● 摘要
充气式航天器已经有了将近50年的发展历程，由于其具有重量轻、折叠体积小、制造简单、可靠性高等优点，正逐渐成为航天器领域一个新的研究热点。本文首先介绍了充气式载人航天器的不同设计方案及其特点，重点分析了NASA的新概念太空舱——Transhab的设计思想，介绍了Transhab的内部结构，尤其是刚性支撑结构的构造和承力方式，并分析了其分层结构和各层的布局及功能。其次，文章介绍了Transhab的柔性外壳，分析了外壳的组成及各部分的功能，并详细描述了柔性外壳的折叠方式及展开过程，以及针对采用的新技术进行的测试情况。由于充气展开管是空间充气结构的基本结构部件和重要的支撑部件，由于重力和大气压力的影响，充气结构的地面实验又很难模拟实际空间工作环境，微重力和真空环境也很难在较大空间内同时实现。所以，计算机模拟其展开过程成为了此项研究的重要手段。本文通过建立空间充气展开结构的控制方程，详细讨论了空间充气管展开过程仿真分析的接触非线性问题、罚函数法和控制体积法的基本原理。然后，基于LS-DYNA970中的Airbag模型，建立了卷曲折叠和Z形折叠空间充气展开管的有限元模型，运用控制体积法成功模拟了充气管的充气展开过程，并研究了不同充气流量对充气管展开过程的影响规律。本文还分别从理论和模拟两个角度对展开后作为支撑结构的充气管进行了模态分析，考察了不同充气压力对充气支撑管的固有频率的影响规律。研究结果表明：本文提出的卷曲折叠充气管和Z形折叠充气管的建模方法是有效的；在充气管展开过程中，充气速度越大，展开的速度越快，但由于阻尼损耗，二者并非线性关系；充气速度过大不利于结构展开过程的稳定性；充气支撑管的气压越大，其固有频率越高，但影响效果很小。