小步骤，大跨越：第 128 集：工程太空充气结构

马特·科胡特（主持人）： 欢迎来到小步大跃，这是 NASA APPEL 知识服务播客。 我是今天这一集的主持人，马特·科胡特。 在每一集中，我们都重点关注 NASA 员工在通过知识开发和共享来推进该机构使命方面所发挥的作用。 今天的嘉宾托马斯·C·琼斯是充气栖息地方面的专家。 汤姆在 NASA 兰利研究中心工作了 16 年多，于 2023 年转到马歇尔太空飞行中心。他对大型、轻型可部署和可竖立的太空结构以及载人充气模块进行了结构分析、设计和测试，并与撰写了美国国家航空航天局 (NASA) 的原始充气软制品结构认证指南。 这是我们的谈话。

汤姆·琼斯，非常感谢您加入小步巨人跳跃。

汤姆·琼斯： 很高兴来到这里。

主持人： 那么，让我们首先定义什么是充气栖息地。 “可扩展栖息地”和“充气栖息地”这两个术语可以互换吗？

琼斯： 是的，这是一个有趣的问题。 通常，它们是可互换的，并且充气栖息地开始时本质上是一个大的充气体积。 它是栖息地典型刚性外壳结构的替代方案。 我们一直在研究这些结构，基本上可以追溯到美国宇航局成立之初，但可扩展的栖息地可以包括其他实际上也可能具有刚性元素的船只。 因此，我们过去研究过具有刚性伸缩结构和机械部署结构的概念。 有一种叫做霍伯曼球体的结构，你实际上可以将其作为玩具购买，但它基本上是一种小型机械化设备，可以从很小的体积展开成球体。

可以建造不同的结构，这些结构可以被认为是可扩展的，但充气结构通常被我们认为是可扩展的栖息地应用的原因是，如果您使用刚性结构，它将有很多铰链其中的线条和那些铰链会增加额外的质量。 由于部署，它们增加了一些额外的风险。 在那个设计中你有很多铰链点。 对于大型伸缩结构，最关心的问题之一是密封线。 正在部署的每个部分，如果你有一个直径为 10 – 20 英尺的东西，并且它在该直径的多条密封线周围有一条密封线，那就是一个问题，特别是当我们去月球时，那里的密封线是其中之一灰尘可能渗入的区域。 所以，这是一个是或否的问题。 是的，充气结构已与可扩展栖息地互换使用，但我们有充分的理由专门关注充气结构。

主持人: 您提到自 20 世纪 60 年代初以来，美国宇航局 (NASA) 一直在研究充气产品。 哪些早期概念和里程碑帮助这项技术发展到今天的程度？

琼斯: 因此，在 60 年代，NASA 兰利与固特异航空航天公司做了很多工作，网上有一些他们提出的一些概念的精彩图片，但他们正在研究这些大型环形充气结构，这可能是用于空间站。

然后，在该计划的后期，在 60 年代后期，随着阿波罗任务的进行，我们正在考虑将阿波罗任务延长到几天之外，对于那些持续时间较长的任务，他们正在考虑为此可以充气的栖息地。 从 60 年代到 90 年代末，确实存在很大的差距，当时的重点不是充气产品。 我们在天空实验室和航天飞机等项目之间进行了很多项目，并建造了国际空间站。 但在 90 年代末，有一个名为 TransHab 的项目，它是 Transit Habitat 的缩写，由约翰逊航天中心主导，这是一个为期三年的项目，他们确实帮助推动了他们使用的许多技术的发展，被用作当今充气产品发展的基准。

许多工作是在 60 年代完成的，更多的是原型概念工作，他们确实研究了很多不同的方法。 当我们谈论可扩展结构与充气结构时。 他们确实研究了一些用于伸缩刚性结构和机械化部署的概念，但在 90 年代末的 TransHab 计划下，他们真正开始深入研究如何构建这些结构之一的细节，架构是什么样子的，这些层是什么样子，如何将窗户和舱口等东西集成到这些充气外壳中，如何设计和测试由软结构制成的微陨石防护罩。 他们进行了大量的技术开发，然后获得了专利。 实际上，该技术随后获得了毕格罗航空航天公司的许可，毕格罗航空航天公司在 2000 年至 2020 年的大约 20 年时间内一直在开发这些栖息地技术，并于 2016 年推出了 BEAM 模块。 然后从 BEAM 开始，我们进入了当前的 NextSTEP 计划，我们正在与几家不同的商业公司合作开发充气产品。 这确实是这些事件的时间表。

主持人: 让我们在 BEAM 之前稍微回顾一下，您提到这些充气栖息地有多层外壳，这些外壳是由所谓的软制品或专门为此目的设计的材料制成的。 请告诉我们一些关于这些多层结构是如何设计的以及其中的内容。

琼斯：是的，所以每一层都是为了特定目的而设计的。 里面有很多不同的层。 您所说的是总共 20 或 30 层各种不同类型的织物和膜材料。 从航天器内部看，我们内部有一层磨损层，类似于 Nomex 材料。 这有助于保护所有外层免受内部的任何损坏。 所以，宇航员在那里移动。 您的物流正在四处移动。 除此之外，通常还有两到三层膀胱。 这些层实际上保留了航天器内部的大气层。 它们是不可渗透的。 它们通常由毛毡层间隔开。 所以，我们过去使用的是凯夫拉毡。 它赋予它更多的强度和耐用性。 如果其中一个气囊有一点针孔泄漏，它不会导致整个航天器泄漏。 因此，通常存在多余的膀胱。

除了该层之外，还有一层是许多测试重点关注的层，即约束层，也是承受压力载荷的实际结构层。 您可以想象，对于大型空间结构，特别是对于直径可能非常大的充气设备，这些应力会变得相当高。 因此，在设计和布置约束层方面做了很多工作。 NASA 本身的每个不同公司都有不同的元素配置来形成该层，并且您必须对每个元素进行测试。 本质上，该层的想法是为整体结构提供强度和耐用性。 除此之外，还有一些层可以基本上保护膀胱的内层和约束层，显然还有栖息地内的宇航员。

除了MMOD之外，我们还有MLI，即多层安装。 MLI 有很多遗产。 它本质上是多层镀铝聚酰亚胺薄膜。 在所有东西的外层，我们基本上都有内磨损层的推论。 我们有一个外层可以保护一切免受原子氧的侵害。 所以，如果你在较低的轨道上，原子氧会侵蚀这些合成材料，所以外面有一层可以帮助防止这种情况发生。 然后，如果我们要去月球或火星，在那里你试图建立一个表面栖息地，你必须有一个外层来保护免受灰尘环境的影响。 这是一个正在进行的研究领域，宇航员和宇航员套装特别感兴趣。 它们将在灰尘中行走，因此我们也将利用在它们外层所做的大量研究。

主持人: 因此，正如您所说，听起来有些材料具有重要的传统，而其他材料可能是目前最前沿的。 我很好奇过去（比如二十年左右）出现的一些材料是否有突破性的时刻。 例如，是否有特定的材料必须进化到可以完成 BEAM 所需的功能？

琼斯: 是的，在 TransHab 计划期间，结构材料的基线，即约束层材料是凯夫拉尔纤维。 显然，凯夫拉纤维的军事应用给那里留下了很多遗产。 在该计划期间，他们还开始研究一种名为 Vectran 的材料。 Vectran 同样是一种具有非常高的强度重量比的合成材料，但它也有一些很好的特性。 从本质上讲，它成为了 TransHab 之后建造的所有结构的基准材料。

因此，BEAM 中有 Vectran 织带，并且当前开发的所有充气结构以及所有正在开发的充气结构都使用 Vectran 材料作为结构层。 其原因是它具有一些终生良好的特性。 因此，您可以想象一个栖息地可能会承受几年、十年或更长时间的压力。 Vectran 的蠕变性能非常好，即在负载下进行的长时间拉伸。 所以 Vectran 是一个大人物。 正如我之前提到的，一些外层使用的材料具有相当多的传统。 原子氧或灰尘层的最外层通常是 Beta 布。 这是多年来一直使用的东西。 这实际上是现在可能研究的一个领域，因为人们越来越重视减少永久化学物质。 Beta 布中含有一些成分——PFAS。 因此，他们正在寻找替代方案，因此这可能是一个新的发展领域。

主持人: 说到近地轨道，我们来谈谈BEAM的教训。 我很好奇美国宇航局从这次部署中学到了什么，以及这些知识如何为当今的技术和任务规划提供信息。

琼斯: 是的，BEAM 是一个很棒的演示模块。 到现在为止，它已经在那里呆了八年了。 它已经过重新认证，可以在国际空间站的生命周期基本结束时使用。 最初它只是为两年的任务而设计的，所以它确实证明了在轨道上拥有充气结构以及机组人员可以进入并使用的东西的长期可行性。 有趣的是，经过两年的初步测试计划，它基本上被转换成一个物流存储模块，听起来有些平凡，但它实际上很好地演示了充气结构如何让您拥有非常大的物流体积。 这实际上是一个非常重要的考虑因素，特别是对于长期任务而言。 显然，国际空间站是一项长期任务，但我们正在考虑在月球上进行长期表面任务。 我们正在研究火星过境任务和火星上的长期表面任务。 因此，在哪里存储这些任务的后勤物资至关重要。 充气结构是一种高度可包装和可部署的结构，可以让您存储所有这些物流，而无需占用刚性结构的整个宜居空间。 您可以在国际空间站内部看到的许多图像中看到这一点。 里面有很多东西。 这是 BEAM 的一次精彩演示。

2016 年之后，我们从 BEAM 中吸取的教训之一是，我们以前从未真正认证过这样的结构。 因此，没有关于如何做到这一点的指导方针，因此有很多真正为刚性结构和金属编写的使用要求和标准。 因此，在 BEAM 之后我们立即做的一件事就是开始制定原油应用充气结构认证指南。 这是几年前发布的内容，但它基本上用于指导我们希望从我们的行业合作伙伴那里看到的测试，因为他们正在开发和认证其充气栖息地。 BEAM 的最后一件事是他们确实在那里安装了仪器系统。 因此，我们有一个分布式碰撞检测系统（DIDS），它是放置在 BEAM 内部的一系列加速度计。 那是为了探测陨石的影响。 那里没有得到大量的正面命中，但部分原因是他们发现光束在行进方向上位于国际空间站的外侧。 所以，无论如何，这里都是一个保护得比较好的区域。

但我们了解到的一件事是，你可以捕捉到空间站中正在发生的其他事情，包括振动、宇航员四处移动以及航天器进出，因此这些信号也会显示在撞击检测系统中。 所以这是一个有趣的事情。 他们还观察了一段时间内 BEAM 内部的辐射水平。 本质上，辐射水平名义上与空间站其他部分的辐射水平相同，但软质商品上的充气物的一个有趣的特点是，因为它们大部分是合成聚合物材料，它们实际上不会产生二次辐射，二次辐射可以成为宇航员关心的问题。 因此，如果您拥有由金属等重分子制成的材料，当辐射进入时，它会产生具有破坏性的二次辐射。 软质结构不具备这一点，所以这是充气产品的一个特点。 他们在那里观察的其他一些东西是微生物读数。 他们对此进行了零星的阅读，并且我认为在其整个生命周期中都一直延续着这种做法。 同样，这些仍然是名义上的。

拥有充气设备的问题之一是里面有这些橡胶和织物表面。 与金属表面相比，它们可能更容易出现微生物问题。 保持清洁要容易一些，但他们看到——他们没有看到任何读数明显高于他们在空间站看到的任何读数。 所以这是很好的信息。 最后一个是他们确实测量了温度，并且继续监测，但这些结构的被动热性能也被证明非常好。 所以，它们实际上绝缘得很好。 从该计划中学到了很多有趣的事情和经验教训，这些都有助于为自那时以来的这些计划提供信息。

主持人: 现在，BEAM 充气需要七个多小时。 您能否向我们简要介绍一下此类流程的运作方式？

琼斯: 任何充气装置​​的发射和部署都需要几个步骤，BEAM 显然必须经历这些步骤。 确实影响 BEAM 和整个部署的事情之一是，在他们发射 BEAM 之前，猎鹰 9 号发射失败，最终导致发射延迟了大约 10 个月。 。 因此，它在高度压缩的包装状态下停留的时间比预期多了 10 个月。 所以，你可以想象，如果你有一些由这些不同的软材料制成的东西，你把它压扁，现在你在这种结构下保持很长一段时间，然后将它发射到寒冷和真空的环境中。空间，那种想要呆在一起的东西。 因此，当他们开始部署它时就遇到了这个问题。 在此之前，一旦他们发射了它并将其运送到空间站并用机械臂将其连接到空间站，他们必须执行的第一个步骤就是释放约束带。 他们在船的外侧绑了三条束缚带。 他们还有一些发射锁螺栓，将两端的两个舱壁连接在一起。

因此，他们释放了这些，以便它现在可以轴向部署。 最后一部分基本上是关闭阀门。 对于充气产品来说，关键的事情之一是，当您发射它并将其包装好时，可能会在其中残留一些空气。 几乎不可能将其中的所有空气排出，因此当您从海平面上升到真空太空时，必须有一条畅通的路径，以便空气能够从内部逃逸到外部。 因此，它们本质上有一个打开的排气阀。 在进行加压之前，他们必须将其关闭，然后他们实际上只是向其中注入大量空气。 这是一个演示模块，因此它可能不是他们为栖息地执行此操作的最终方式，但本质上它是由宇航员手动打开和关闭阀门来完成的，并且他们通过一系列大约 25 个单独的手动阀门打开来完成此操作和闭幕式。 当他们这样做时，当他们第一次开始这样做时，他们注意到压力正在上升，但结构并没有按照他们预期的方式部署。

所以，他们放弃了这一点。 他们让它静置一会儿，放松材料。 他们有点沮丧。 然后他们回来，开始向其中注入更多的气体，在七个小时的时间内它逐渐将其移出，但这很大程度上可能是由于它被压缩了太长时间，以至于你已经当你向它注入气体时，让它有一点时间放松并自行膨胀。

主持人: 回到现在，我们目前对这类结构有什么了解？在我们准备好为阿耳忒弥斯宇航员在月球上放置一个结构之前，我们还需要学习什么？

另一方面是将仪器集成到该结构层中，以便您可以随着时间的推移实际监控其性能。 这有两个原因。 一个是风险缓解，因为我们第一次使用这些，我们可以监控该结构层的性能，因为它不是直接可见的。 由于气囊上有磨损层，您无法从内部看到它。 由于微陨石层和 MLI，你无法从外部看到它，因此我们确实希望在结构材料的主体上集成一些传感器，以便我们可以跟踪其随时间的应变。 我们可以看到它的蠕变性能，然后希望通过我们在地面上进行的模型和测试来验证其中的一些性能。

另一个领域是防尘以及这些外层可能是什么样子。 我之前提到过——这也是宇航服的一个问题，我们可能使用什么材料，然后是贝塔布，以及它使用这些永久化学品的事实。 最终可能需要使用不同的东西。 因此，这也将是我们仍然需要研究和掌握的一个领域。 最后一部分，特别是对于充气结构来说，是硬结构的集成。 因此，如果您有一个金属栖息地，那么集成一个穿透件（例如窗户或舱口）会更容易。 与软质商品结构相比，这样做要简单一些，您必须在软质商品和硬质结构之间建立界面，并在气囊和渗透物之间建立密封线。

因此，这也是我们已经完成大量工作的地方。 对于模块级测试，他们必须使用那些集成的硬结构进行测试。 这就是——你可以看到 Sierra Space 最近发布的一些视频，关于他们在马歇尔进行的测试，并用集成板来演示其中的一些内容。 对于每个架构来说，这仍然是一个需要证明可以放入这些类型的结构的领域。

主持人: 最后一个问题要问你，它确实符合我们刚才讨论的内容。 您认为这些技术在未来十年中最有前途的发展是什么？

琼斯: 是的，我的意思是，对我来说最有希望的发展确实是在 TransHab 成立 20 年后，我们一直在进行大量的尝试和测试，以使我们达到现在我认为有信心的地步充气结构是一个可行的解决方案。 这些概念一直存在于架构中，并且我认为将这些作为可用元素的愿望一直存在，但现在在开发方面真正令人兴奋的是，我们有多家商业公司正在开发中。目前正在开发充气产品并进行测试。 因此，我认为有多种可行的方法和途径可以让可居住元素真正进入轨道，既可以用于美国宇航局的太空、月球、最终登陆火星的应用，也可以用于许多商业应用。

因此，这些公司希望通过建造这些结构来建立一个可行的商业企业。 诸如太空制造、医疗/制药开发、在微重力下开发新材料，甚至旅游和娱乐等都是商业公司有兴趣使用这些充气产品的事情，并且拥有私人航天器本质上可以让人们使用它们这些类型的应用程序。 至少对我来说非常有趣的另一件事是将这项技术扩展到栖息地以外的其他领域。 因此，架构中还有其他元素可以使用充气装置。 所以，像太空中或地面上的气闸这样的东西——那些可能是充气的。 隧道元素 – 当您建立前哨站时连接多个栖息地的元素，或者例如漫游者和栖息地之间的元素。 这些东西非常适合可部署的结构。 甚至诸如燃料和就地资源使用之类的事情。 因此，您提取的资源可以存储在充气容器中。 我们有人研究过充气装置中的低温储存。 因此，您可以发射一系列非常大的坦克，或者您可以将它们包装在一个非常小的火箭中并相当容易地着陆。

直接有很多有趣的应用程序，然后我们实际上有一个当前的开放挑战。 所以，这是一个开源挑战，我们经常这样做，称为“大创意挑战”，我们目前正在研究栖息地之外的充气应用。 我们收到了一些非常有趣的建议，涉及充气设备在各种不同应用和特定任务中的新颖用途。 所以，是的，我想说，在栖息地和栖息地衍生的充气装置以及除此之外的充气技术的使用方面，都有很多有前途的发展。

主持人: 听起来确实是这样。 汤姆·琼斯，非常感谢您接受我的采访。

琼斯: 我的荣幸。 谢谢。

主持人： 这就是本集《小步大跃》的内容。 有关本节目的文字记录，或有关汤姆·琼斯或我们今天讨论的主题的更多信息，请访问我们的资源页面： APPEL.NASA.gov/podcast。 不要忘记查看我们的其他播客，例如《休斯顿》、《我们有一个播客》或《好奇的宇宙》。 感谢收听。