严酷的月球环境

    月球环境存在许多需要考虑的外部危险因素,其中包括极端温度波动(软性材料对其有远远优于金属的承受力)、辐射、尘埃以及低引力等。该结构最里面两层承受的充气压力给ILC设计工程工程师带来的挑战最大。
 
    ILC高级分析工程师Ric Timmers表示:“在居住舱中压力必须达到宇航员能够生活的水平,而应对其中的高负载需要提供绝妙的设计,”在无空气的月球环境中,任何严重的织物破损都会导致整个结构向外发生毁灭性的爆裂。
 
    ILC的解决方案是在气体不能透过的涂层织物上设计一个联锁织带网。织物故意采用超尺寸设计,这样其可在网状面板之间稍微鼓起,将压力负载传递给织带。织物与织带的这种独特组合能够让居住舱充气到每平方英寸9磅(人类在月球上生活时,这种压力很适合)的压力,其符合NASA的空间结构安全标准。
 
    Willey表示:“之前我们曾经考虑构建一个试验装置,同时实施物理测量,测量织物承受的压力负载、织带张力以及窗口后面的压力,但是我们发现此类试验费用远远超过100万美元。我们不能依赖试误法。我们必须一步到位构建可靠的成品设计。
 
逼真的仿真提供切合实际的解决方案

    因此,团队求助于Abaqus有限元分析(FEA)软件在各种负载情况下测试织物与织带的虚拟模型。Timmers指出:“我们在这个项目上大量依赖Abaqus。做这项工作离开FEA太危险,因为你晚上必须得睡觉!”
 
    通过对一块矩形织物和四周的织网组成的“单元格”建模,ILC开始了对织物/织带系统的分析。模型稍微超出尺寸,可仿真织带间织物的鼓起。给模型施加了额定压力,而Abaqus计算了材料的合成应力(完全在NASA的安全系数4要求范围内)(图)。

图:Abaqus FEA对居住舱织物“单元胞体”的应力分析证明了最大负载完全处于NASA所要求的安全系数 极限范围内。
 
    Timmers表示:“由于此类结构对总体质量非常敏感,采用Abaqus FEA确定织物性能的容许极限非常有用。我们找到某种奏效的材料之后,就可采用Abaqus虚拟测试另外一种更轻的材料,以确定在保证适当安全系数的同时能够降低多少总体重量。
 
保持安全网完好无损

    除了织物约束系统承受低应力之外,居住舱稳定性的另一个有利因素是织带环本身的平均均衡负载。为了测试此部分设计,ILC团队采用了Abaqus来模拟织带的临界轴(端到端)长。

    Timmers指出:“这一次我们最大的顾虑是,一根织带长度的任何偏差都会削弱整个系统,从而将100%的负载集中到单个部分上,导致一连串断裂。”当一根织带缩短仅仅0.125%之后,分析结果表明其承受的载荷猛增到4815磅,而其它织带所承受的负载只有3600磅。不过,由于织带的断裂强度是24000磅,因此仍然符合安全系数要求。

在月球、甚至南极安营扎寨

    在完成其居住舱设计之后,ILC联合NASA构建了“驻扎月球”展品的原型,目前在NASA兰利研究中心展出。完整原型的物理验证试验(包括部署全过程操作、高压试验以及抗撕裂性评估等)有待进一步资金提供。
 
    Timmers表示:“我们很可能非常理想地使用Abaqus提前进行这些测试,最理想的方式是反复采用建模与试验组合,应用FEA确定少数可能发生的情况。”
 
    无论何时在地球之外部署宇航员居住舱,ILC有关此类结构的独特方案都会更进一步良好应用于我们的生活环境:可能用作健康俱乐部或医院的高压舱,也可能在科学家们进驻极地或沙漠时作为他们的栖身之所。采用Abaqus Uni?ed FEA设计的一种类似的居住舱已经在南极严酷的环境中通过了测试,其将准备现身北极。