嚴(yán)酷的月球環(huán)境

    月球環(huán)境存在許多需要考慮的外部危險(xiǎn)因素,其中包括極端溫度波動(dòng)(軟性材料對(duì)其有遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于金屬的承受力)、輻射、塵埃以及低引力等。該結(jié)構(gòu)最里面兩層承受的充氣壓力給ILC設(shè)計(jì)工程工程師帶來(lái)的挑戰(zhàn)最大。
 
    ILC高級(jí)分析工程師Ric Timmers表示:“在居住艙中壓力必須達(dá)到宇航員能夠生活的水平,而應(yīng)對(duì)其中的高負(fù)載需要提供絕妙的設(shè)計(jì),”在無(wú)空氣的月球環(huán)境中,任何嚴(yán)重的織物破損都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)向外發(fā)生毀滅性的爆裂。
 
    ILC的解決方案是在氣體不能透過(guò)的涂層織物上設(shè)計(jì)一個(gè)聯(lián)鎖織帶網(wǎng)。織物故意采用超尺寸設(shè)計(jì),這樣其可在網(wǎng)狀面板之間稍微鼓起,將壓力負(fù)載傳遞給織帶。織物與織帶的這種獨(dú)特組合能夠讓居住艙充氣到每平方英寸9磅(人類(lèi)在月球上生活時(shí),這種壓力很適合)的壓力,其符合NASA的空間結(jié)構(gòu)安全標(biāo)準(zhǔn)。
 
    Willey表示:“之前我們?cè)?jīng)考慮構(gòu)建一個(gè)試驗(yàn)裝置,同時(shí)實(shí)施物理測(cè)量,測(cè)量織物承受的壓力負(fù)載、織帶張力以及窗口后面的壓力,但是我們發(fā)現(xiàn)此類(lèi)試驗(yàn)費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)100萬(wàn)美元。我們不能依賴(lài)試誤法。我們必須一步到位構(gòu)建可靠的成品設(shè)計(jì)。
 
逼真的仿真提供切合實(shí)際的解決方案

    因此,團(tuán)隊(duì)求助于Abaqus有限元分析(FEA)軟件在各種負(fù)載情況下測(cè)試織物與織帶的虛擬模型。Timmers指出:“我們?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目上大量依賴(lài)Abaqus。做這項(xiàng)工作離開(kāi)FEA太危險(xiǎn),因?yàn)槟阃砩媳仨毜盟X(jué)!”
 
    通過(guò)對(duì)一塊矩形織物和四周的織網(wǎng)組成的“單元格”建模,ILC開(kāi)始了對(duì)織物/織帶系統(tǒng)的分析。模型稍微超出尺寸,可仿真織帶間織物的鼓起。給模型施加了額定壓力,而Abaqus計(jì)算了材料的合成應(yīng)力(完全在NASA的安全系數(shù)4要求范圍內(nèi))(圖)。

圖:Abaqus FEA對(duì)居住艙織物“單元胞體”的應(yīng)力分析證明了最大負(fù)載完全處于NASA所要求的安全系數(shù) 極限范圍內(nèi)。
 
    Timmers表示:“由于此類(lèi)結(jié)構(gòu)對(duì)總體質(zhì)量非常敏感,采用Abaqus FEA確定織物性能的容許極限非常有用。我們找到某種奏效的材料之后,就可采用Abaqus虛擬測(cè)試另外一種更輕的材料,以確定在保證適當(dāng)安全系數(shù)的同時(shí)能夠降低多少總體重量。
 
保持安全網(wǎng)完好無(wú)損

    除了織物約束系統(tǒng)承受低應(yīng)力之外,居住艙穩(wěn)定性的另一個(gè)有利因素是織帶環(huán)本身的平均均衡負(fù)載。為了測(cè)試此部分設(shè)計(jì),ILC團(tuán)隊(duì)采用了Abaqus來(lái)模擬織帶的臨界軸(端到端)長(zhǎng)。

    Timmers指出:“這一次我們最大的顧慮是,一根織帶長(zhǎng)度的任何偏差都會(huì)削弱整個(gè)系統(tǒng),從而將100%的負(fù)載集中到單個(gè)部分上,導(dǎo)致一連串?dāng)嗔??！碑?dāng)一根織帶縮短僅僅0.125%之后,分析結(jié)果表明其承受的載荷猛增到4815磅,而其它織帶所承受的負(fù)載只有3600磅。不過(guò),由于織帶的斷裂強(qiáng)度是24000磅,因此仍然符合安全系數(shù)要求。

在月球、甚至南極安營(yíng)扎寨

    在完成其居住艙設(shè)計(jì)之后,ILC聯(lián)合NASA構(gòu)建了“駐扎月球”展品的原型,目前在NASA蘭利研究中心展出。完整原型的物理驗(yàn)證試驗(yàn)(包括部署全過(guò)程操作、高壓試驗(yàn)以及抗撕裂性評(píng)估等)有待進(jìn)一步資金提供。
 
    Timmers表示:“我們很可能非常理想地使用Abaqus提前進(jìn)行這些測(cè)試,最理想的方式是反復(fù)采用建模與試驗(yàn)組合,應(yīng)用FEA確定少數(shù)可能發(fā)生的情況。”
 
    無(wú)論何時(shí)在地球之外部署宇航員居住艙,ILC有關(guān)此類(lèi)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特方案都會(huì)更進(jìn)一步良好應(yīng)用于我們的生活環(huán)境:可能用作健康俱樂(lè)部或醫(yī)院的高壓艙,也可能在科學(xué)家們進(jìn)駐極地或沙漠時(shí)作為他們的棲身之所。采用Abaqus Uni?ed FEA設(shè)計(jì)的一種類(lèi)似的居住艙已經(jīng)在南極嚴(yán)酷的環(huán)境中通過(guò)了測(cè)試,其將準(zhǔn)備現(xiàn)身北極。