限制,需要以最小的体积和质量发挥在通常情况下等效的功能;有的需要在大气层中或外层空间长期运行,不可能停机检查或更换零件,因而航天材料还要有极高的可靠性和质量保证。不同的工作环境要求航空航天材料具有不同的特性。

航空材料一般要求高的比强度和比刚度:即材质轻、强度高、刚度好。

减轻飞行器本身的结构重量就意味着增加运载能力,提高机动性能,加大飞行距离或射程,减少燃油或推进剂的消耗。因此,比强度和比刚度是衡量航天材料力学性能优劣的重要参数:

比强度

比刚度

式中:σ为材料的强度,E为材料的弹性模量,ρ为材料的比重。

飞行器除了受静载荷的作用外还要经受由于起飞和降落、发动机振动、转动件的高速旋转、机动飞行和突风等因素产生的交变载荷,因此材料的疲劳性能也受到人们极大重视。

此外,高效储能材料、大型展开机构的挠性材料,用于再入热防护的瓷基材料和用于超低温燃料(液氢、液氧)罐体材料,都是特殊要求的航天专业材料。

按照航天材料构成与用途不同,航天材料可分为金属材料(合金),非金属材料,包括复合材料、纤维材料、储能材料、透光性材料、涂料和多功能材料[2]

NASA把航天材料的研发及生产制造内容大致定义为产品性能指标、生产制造工艺、数字设计建模、无损检测及传感及验证技术几个方面[3]

 

深空载人探测计划的技术要求、技术现状及技术挑战

目前,除了运行在近地轨道的国际空间站上的6位研究人员[4]和上个世纪六十年代美国阿波罗登月计划期间6次成功登陆月球表面并返回之外,人类更深空的探索尚在规划与论证中。尽管人造航天飞行器已经造访了太阳系的各大行星,甚至已经飞往太阳系外,但深空载人探索面临更多的技术挑战,包括运行时间更长更可靠高效的人体健康与生命保障系统、再入过程中的热防护及管理系统、效率更高、能量密度更大的储能材料、更高效的辐射防护系统、更为轻便、耐用、具有一定自我修复功能的宇航服材料、可展开的挠性居住系统、数字化的材料设计、验证、性能表征建模及其与实验验证的相互关联度与置信度等与材料相关的技术难关与挑战。按照载人飞行的技术标准,只有达到一定技术成熟度的产品与应用,才能用于载人航天的设计与应用。

正如上文所述,载人航天已取得的最高成果是阿波罗登月计划与国际空间站,但深空载人探索的要求更高:载人深空探索任务周期比登月工程要长得多,这点尽管与国际空间站有相似之处(根据ISS官方网站公布的数据,国际空间站已经在轨运行6100多天)[5],但深空载人太空探索却不像近地轨道那样,可以通过地球基地方便地进行补给与应急维修。所以说,深空载人探索任务,尽管有阿波罗计划和国际空间站成果与经验可资借鉴,但又不能直接照搬与引用。因为在漫长的深空载人飞行过程中,人们无法获得地球基地或其他太空基地的补给与援助,这就要求设备具有较长的生命周期,且具有更高的可靠性和自主性。

近地轨道与航空设计,因对轻量化要求相对较低,所以很多结构设计是基于经验的冗余度很高的设计,若直接用于深空载人任务的结构设计,将会造成有效载荷不必要的冗余。因此,在材料结构设计模式与理念上也面临诸多挑战:如何在减少冗余设计的同时确保结构的稳定性与使用寿命期间的可靠性?一体化设计及复合材料的选用尽管能很好解决减轻有效载荷的问题,但其寿命验证不仅需要大量时间,而且费用高昂。一个基于全新模型的全数字化表征系统,或会成为未来结构设计的优选项。但这种建模过程及其与实际验正的关联度,仍需要大量人力物力的投入。从复合材料的研发生产到实际性能验正及设计模型的成熟,每个环节都面临未知的挑战。

航天应用与航空与其他民品市场的最大不同之一,是用于航天的零部件数量巨大,但单个产品及部件的总需求量有限,因此无法实现批量生产的规模效益。所以航天领域压缩成本的关注点集中在设备的通用性与可重复使用性上。最有名的案例是美国的航天飞机设计。可重复使用的航天飞行器不仅能大幅度压缩发射成本,而且能大大缩短两次发射的间隔时间。

20世纪70年代,美国成功设计并试飞了可重复使用空间运输系统——航天飞机,此后先后建造了哥伦比亚号、挑战者号(均已损毁)、发现号、奋进号和亚特兰蒂斯号。NASA20117月正式将航天飞机除役。

此外,在欧洲几个航天大国以及日本,亦进行了若干设计建造可重复使用的空间运输系统的尝试。上个世纪80-90年代,英国进行了霍托尔”Hotol)和过渡型霍托尔”Interim Hotol)的空天飞机尝试;大约在同一时期,德国启动了规模庞大的桑格尔”Sanger)计划,并与欧空局、法国、俄罗斯进行了密切合作;航天强国俄罗斯更是早在上个世纪60年代早期,就设计建造了可重复使用的飞行器螺旋50-50Spiral 50-50),此后先后启动了暴风雪号”飞鹰”计划Oryol);日本人设计了HOPE-X无人再入实验机及高超声速飞行试验机,进行了大量的试验验证与设计工作[6];进入21世纪以来,先后有数家民间企业加入了可重复使用空天飞行器的研发与试验,最著名的案例是美国太空探索公司进行的可重复性运载火箭的试验。

尽管在有载人航天方面的诸多尝试,但自航天飞机除役后,将人类送入近地轨道的任务,目前只有俄罗斯的联盟号运载火箭承担。目前将宇航员送入国际空间站的价格高达7600多万美元/[7]。所以说,载人航天的巨大成本,亦是未来载人深空任务的一大挑战。可重复使用性,能极大压缩发射运营成本。有人估计,一旦美国太空探索公司(Space X)尚在实验阶段的可重复使用的猎鹰9号运载火箭成功投入运营,可将载人航天发射成本压缩近一个数量级[8]

与航天科技相关密切相关的学科与领域包罗万象,按照2015NASA发布的航天技术路线图标准,他们把航天科技未来发展规划划分为15大领域:发射与推进系统;空间推进技术;空间动力与储能技术;机器人与自主系统;通信、导航和轨道碎片跟踪与表征系统;人体健康、生命保障与居住系统;科学仪器、观测台与传感器系统;再入、下降及着陆系统;纳米技术;建模、仿真、信息技术与信息处理;材料、结构、机械系统与制造;地面系统与发射系统;热管理系统;航空航天技术。

NASA给出的分类中,尽管材料与结构只占据了其中一个领域,但材料与结构及其研发与生产制造与发射与推进系统、空间动力与储能、生命维持系统、再入、纳米技术、热管理系统等密切相关。因此本文聚集于材料系统的技术现状与技术挑战,是源于材料结构在载人深空探索任务重占有举足轻重的地位。

围绕载人航天深空探索这一目标的任务要求,与材料与结构相关的技术现状与技术挑战归纳如下:

载人深空探索面临材料与结构方面的技术挑战(排序不代表重要程度)

Table 1  Challengers Faced by Crewed Deep Space Exploration (The order in the table does not represent the priority)

 

     

技术描述

技术及性能要求

发展现状

材料技术结构所面临的

技术挑战

轻型结构材料

用于大型整体复合结构的材料,含复合材料、粘合剂和纤维材料

没有接点的大型复合结构,拥有载人航天所需的机械性能,使用寿命需要高达数年

热压成型复合材料已经广泛应用于航天结构

结构强度、使用寿命、性能衰减的预测与验证

多功能材料

在降低系统质量的前提下,使材料具备多种功能如辐射屏蔽、热防护、自传感、发电、能量收集、隔音等

通过材料设计实现功能特性

对微观结构、工艺和性能之间的关系有较深入的了解,多功能材料研发取得一定进展

目前使用不同材料来获得不同功能,应在保留或改善系统性能的同时,用同一种材料实现不同功能

智能材料

将传感功能、记忆功能与所需物理特性相结合的材料

精确实时数据传感飞行器状态或系统状态

目前,正在开发小型无人机智能机翼

在不依靠外部或埋置式传感器的条件下,对材料状态进行全面(健康、环境-温度、压力等)

具有自修复功能的材料

使材料具备某种机制,能原地快速修复已损坏
   
材料。

可进行损坏部分的修复,从而维持飞行器或居留舱的完整性。

目前利用微囊化作用、活性树脂的脉管网络、击穿修复基质、各种补片和密封剂等实现材料修复

具有自我修复功能的材料,用于宇航服实时修复或居住舱泄漏修复

柔性材料

织物结构材料可用于建造完整的可充气居住舱和展开结构

能够实现长寿命、居留舱大容量大且质量更轻的材料

国际空间站上的挠性居住舱

对于进入外太空的居留舱而言,使用周期应为整个运行周期加上充分安全系数;对于行星居留舱而言,使用周期应能够达到数十年

 

 

     

技术描述

技术及性能要求

发展现状

材料技术结构所面临的

技术挑战

超轻型柔性材料料

超轻型基材做成的一种高效的光子能换能器,不仅比金属膜更轻,而且具备良好的热稳定性、机械耐久性和柔韧性,便于包装、展开和执行长期任务。如太阳帆材料

超大面积、低表面密度,在太空中经久耐用,用于太阳帆结构的膜片材料;应能够有效传递光子动量,保障太阳帆的
   
推进力

国际空间站太阳帆使用镀铝聚酰亚胺膜片

低表面密度、在太空耐用的膜片基底材料;高反射率和高辐射率,传导性膜片基质涂层;以及大面积、超薄型(<    1微米)膜片制造、喷涂和处理工艺;在太空中能可靠的包装和展开


更可靠、更具效率的低温绝缘材料

R值较大,密度下降,厚度减小

现有的低温绝缘材料在重量和厚度一定的基础上绝缘能力有限

低密度且厚度小的低温绝缘材料,使低温液体储存罐更具效率

超高温材料

高级超合金和陶瓷基复合材料,超高温陶瓷,高温绝缘体,耐火复合材料

在较高的温度下,在减轻引擎和结构质量的同时,可以正常运行并维持结构性能

目前,材料如暴露于火箭引擎下,会发生腐蚀和退化的现象,限制了火箭发射后的爬升能力;喷射引擎使用高级超合金材料;高级碳-碳(C-C)和碳-硅(C-SiC)能够在1,650°C以下的环境中连续使用;超高温陶瓷的耐高温性能更强

研发抗氧化材料且在高温下保持材料的强度和韧性。必须研发能够在极端温度下的隔热层。大尺寸系统的制造工艺及相应的飞行演示

涂层

热涂层、环境涂层、耐摩擦涂层、光学涂层和特殊涂层

保护结构不受外部环境干扰,确保表面的特殊功能

目前各种涂层可用于多种
   
用途

需要涂层更持久耐用、更易附着、与基质的兼容性更好

 

 

项目

技术
   
描述

技术及性能要求

发展现状

材料技术结构所面临的技术挑战

极端温度下防辐射电子材料

极端温度下、抗辐射能力强的集成电路材料

提供极端温度/抗辐射强化集成电路电子材料,能够在超出电子材料现有工作范围的条件下正常运行

目前的技术能力为,将电子材料放置在一个温度可控的外壳中并加装辐射屏蔽层提供保护。已经研发出锗化硅(SiGe)基模拟电子材料,能够在-150°+180°C的环境下,最多100,000单位吸收辐射剂量的条件下可靠工作;目前数字电子材料能够在-180°+180°C的环境下,大于100,000单位吸收辐射剂量的条件下
   
工作

集成电路电子材料能够在超出目前电子材料现有运行范围的条件下正常工作;部件的寿命必须达到15年且能够在-200°+200°C的温度范围下,100,000单位吸收辐射剂量的条件下稳定工作

透光材料

是可展开的光学材料和用于观测平台的高光学性能耐用材料

在保证光学性能的条件下,大小应适当且持久耐用

目前的材料系统质量较重,通过三倍的冗余系数设计以确保安全

采用复合材料减轻重量,但要保证性能指标

航天服材料

多功能耐用材料,用于航天服生产

耐用、质量轻便、带有自修复功能的柔性航天服材料

现有功能层包括气囊、约束层、隔离层和微流星体
   
防护层

研发耐用型多功能自修复纤维和结构,减轻质量和层数,并具有一定的自我修复能力

发电与储能材料

燃料电池材料

电池、电容、及能量收集及转换装置

能量密度:200瓦时/千克;

功率密度:50-100/千克

能量密度:大于400瓦时/千克;

功率密度:大于100
   
/千克

 

 

 

 

 

项目

技术
   
描述

技术及性能要求

发展现状

材料技术结构所面临的技术挑战

自主着陆与避险机构

展开设备、再入机构

可对着陆过程中遇到的危险做出实时响应

当前拥有精确的着陆系统,自主相应能力有限

可自主评价多个着陆参数并做出响应的系统

可靠性与耐久性计算

准确模拟与预测材料的性能退化及意外损伤后的剩余
   
寿命

在材料意外损伤及自然退化过程中,可根据材料预测寿命,适时调整任务内容,确保任务执行期间的安全运行

目前的设计与计算多数基于经验模型,冗余量大,预测建模不完整

建立高仿真的物理模型,进行预测与任务调整

可重复使用性及标准模块化设计

通过提高互换性减少部件数量及降低运营成本

主要部件实现模块化设计,发射系统实现可重复使用

达到实用阶段的可重复使用运载器目前已经
   
除役

开发可靠性安全性能更高的可重复使用运载工具,减少两次发射之间的时间间隔,大幅度降低发射
   
成本

综合环境建模工具

集成结构的环境载荷,以降低相关因子之间的不确定性设计

全面模拟环境载荷,可以根据航天载人每个真实阶段的环境因素,精确评估剩余寿命

目前尚无此类系统,现有的系统仅针对个别环境因素建模,预测可信度不高

集成了数据传感器的建模可准确预测结构剩余寿命并据此进行实时任务
   
调整

 

 

需要说明的是,由于材料种类繁多,且新材料不断涌现,所以,上表中有关材料的分类及性能描述或会因具体应用场所不同而略有差异。尤其在深空载人探测这种技术前沿领域,有关材料的要求与分类或会因技术方案及任务目标不同而产生巨大差异。但从上表至少可以看出,深空载人任务的几乎每个阶段的成功实施,均与材料有密不可分的关系。此处所提的深空载人探索任务,在很大程度上是以载人火星探索为模拟任务目标,因为按可以预见的人类的技术能力,在火星外其他星球的人工着陆仍是难以想象的挑战。

 

结论

1)    本文基于载人深空探测的任务需求,结合航天材料发展现状,按照材料成分构成及应用领域,就部分常用及关键材料的不足与需要实现的性能及功能目标进行了描述。分析显示,对未来火星载人及其他深空载人航天任务而言,许多材料现有技术及性能仍需要进行完善甚至是划时代的转变;

2)    尽管NASA2015年给出的最新未来20年技术路线图中,材料部分仅为其划分的15个技术领域中的一项,但材料与结构及其研发与生产制造与发射与推进系统、空间动力与储能、生命维持系统、再入、纳米技术、热管理系统等密切相关。从目前研发投入比例看,目前世界主要航天大国(因数据缺失,不含中国)在航天经费的投入中,材料应用研究的份额并未特别凸显;

3)    载人火星任务中,每千克有效载荷需要高达300千克的推进剂,由此可见,在运载火箭能力无法大幅度提升的情况下,材料轻质化方面的研究努力,具有巨大的应用价值;加大复合材料应用比例,减少金属构件,能大幅度减少系统质量;但复合材料的性能及退化过程的预测能力,相比于金属材料基于经验与模型的预测手段,仍面临巨大挑战;

4)    构件的标准化设计与运载工具的可重复使用性,是实现大幅度压缩成本的必然选择。从发射成功率角度看,美国航天飞机方案并非是理想的可重复使用的空间运输系统,但其积累的研发经验与教训(低温复合材料性能、热防护系统及粘合剂强度、以及发射装置与有效载荷的布局方式),对未来的载人航天任务的材料研发,提供了翔实的数据与方向。

5)    通过系统化的一体化设计与数字模型验证,有望实现目前分散设计和基于经验的安全冗余设计重叠,在不影响系统可靠性与稳定性的前提下,实现结构轻量化目标。实现基于实验验证的全系统的数字化表征或会成为未来载人航天任务设计的重点方向。

以第一颗人造地球卫星升空为标志的航天时代的到来,仅仅过去了近60年时间。就在今年的714日,人类发射的航天探测器新视野号成功实现了对曾被认为是太阳系最外侧一颗行星冥王星的造访。在可以预见的未来,还将实现载人火星探测,以进一步揭示太阳系、生命乃至宇宙的奥秘。而仅仅在400百年前,宣扬日心说的布鲁诺却为科学与真理而祭身,由此可见,人类认识自然的步伐与能力正在以惊人的速度发展,随着载人深空探索任务的开展,有理由相信,人类科技的发展,还将进一步提速。

 

参考文献

[1]     National Aeronautics and Space Administration: NASA Technology Roadmaps[R]: May, 2015: TA 12-3

[2]     Space Foundation: The Space Report[R], 2015

[3]     ESA: Exploring Together--ESA Space Exploration Strategy[R]

[4]       Http://www.howmanypeopleareinspacerightnow.com/

[5]       Http://www.nasa.gov/mission_pages/station/main/index.himl

[6]     魏毅寅, 张红文, 王常青: 可重复使用空间运输系统[M]. 北京: 国防工业出版社, 2015: 1-17

[7]     Space foundation: The Space Economy[R] 2-4

[8]     http://www.airspacemag.com/space/is-spacex-changing-the-rocket-equation-132285884/?no-ist




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