CN104554822A - 一种多层空心夹层充气舱体 - Google Patents

Abstract

一种多层空心夹层充气舱体，属于航天舱体技术领域。本发明多层空心夹层充气舱体结构简单、折叠效率高、发射体积小且重量轻，各层囊体之间通过充气支撑框架形成一定间距的空间，阻断了充气舱体内外热量的传导和对流，有效的提高了舱体的隔热效果。内囊、防护壳和充气支撑框架形成一种类似增强型惠氏防护屏的充气防护结构，一层防护壳相当于一层防护屏，支撑框架在内囊与防护壳、防护壳与防护壳间形成的间距相当于屏间距，防护壳可将空间碎片多次破碎和升温，形成碎片云团，屏间距为碎片云团提供充分膨胀的路径，使碎片云团得到充分扩散，显著降低了碎片云团对内囊囊壁的总撞击能量和单位面积撞击能量，大大提高了内囊空间碎片撞击防护效率。

Description

一种多层空心夹层充气舱体

技术领域

本发明涉及一种多层空心夹层充气舱体，属于航天舱体技术领域。

背景技术

空间舱（如居住舱、实验舱、仪器舱或气闸舱等）是人类在空间站或行星基地等进行工作和生活的重要场所，未来空间站、载人登月、月球基地等需要有内径几米甚至几十米以上的大型密封舱体。现有空间舱体主要是刚性的金属舱体结构，采用刚性的金属舱体结构的空间舱体质量重、体积大、发射成本高、发射难度大且难以满足空间站、载人登月或月球基地等对大型空间舱体的需求，同时，为了提高舱体空间碎片防护能力，刚性金属结构的空间舱体需增加一些辅助结构或防护材料，这将进一步增加了壁厚和总体重量及其发射难度。

对于大型舱体来说，不仅需要解决舱体发射难的问题，还需解决空间环境条件下在轨安全运行和内部人员基本生活问题。充气式舱体结构具有折叠体积小、重量轻等优点，是解决大型舱体难于发射问题的有效途径，但对充气舱体来说，由于需要折叠及充气展开，因而其舱壁厚度受到一定限制，很难在舱壁增加隔热层以实现其隔热功能，也很难增厚舱壁以实现其空间碎片撞击防护功能。

发明内容

本发明提供了一种多层空心夹层充气舱体，以解决现有刚性金属结构的空间舱体质量重、体积大、发射成本高、发射难度大及充气舱体空间碎片撞击防护和隔热效率低的问题，为此本发明采用如下的技术方案：

一种多层空心夹层充气舱体，包括：内囊、第一充气支撑框架、第一层防护壳、第二充气支撑框架和第二层防护壳，所述第一层防护壳设置在第二层防护壳内，内囊设置在第一层防护壳内，内囊和第一层防护壳之间形成第一空间，第一充气支撑框架设置在所述第一空间内，第一层防护壳和第二层防护壳之间形成第二空间，第二充气支撑框架设置在所述第二空间内，内囊的内部空间为舱体；所述内囊的囊壁由气密层和承力层构成，气密层为囊壁最内层，承力层位于气密层外侧；所述第一层防护壳的囊壁由气密层和刚化层构成，气密层为第一层防护壳的最内层，刚化层为第一层防护壳的最外层；所述第二层防护壳的囊壁由气密层和刚化层构成，气密层为第二层防护壳的最内层，刚化层为第二层防护壳的最外层。

本发明的多层空心夹层充气舱体结构简单，折叠效率高、发射体积小重量轻，充气支撑框架和防护壳充气展开后，在轨固化，形成具有一定刚度和硬度的空间结构，充气支撑框架在各层囊体间形成一定间距的空间，使多层空心夹层充气舱体形成一种类似增强型惠氏防护屏的充气防护结构，一层防护壳相当于一屏防护屏，充气囊体间所形成的间距空间相当于屏间距，真空状态下，屏间距可阻断充气舱体内外热量的传导和对流，有效的提高了舱体的隔热效果，且充气舱体与惠氏防护屏一体化的结构设计大大提高了充气舱体空间碎片撞击防护效率，防护壳可将空间碎片多次破碎和升温，形成碎片云团，屏间距为碎片云团提供充分膨胀的路径，使碎片云团得到充分扩散，显著降低了碎片云团对内囊囊壁的总撞击能量和单位面积撞击能量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的一种多层空心夹层充气舱体的剖面结构示意图；

图2是充气支撑框架2或4的整体结构示意图。

图中的附图标记，1为内囊，2为第一充气支撑框架，3为第一层防护壳，4为第二充气支撑框架，5为第二层防护壳，6为第一空间，7为第二空间，8为舱体，9为对接口，10为舱门。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，下面描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明的具体实施方式提供的一种多层空心夹层充气舱体，包括：内囊1、第一充气支撑框架2、第一层防护壳3、第二充气支撑框架4和第二层防护壳5，所述第一层防护壳3设置在第二层防护壳5内，内囊1设置在第一层防护壳3内，内囊1和第一层防护壳3之间形成第一空间6，第一充气支撑框架2设置在所述第一空间6内，第一层防护壳3和第二层防护壳5之间形成第二空间7，第二充气支撑框架4设置在所述第二空间7内，内囊1的内部空间为舱体8；所述内囊1的囊壁由气密层和承力层构成，气密层为囊壁最内层，承力层位于气密层外侧；所述第一层防护壳3的囊壁由气密层和刚化层构成，气密层为第一层防护壳3的最内层，刚化层为第一层防护壳3的最外层；所述第二层防护壳5的囊壁由气密层和刚化层构成，气密层为第二层防护壳5的最内层，刚化层为第二层防护壳5的最外层。

进一步的，还增加了反射层，所述反射层设置在内囊1的承力层的外侧面上。

所述反射层设置在第一层防护壳3的内侧面和外侧面上。

所述反射层设置在第二层防护壳5的内侧面上。

所述反射层为镀铝聚酰亚胺薄膜。

进一步，所述内囊1是舱体内压的主要承压结构，承担舱体内压（约一个大气压），内囊腔体为舱内人员提供工作或生活的空间。所述内囊囊壁由气密层和承力层构成，其中，气密层为囊壁最内层，材料为硅橡胶和丁基橡胶复合材料层合结构，用来降低囊体结构气体泄漏率，保证在充气压力作用下内囊的密封性能；承力层位于内囊气密层外侧，材料为芳纶纤维复合材料，主要承担内囊内部的充气压力及充气舱体的工作压力，约一个大气压。

进一步，所述第一层防护壳嵌套在内囊外侧，主要为内囊提供空间碎片防护和隔热功能，第二层防护壳嵌套在第一层防护壳外侧（防护壳数量根据舱体折叠效率、重量、尺寸、空间碎片防护及隔热效率可以进行多层设计，三层、四层或五层），提供空间碎片防护和隔热功能。防护壳为充气囊体结构，相邻两层充气囊体间设有充气支撑框架。所述防护壳囊壁由气密层和刚化层构成，在充气展开完全后，防护壳进行结构刚化。其中，气密层为囊壁最内层，保证防护壳在展开及刚化成型这一过程中囊体的密封性能；刚化层为防护壳囊壁的最外层,材料为高强纤维环氧复合材料，刚化层在刚化后具有一定结构刚度和硬度，使防护壳在气体泄漏殆尽的情况下仍能保持结构形状，以保持相邻两层充气囊体间的间距，从而使得防护壳在气体泄漏的情况下仍具有增强型惠氏防护屏的结构特点,从而能够有效的提高防护壳空间碎片撞击防护能力，刚化后的具有一定刚度和硬度的防护壳刚化层，进一步提高了舱壁破碎空间碎片的能力。

进一步，一个充气支撑框架的整体结构示意图如图2所示，所述充气支撑框架位于相邻两层充气囊体之间，主要为各层囊体提供连接和支撑，协助中间囊体和防护壳充气展开，并在一定程度上提高内囊的承压能力、保形能力和结构刚度。充气支撑框架在协助囊体完全展开且囊体间达到所设计的间距后，充气支撑框架进行结构刚化。所述充气支撑框架由充气支撑管构成，主要由气密层和刚化层构成，其中，气密层为充气管管壁最内层，保证支撑框架在展开及刚化成型这一过程中充气管的密封性能；刚化层为充气管管壁最外层，刚化层在刚化后具有一定结构刚度和硬度，使充气支撑框架在气体泄漏殆尽的情况下仍能保持结构形状，以支撑各层充气囊体间所设计的间距。支撑框架充气管的截面直径即为各相邻囊体间的间距。

本发明所述多层空心夹层充气舱体的工作步骤包括：折叠发射，入轨后充气展开，展开后，充气支撑框架和防护壳在轨固化，形成具有一定结构刚度和硬度的充气舱体。

上述多层空心夹层充气舱体采用柔性复合材料制造，入轨前可进行柔性折叠，其折叠方式可根据舱体的具体结构尺寸和内部装载物体进行设计。各层囊壁及充气管管壁均是由多层材料层复合而成的薄壁结构，利于充气舱体的折叠，并具有很高的折叠效率。上述充气舱体与舱门组成了空间舱，舱门的对端设置有对接口，当充气舱体在轨成型后，充气舱体的多层空心夹层形成类似增强型惠氏防护屏的充气防护结构，一层防护壳相当于一屏防护屏，各层囊体间的间距相当于屏间距。

本发明的多层空心夹层充气舱体为多层充气囊体嵌套而成的充气结构，该结构使碎片云团在撞击到空间舱体时经过与防护壳的多次撞击，从而使碎片云团经过多次破碎、升温，从而进一步的液化或气化，显著降低了碎片云团对内囊囊壁的总撞击能量和单位面积撞击能量，提高了充气舱体空间碎片撞击防护能力和防护效率。充气舱体各层囊体之间由支撑框架支撑形成一定间距的空间，充气舱体在轨运行期间，囊体间的空间为真空状态（内部充气展开所需的气体在一定时间后会泄漏殆尽，从而形成真空），阻断了充气舱体内外热量的传导和对流效应，从而有效地提高了舱体的隔热效果。采用多层空心夹层充气舱体结构，增加了空心隔热层的数量，大大提高了舱体隔热效率和效果。增加的反射层，又进一步提高了舱体的隔热效果。由于该舱体采用空间舱体和空间碎片防护屏一体化的结构设计方案，使得该舱体结构简单、发射体积小、质量轻、发射成本低、在轨展开后内部空间大、空间碎片防护效率高和隔热效果好，可应用于空间站、载人登月或月球基地等所需的大型空间舱体。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不仅局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种多层空心夹层充气舱体，其特征在于，包括：内囊（1）、第一充气支撑框架（2）、第一层防护壳（3）、第二充气支撑框架（4）和第二层防护壳（5），所述第一层防护壳（3）设置在第二层防护壳（5）内，内囊（1）设置在第一层防护壳（3）内，内囊（1）和第一层防护壳（3）之间形成第一空间（6），第一充气支撑框架（2）设置在所述第一空间（6）内，第一层防护壳（3）和第二层防护壳（5）之间形成第二空间（7），第二充气支撑框架（4）设置在所述第二空间（7）内，内囊（1）的内部空间为舱体（8）；所述内囊（1）的囊壁由气密层和承力层构成，气密层为囊壁最内层，承力层位于气密层外侧；所述第一层防护壳（3）的囊壁由气密层和刚化层构成，气密层为第一层防护壳（3）的最内层，刚化层为第一层防护壳（3）的最外层；所述第二层防护壳（5）的囊壁由气密层和刚化层构成，气密层为第二层防护壳（5）的最内层，刚化层为第二层防护壳（5）的最外层。

2.根据权利要求1所述的多层空心夹层充气舱体，其特征在于，还增加了反射层，所述反射层设置在内囊（1）的承力层的外侧面上。

3.根据权利要求2所述的多层空心夹层充气舱体，其特征在于，所述反射层设置在第一层防护壳（3）的内侧面和外侧面上。

4.根据权利要求3所述的多层空心夹层充气舱体，其特征在于，所述反射层设置在第二层防护壳（5）的内侧面上。

5.根据权利要求4所述的多层空心夹层充气舱体，其特征在于，所述反射层为镀铝聚酰亚胺薄膜。