2024年10月14日，第75届国际宇航大会（International Astronautical Congress， IAC）在意大利米兰举行，会上波音防务航天与安全公司分享了使用日本东丽公司T1100/3960碳纤维复合材料在深空居住舱模块主结构中的应用。在该项研究中，波音公司研究了复合材料结构在深空居住舱中的应用。与金属模块相比，复合材料结构在减轻质量的同时提供了更高的强度和刚度，评估了全复合材料主结构的设计考虑因素和质量效益。

复合材料模块设计包括连续压力外壳、复合材料纵梁和环形框架。研究中选用的复合材料是日本东丽T1100高强度碳纤维和环氧狭缝带预浸料。制造涉及自动纤维放置和利用现有设施及高压釜工艺。分析显示，与金属结构件相比，复合材料主结构质量减少了33%，总体净减重近1900公斤。复合材料模块的质量效率得到了提高，为深空探测开辟了新的可能性。

在上期文章中介绍了项目背景、复合材料设计以及材料设计方案，本文继续介绍具体研究内容及结果分析。

如前所述，栖息舱的主体是一个连续的复合材料壳体。将采用自动纤维铺放（AFP）工艺进行壳体铺层。该栖息舱的尺寸与波音公司为美国宇航局NASA复合材料低温技术与演示（CCTD）项目以及美国国防高级研究计划局（DARPA）实验性太空飞机（XSP）项目设计、制造和测试的复合材料储罐（4.3米至5.5米）类似。

铺层芯模由多个可拆卸的模块组成，这些模块可在壳体固化后拆除。纵梁和框架的制造将采用手工铺层、悬垂成型、冲压成型或逐层纤维铺放工艺。这些部件随后将与栖息舱壳体通过共固化或二次胶接工艺连接。

若采用二次胶接，则需在粘接界面使用一层薄膜粘合剂。波音公司已具备该能力，且无需大规模资本投入，因其已拥有大型热压罐、AFP机器人及相关设施设备。

06、复合材料分析

针对复合材料舱段，建立了有限元模型（FEM），提取应力/应变数据，并基于复合材料许用值计算安全裕度。

主要载荷工况包括发射、在轨压力、NASA对接系统（NDS）接口载荷，以及全配置舱段执行跨火星注入（TMI）点火时的载荷。其他载荷（如热载荷、乘员载荷或其他推进点火）经评估不构成主结构关键工况，故未纳入分析。

发射载荷覆盖了SLS（太空发射系统）和SpaceX星舰两种运载火箭，确保模块兼容这两类（或类似级别）运载器。最大设计压力（MDP）设定为15.2 psi并施加于压力壳体上。

NDS接口载荷施加于所有对接端口（2个轴向端口，1个径向端口）。采用国际对接系统标准工况1-3的包络载荷，面内剪切力和力矩每30°方位角进行一次校核。最后考虑的是TMI燃烧案例，此时飞行器已完全装备了1100天任务所需的所有设备和物资。对完全装备的模块施加了0.3 g的载荷。

运输栖息地的边界条件在发射与在轨状态下有所不同：

• 发射阶段：模块在尾端与运载平台（连接至运载火箭）的接口处受约束。

• 在轨阶段：模块在前端NDS接口受约束（模拟对接至门户空间站）。

• 自由飞行或NDS接口载荷分析：应用惯性释放条件。

根据NASA-STD-5001B标准，各材料的安全系数（FS）设置如表1所示：

如图4所示的有限元模型采用二维单元模拟薄层压结构，包含承压壳及内外纵梁。模型总质量对发射惯性载荷和在轨惯性释放条件至关重要。非结构质量通过点质量（已知位置的大质量部件）和分布质量（通过承压壳均布）实现，以满足发射质量目标和跨火星任务全配置质量目标。

层压板厚度（铺层数）基于有限元应力/应变结果确定，确保含安全系数后的预测值低于材料许用值。同时进行屈曲模态频率校核，确保设计刚度满足发射要求。

07、材料体系对比

波音公司针对火星运输栖息地的主结构材料和构型开展了多方案权衡研究，通过多阶段评估确定最小质量方案。四类构型包括：5.5米直径金属模块、7.0米直径金属模块、7.6米直径充气模块（金属基承压结构）、5.5米直径复合材料模块（图5）。

图5 四种结构构型

所有构型基于相同的设计参考任务、设计准则与假设（GR&A），并施加等体积约束以确保可比性，以使每种配置的总体积相等，从而有助于进行直接比较。每种模块配置和结构都针对其材料系统进行了优化。

首阶段对比前三类构型后，选定5.5米金属模块进行细化设计，随后引入复合材料系统与之直接对比。为直接评估复合材料与金属结构的优劣，复合材料栖息舱采用相同的5.5米直径构型，并继续采用金属模块的GR&A、操作方案及设计约束。针对复合材料主结构影响的子系统（如次结构、微流星体及轨道碎片防护（MMOD）、电源、热控系统等）进行了评估，结果纳入主设备清单（MEL）。

对比显示，复合材料设计使主结构质量降低33%，总净减重近1900 kg（图6），其干质量仅占飞行器总质量的14%，显著优于传统空间栖息舱。次结构通过优化外挂附件（直接粘接至裙部或内外纵梁）进一步减重。MMOD子系统因复合材料弹道极限数据有限，需保守设计；而金属模块的超高速撞击失效模式已有充分验证。

图6 复合材料与金属材料体系对比

由于复合材料缺乏电导性，需要一个电流回路网络，这导致复合材料配置的电源系统质量增加；由于缺乏热导性，无法在壳体上使用传统的补丁加热器来保持温度高于露点，因此复合材料系统的热控制系统质量也增加。解决方案是采用通风设计，以使壳体保持在露点以上，虽增加质量但降低了总功耗。

在所有四类构型中，复合材料模块以其最低的质量配置脱颖而出，远低于质量目标。两种金属模块的总质量相似，而充气选项在整体模块级别上是最重的。图7显示了总模块质量的比较。图中所示的误差带代表了与每种配置相关的质量风险与优化潜力。

图7 复合材料与金属材料重量对比

主要成果与结论

波音公司独特的复合材料技术能力支持设计连续穹顶结构的自动纤维铺放（AFP）方案，实现高效轻量化。利用现有制造设施、机器人设备及热压罐即可生产，避免了承压壳分段连接带来的复杂性与增重。

尽管复合材料栖息舱尚未经历太空飞行验证，波音正持续推进设计成熟度，制定认证路径，并通过试验提升技术就绪水平。复合材料栖息舱通过大幅减重或质量再分配，为提升任务性能（如支持其他关键子系统）开辟了新机遇。

来源：碳纤维及其复合材料技术

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