一种刚柔结合的轻量化载人密封舱

技术领域

本发明涉及航天器技术领域，具体涉及一种刚柔结合的轻量化载人密封舱。

背景技术

传统载人航天器密封舱结构均是刚性结构，密封舱侧壁结构形式大致分为半硬壳式和壁板式两种。前者结构由蒙皮、隔框和桁条焊接形成，如中国“神舟”飞船返回舱、俄罗斯“联盟”系列飞船轨道舱均为半硬壳式结构。后者结构是由壁板和框整体焊接而成，如中国“天宫空间站”、俄罗斯“和平号空间站”均为整体壁板式结构；球底部分通常没有设备安装的需求，因此选择刚性蒙皮作为球底结构，其构型为球形，便于承受内压。

目前随着我国载人月球探测等工程的发展，对载人航天器密封舱的轻量化和集成化提出强烈需求，一方面要求舱体结构做到极致轻量化，另一方面要求密封舱要与大型贮箱等共型一体化设计，达到缩小发射包络的目的，传统刚性的载人密封舱是无法满足上述的任务需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种刚柔结合的轻量化载人密封舱，能够满足极致轻量化和与贮箱等共型设计的需求。

本发明采用的技术方案如下：

一种刚柔结合的轻量化载人密封舱，包括金属壳体和柔性膜；

所述金属壳体为前球锥、柱段和后锥构成的一体化结构，前球锥前端设有对接舱门，用于与飞船对接；所述后锥底端通过柔性膜密封，所述柔性膜在内压作用下贴附在伸入密封舱内部的贮箱表面；所述柱段上设有出舱舱门，同时所述柱段上还设有设备安装平台，用于搭载仪器。

进一步地，所述金属壳体为整体壁板式结构，由多个环形金属连接框和壁板一体焊接而成。

进一步地，所述柔性膜与金属壳体通过金属压环和螺钉固定连接，同时柔性膜和金属壳体间设有密封圈。

进一步地，所述柱段上端设有舷窗，用于保证航天员在轨及月面对外观测。

进一步地，所述密封舱内设置有地板，地板与密封舱金属壳体的金属连接框通过螺钉连接；地板为蜂窝夹层板结构。

进一步地，所述设备安装平台为由蜂窝夹层结构板搭接而成的格子间。

进一步地，所述设备安装平台包括顶板、底板、隔板、主板以及两个侧板；

所述顶板、底板、隔板、主板以及两个侧板均为蜂窝夹层结构板，内外两侧蒙皮与中心的铝蜂窝芯子通过胶黏剂粘接为一体；所述两个侧板固定在顶板、底板之间构成框架，所述隔板设置在框架内，所述框架一侧开放端与密封舱舱体通过弯折型连接角片固定连接，另一侧开放端由主板封闭。

进一步地，所述顶板与侧板之间、底板与侧板之间、隔板与侧板之间通过孔套和侧向埋件固定连接。

有益效果：

1、本发明设计柔性膜替代传统刚性蒙皮球底，结构重量大幅降低，常用的密封舱金属材料密度为2.64g/cm

其次，本发明利用柔性膜作为密封底，由于其柔性和密封的特性，可在保证密封前提下充分适应外部构型，所以构型设计时可将贮箱伸入密封舱内部，柔性膜在内压作用下覆盖在贮箱上表面，极大的压缩了整器的高度，整个航天器布局更加紧凑，空间利用率提高。而且柔性膜在密封舱内压作用下覆盖在贮箱表面，贮箱工作时其内部高压可完全承受柔性膜的压力而不压溃变形，贮箱结构承载能力得到复用，提高了结构效率。

2、本发明中密封舱顶端和侧面的舱门设计，能够保证航天员顺利进出航天器，侧面的舷窗设计，能保证航天员在轨及月面对外观测，保证空间任务的顺利完成。

3、本发明中密封舱侧壁设计了设备安装平台，可用于载荷设备的安装，根据任务需求布局需求可选择配置，也可进行尺寸设计，结构重量轻承载能力强且配置灵活适应性强。而且，设备安装平台设置为封闭结构，能够满足仪器的温控要求。

4、本发明在密封舱内设置了地板结构，地板为蜂窝夹层结构板，为航天员提供生活和活动的支撑，使用感受舒适便利，地板结构重量轻且承载能力强。

5、本发明各个结构板之间通过均通过孔套和侧向埋件直接进行连接，进一步减重实现轻量化。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为航天员在舱内身着航天服站立于密封舱内的示意图。

图3为航天员在舱内身着航天服站立于密封舱内的另一视角示意图。

图4为密封舱从发射到月面着陆的工作模式。

图5为柔性膜与密封舱壳体间的连接形式。

图6为设备安装平台的组成结构示意图。

图7为设备安装平台顶板或底板与侧板连接结构示意图。

图8为设备安装平台主板与侧板连接结构示意图。

图9为设备安装平台侧板与隔板连接结构示意图。

图10为设备安装平台顶板或底板或侧板与舱体连接结构示意图。

图11为地板与密封舱结构的连接结构示意图。

其中，1-对接舱门，2-舷窗，3-金属壳体，4-出舱舱门，5-地板，6-柔性膜，7-贮箱，8-设备安装平台，9-密封圈，10-金属压环，11-主板，12-顶板，13-侧板，14-弯折型连接角片，15-底板，16-隔板。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种刚柔结合的轻量化载人密封舱，如图1～3所示，包括金属壳体3和柔性膜6。

金属壳体3为前球锥、柱段和后锥构成的一体化结构，金属壳体3为整体壁板式结构，由多个环形金属连接框和壁板一体焊接而成。壁板结构为蒙皮加筋结构，蒙皮厚度1.2～1.5mm，加筋宽度2～3mm，加筋高度5～13mm。

前球锥前端设有对接舱门1，舱门可内外开合，通径为850mm，对接舱门1在轨开启后可与飞船对接，形成航天员和货物的转移通道。

后锥底端通过柔性膜6密封，柔性膜6为柔性非金属材料，本实施例采用聚氨酯薄膜，柔性膜6在内压作用下贴附在伸入密封舱内部的贮箱7表面；由于贮箱7工作压力远高于柔性膜6传递的压力，因此不会被压溃变形。因为柔性膜6的设置，贮箱7布局灵活，可探入密封舱的内部节省空间，同时柔性膜6还能够有效适应贮箱7的充压变形等。柔性膜6与金属壳体3通过金属压环10和螺钉固定连接，同时柔性膜6和金属壳体3间设有密封圈9，实现柔性膜6与舱体之间的密封。如图5所示，柔性膜6覆盖在贮箱7上表面，密封舱内充压后压力作用在贮箱7上，柔性膜6自身不承载仅密封，利用贮箱7实现承载，柔性膜6可承受舱内外90kPa的压差。

柱段上设有出舱舱门4，出舱舱门4开启后，可形成航天员在月面的出舱通道，实现航天员在月面的进出舱活动。为便于航天员进出，出舱舱门4设计为方形舱门，通径为1000mm×1000mm，出舱舱门4可内外开合，作为航天员进出月面的通道。

同时柱段上还设有设备安装平台8，用于搭载仪器。设备安装平台8为由蜂窝夹层结构板搭接而成的格子间，最大程度提供设备安装面和安装空间。如图6所示，设备安装平台8包括顶板12、底板15、隔板16、主板11以及两个侧板13；顶板12、底板15、隔板16、主板11以及两个侧板13均为蜂窝夹层结构板，蜂窝夹层结构板蒙皮为M55J碳纤维材料，内外两侧蒙皮与中心的铝蜂窝芯子通过胶黏剂粘接为一体，承载大的侧板13和隔板16厚度为25.6mm，底板15和顶板12为15mm，蒙皮厚度均为0.3mm。设备安装平台8可根据载荷设备布局进行尺寸调整及参数设计。两个侧板13固定在顶板12、底板15之间构成框架，隔板16设置在框架内，隔板16可为多个，平行设置，如图10所示，框架一侧开放端与密封舱舱体通过弯折型连接角片14固定连接，另一侧开放端由主板11封闭。如图7～9所示，顶板12与侧板13之间、底板15与侧板13之间、主板11与侧板13、隔板16与侧板13之间通过孔套和侧向埋件固定连接。侧向预埋件采用螺钉，孔套设置在蜂窝夹层结构板内。

柱段上端还设有舷窗2，用于保证航天员在轨及月面对外观测。

密封舱内设置有地板5，提供航天员在舱内的站立和活动的平台，如图11所示，地板5与密封舱金属壳体3的金属连接框通过螺钉连接；地板5为蜂窝夹层板结构，蒙皮材料为M55J碳纤维，内外两侧蒙皮与中心的铝蜂窝芯子通过胶黏剂粘接为一体，地板5厚度为25.6mm。

如图4所示，密封舱从发射到月面的工作模式如下：

1)发射状态

发射状态，两个舱门(对接舱门1和出舱舱门4)均处于关闭状态，与密封舱舱体共同保证密封舱密封性能。

2)月轨对接状态

着陆器在月球轨道与新飞船完成对接，航天员用舱门钥匙从外侧打开密封舱对接舱门1，进入到密封舱内。

3)月面出舱状态

航天员随舱体着陆到月球，在舱体泄压后，航天员打开出舱舱门4，进入月面开展活动。航天员月面活动返回舱内后，可用便携式快检仪对舱门密封状态进行检测，检测合格后，对舱内进行复压。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。