嚴酷的月球環境

    月球環境存在許多需要考慮的外部危險因素,其中包括極端溫度波動(軟性材料對其有遠遠優于金屬的承受力)、輻射、塵埃以及低引力等。該結構最里面兩層承受的充氣壓力給ILC設計工程工程師帶來的挑戰最大。
 
    ILC高級分析工程師Ric Timmers表示:“在居住艙中壓力必須達到宇航員能夠生活的水平,而應對其中的高負載需要提供絕妙的設計,”在無空氣的月球環境中,任何嚴重的織物破損都會導致整個結構向外發生毀滅性的爆裂。
 
    ILC的解決方案是在氣體不能透過的涂層織物上設計一個聯鎖織帶網。織物故意采用超尺寸設計,這樣其可在網狀面板之間稍微鼓起,將壓力負載傳遞給織帶。織物與織帶的這種獨特組合能夠讓居住艙充氣到每平方英寸9磅(人類在月球上生活時,這種壓力很適合)的壓力,其符合NASA的空間結構安全標準。
 
    Willey表示:“之前我們曾經考慮構建一個試驗裝置,同時實施物理測量,測量織物承受的壓力負載、織帶張力以及窗口后面的壓力,但是我們發現此類試驗費用遠遠超過100萬美元。我們不能依賴試誤法。我們必須一步到位構建可靠的成品設計。
 
逼真的仿真提供切合實際的解決方案

    因此,團隊求助于Abaqus有限元分析(FEA)軟件在各種負載情況下測試織物與織帶的虛擬模型。Timmers指出:“我們在這個項目上大量依賴Abaqus。做這項工作離開FEA太危險,因為你晚上必須得睡覺!”
 
    通過對一塊矩形織物和四周的織網組成的“單元格”建模,ILC開始了對織物/織帶系統的分析。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計算了材料的合成應力(完全在NASA的安全系數4要求范圍內)(圖)。

圖:Abaqus FEA對居住艙織物“單元胞體”的應力分析證明了最大負載完全處于NASA所要求的安全系數 極限范圍內。
 
    Timmers表示:“由于此類結構對總體質量非常敏感,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虛擬測試另外一種更輕的材料,以確定在保證適當安全系數的同時能夠降低多少總體重量。
 
保持安全網完好無損

    除了織物約束系統承受低應力之外,居住艙穩定性的另一個有利因素是織帶環本身的平均均衡負載。為了測試此部分設計,ILC團隊采用了Abaqus來模擬織帶的臨界軸(端到端)長。

    Timmers指出:“這一次我們最大的顧慮是,一根織帶長度的任何偏差都會削弱整個系統,從而將100%的負載集中到單個部分上,導致一連串斷裂。”當一根織帶縮短僅僅0.125%之后,分析結果表明其承受的載荷猛增到4815磅,而其它織帶所承受的負載只有3600磅。不過,由于織帶的斷裂強度是24000磅,因此仍然符合安全系數要求。

在月球、甚至南極安營扎寨

    在完成其居住艙設計之后,ILC聯合NASA構建了“駐扎月球”展品的原型,目前在NASA蘭利研究中心展出。完整原型的物理驗證試驗(包括部署全過程操作、高壓試驗以及抗撕裂性評估等)有待進一步資金提供。
 
    Timmers表示:“我們很可能非常理想地使用Abaqus提前進行這些測試,最理想的方式是反復采用建模與試驗組合,應用FEA確定少數可能發生的情況。”
 
    無論何時在地球之外部署宇航員居住艙,ILC有關此類結構的獨特方案都會更進一步良好應用于我們的生活環境:可能用作健康俱樂部或醫院的高壓艙,也可能在科學家們進駐極地或沙漠時作為他們的棲身之所。采用Abaqus Uni?ed FEA設計的一種類似的居住艙已經在南極嚴酷的環境中通過了測試,其將準備現身北極。