一种应用于月球建筑的六边形充气展开建筑模块

本发明涉及一种应用于月球建筑的六边形充气展开建筑模块，属于月球居住建筑建造技术领域。

背景技术：

我国探月工程按照“绕、落、回”三步走的规划正式实施，已圆满完成前两步目标,实现了“五战五捷”。目前正在实施嫦娥五号任务,已完成实现月球采样返回。建设月球科研站将作为下一阶段探月工程中的重要目标。对于人类移民，火星被公认为更具潜力的宜居星球，而月球可作为深空探测和太空移民的中转站。

如何实现以较低的成本将太空舱送入太空，在月球、火星等星球上建造太空基地将是将来需要解决的重要难题。充气式太空舱模块比传统金属结构的居住舱质量更轻、在火箭中占用的空间更小、成本更低、易成型，能够为航天员提供更多的活动空间。

现有技术中的充气展开式舱体多为球体、圆柱体的形状，多数是较为理想化探讨地外建筑的造型和展开方式。但舱体展开结构较为复杂，舱体与舱体之间的连接需要连接通道，导致舱体与舱体之间的连接与断开不便，且因舱体的形状限制，导致其不便于模块化拓展，另外，现有技术中对于将展开式舱体固定于月球表面的方式并未有过多记载，舱体展开后在月球表面的稳定性无法保证。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述技术问题，进而提供了一种应用于月球建筑的六边形充气展开建筑模块。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种应用于月球建筑的六边形充气展开建筑模块，它包括折展支架以及充气膜，其中所述折展支架包括三个推拉舱门、三组顶部滑轨、三组底部滑轨及上下正对布置的正六边形顶板与正六边形底板，其中正六边形顶板的周向均布三个顶部侧板，且三个顶部侧板对应与正六边形顶板的三个侧面铰接，正六边形底板的周向均布三个底部侧板，且三组底部滑轨与三个底部侧板交错布置且对应与正六边形底板的六个侧面铰接；

建筑模块折叠状态下，顶部侧板、底部侧板、推拉舱门、顶部滑轨及底部滑轨均竖向布置，三个推拉舱门对应位于三个顶部侧板的正下方且推拉舱门与顶部侧板之间对应通过顶部滑轨连接，顶部滑轨的一端部与顶部侧板之间、顶部滑轨的另一端部与推拉舱门的顶部之间以及推拉舱门的底部与底部滑轨之间均为滑动连接；

建筑模块展开状态下，正六边形底板、三个底部侧板以及三组底部滑轨均位于同一水平面，三个推拉舱门滑动至底部滑轨的另一端，充气膜充气展开且展开后的充气膜横截面呈六边形结构；

推拉舱门的门框下部转动安装有踏步，建筑模块展开状态下，踏步伸展至建筑模块外部且搭设在月球表面。

进一步地，正六边形底板的底部安装有若干第一定位杆，推拉舱门的门框底部安装有至少两个第二定位杆，第一定位杆及第二定位杆均为轴向伸缩杆。

进一步地，每个定位杆在竖直状态下，其靠近月壤的一端设置有伸缩式限位爪。

进一步地，若干第一定位杆沿正六边形底板的周向均布。

进一步地，充气膜的顶部及底部分别对应与正六边形顶板及正六边形底板密封连接，充气膜的侧面与三个推拉舱门密封连接。

进一步地，底部滑轨展开状态下呈h形结构。

进一步地，推拉舱门与顶部滑轨之间以及推拉舱门与底部滑轨之间分别通过滑轮连接。

进一步地，推拉舱门为矩形结构。

进一步地，所述充气膜包括顺次布置的光纤系统预制层、柔性内膜层、充气结构加强层、柔性保温层、柔性防护层、月壤填充层、月壤加强层及柔性太阳能表皮层，其中，所述光纤系统预制层、柔性内膜层、充气结构加强层、柔性保温层及柔性防护层均在地预制，所述月壤填充层、月壤加强层及柔性太阳能表皮层均在月建造，所述光纤系统预制层内部埋设光纤且通过接头连接房间内设备，在压强作用下所述柔性内膜层的内膜合围成腔且持续成压保持形态，充气结构加强层由掺杂模拟月壤及含硼化合物的聚合物泡沫发泡制成，光纤系统预制层表面涂覆有内饰层，光纤系统预制层表面配置有采样器芯片和感应器接点。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本申请的折展支架结构简单，且通过在地球标准化预制、扎根于月球表面、在月机械展开而后重启展开形成六边形结构，给月球建筑提供了一种六边形可拼接的结构体系与建造方案。

本申请在折叠状态下，呈六棱柱结构，与现有技术中的圆形或球形的充气展开结构相比较，本申请较好的结合机械展开和充气展开的建造模式，满足航空航天材料在发射时尽量轻、占用较小面积的要求，适合建造月球及太空建筑；

通过本申请六边形结构的设计，实现舱体之间的高效连接。舱体完全展开后的形状为六边形，是一种利用率高、便于模块化拓展、结构最优、材料最省、体形系数低、可持续性能优的适合月球基地建造的结构形式。舱体之间可以增加条状充气通道进行间接连接，也可以通过两个舱门外的部件直接连接，从而实现舱体之间的接驳，可拓展成一定规模的月球基地。

附图说明

图1为本申请展开状态下的立体结构示意图；

图2为本申请折叠状态下的立体结构示意图；

图3为底部滑轨及底部侧板展开状态下，本申请的立体结构示意图；

图4为机械展开部分完全展开状态示意图；

图5为相临两个建筑模块的接驳方式示意图；

图6为充气膜的拼接结构示意图；

图7(a)、(b)及(c)为建筑模块的三种连接方式；

图8为充气膜的断面结构示意图；

图9(a)为伸缩式限位爪尖部朝上的倒勾结构，(b)为伸缩式限位爪尖部朝下的抓手结构。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～9说明本实施方式，一种应用于月球建筑的六边形充气展开建筑模块，它包括折展支架以及充气膜，其中所述折展支架包括三个推拉舱门1、三组顶部滑轨2、三组底部滑轨3及上下正对布置的正六边形顶板4与正六边形底板5，其中正六边形顶板4的周向均布三个顶部侧板6，且三个顶部侧板6对应与正六边形顶板4的三个侧面铰接，正六边形底板5的周向均布三个底部侧板7，且三组底部滑轨3与三个底部侧板7交错布置且对应与正六边形底板5的六个侧面铰接；

建筑模块折叠状态下，顶部侧板6、底部侧板7、推拉舱门1、顶部滑轨2及底部滑轨3均竖向布置，三个推拉舱门1对应位于三个顶部侧板6的正下方且推拉舱门1与顶部侧板6之间对应通过顶部滑轨2连接，顶部滑轨2的一端部与顶部侧板6之间、顶部滑轨2的另一端部与推拉舱门1的顶部之间以及推拉舱门1的底部与底部滑轨3之间均为滑动连接；折叠状态下，底部侧板7的另一端与正六边形顶板4之间固接，固接方式可以为卡扣连接。

建筑模块展开状态下，正六边形底板5、三个底部侧板7以及三组底部滑轨3均位于同一水平面，三个推拉舱门1滑动至底部滑轨3的另一端，充气膜充气展开且展开后的充气膜横截面呈六边形结构。建筑模块折叠状态下，顶部滑轨2位于推拉舱门1(或顶部侧板6)与底部滑轨3之间，有效节省空间。三个顶部侧板6与三个底部侧板7上下错位布置。推拉舱门1的门框下部转动安装有踏步11，建筑模块展开状态下，踏步11伸展至建筑模块外部且搭设在月球表面。所述踏步11的结构为现有技术，此处不再赘述。建筑模块折叠状态下，踏步11折叠至推拉舱门1的门框内且贴合舱门放置。

正六边形顶板4及正六边形底板5为整个建筑模块的固定部分，推拉舱门1、顶部滑轨2、底部滑轨3、顶部侧板6及底部侧板7为整个建筑模块的机械展开部分，每个结构展开的极限位置由充气膜的尺寸大小提前预设，充气膜为整个建筑模块的中心，其为太空船充气膜结构，六边形结构的充气膜能够更好的实现相临两个建筑模块的拼接。

本申请的建筑模块可以根据需要，拼接成建筑群落，每相临两个建筑模块拼接时，可通过依次通过现有航天技术中常用的软性连接校准及硬性扣件搭接的方式进行紧密连接。当一个舱体(即建筑模块)出现紧急情况时，应急报警装置会通知该舱门与相邻舱门封闭，脱离紧密连接关系。

如图5所示，可以通过两个舱门直接连接实现相邻舱体a和b之间的接驳,也可以增加条状通道d实现一段距离的舱体a和c之间的接驳。d的长度和样式并无统一要求，可以实现各式连接。图7示意了三种舱体的拼接形式。多个舱体可以以各种方式连接，形成气密性强的舱体群落。通过舱门之间的智能预警机制，保障每个独立舱体的安全性。

本申请通过在地球标准化预制、扎根于月球表面、在月机械展开而后重启展开形成六边形结构，给月球建筑提供了一种六边形可拼接的结构体系与建造方案。

本申请在折叠状态下，呈六棱柱结构，与现有技术中的圆形或球形的充气展开结构相比较，本申请较好的结合机械展开和充气展开的建造模式，满足航空航天材料在发射时尽量轻、占用较小面积的要求，适合建造月球及太空建筑；

通过本申请六边形结构的设计，实现舱体之间的高效连接。舱体完全展开后的形状为六边形，是一种利用率高、便于模块化拓展、结构最优、材料最省、体形系数低、可持续性能优的适合月球基地建造的结构形式。舱体之间可以增加条状充气通道进行间接连接，也可以通过两个舱门外的部件直接连接，从而实现舱体之间的接驳，可拓展成一定规模的月球基地。

正六边形底板5的底部安装有若干第一定位杆8，推拉舱门1的门框底部安装有至少两个第二定位杆9，第一定位杆8及第二定位杆9均为轴向伸缩杆。因月表常为不平整表面，因此，通过第一定位杆8的伸缩长度调整，实现整个建筑模块水平位置的调整，在维持整体建筑模块水平的同时起到固定作用。本申请通过设置定位杆，使得舱体高于月球表面。通过定位杆扎入月表以抬起舱体并加以固定，规避了月球不规整的表面。

第一定位杆8可以为电动伸缩杆或其它任意可以实现杆伸缩状态变化的杆状结构。第一定位杆8的横截面可以为圆形、矩形或其它任意形状。第一定位杆8与正六边形底板5之间可以为固定连接，也可以为转动连接，固定连接时，第一定位杆8竖直设置且顶端与正六边形底板5固接，转动连接时，第一定位杆8的一端转动安装在正六边形底板5底部。在建筑模块折叠状态下，第一定位杆8水平贴合正六边形底板5布置，建筑模块展开状态下，第一定位杆8翻折至竖直位置，且另一端插设在月球表面的月壤内。第二定位杆9轴向固装在推拉舱门1的门框底部。

第一定位杆8及第二定位杆9的数量各为六个。

每个定位杆在竖直状态下，其靠近月壤的一端设置有伸缩式限位爪10。所述伸缩式限位爪10可以为尖部朝下的抓手结构，也可以为尖部朝上的倒勾结构。通过伸缩式限位爪10，可以使得定位杆更牢固的插装在月表，防止因大风等其它外力造成的建筑模块位置不稳定的问题。

若干第一定位杆8沿正六边形底板5的周向均布。

充气膜的顶部及底部分别对应与正六边形顶板4及正六边形底板5密封连接，充气膜的侧面与三个推拉舱门1密封连接。充气膜的拼接方式可为多种，只要保证其下部横截面呈六边形结构即可。充气膜的拼接方式如：选取六片类梯形膜12，侧面依次拼接呈环状，六片类梯形膜12的顶端对应与正六边形顶板4密封连接，再选取九片与推拉舱门1等高的类矩形膜13，合围形成六边形结构，再选取一片六边形膜14作为舱体底板。

底部滑轨3展开状态下呈h形结构。如此设计，结构稳定性更好。

推拉舱门1与顶部滑轨2之间以及推拉舱门1与底部滑轨3之间分别通过滑轮连接。

推拉舱门1为矩形结构。

所述充气膜包括顺次布置的光纤系统预制层15、柔性内膜层16、充气结构加强层17、柔性保温层18、柔性防护层19、月壤填充层20、月壤加强层21及柔性太阳能表皮层22，其中，所述光纤系统预制层15、柔性内膜层16、充气结构加强层17、柔性保温层18及柔性防护层19均在地预制，所述月壤填充层20、月壤加强层21及柔性太阳能表皮层22均在月建造，所述光纤系统预制层15内部埋设光纤且通过接头连接房间内设备，在压强作用下所述柔性内膜层16的内膜合围成腔且持续成压保持形态，充气结构加强层17由掺杂模拟月壤及含硼化合物的聚合物泡沫发泡制成，光纤系统预制层15表面涂覆有内饰层23，光纤系统预制层15表面配置有采样器芯片和感应器接点。所述月壤填充层20为填充月壤或模拟月壤(如月壤袋或月壤砖)等密度填充层，在地预制的各层结构附在充气居住舱体表面上。

光纤系统预制层15表面涂覆有内饰层。所述内饰层采用zs-1高温隔热保护涂料涂层，添加黄绿暖色添加剂。适应人体工程学，通过内饰层的材质与色彩，使得在太空相对集中的环境下紧张和焦虑的情绪得到一定的缓解。厚度为0.1mm。

光纤系统预制层15将光纤内埋于涂覆层中，涂覆层使用聚酰亚胺涂层，保证其在300℃下光纤仍能正常使用。光线外接口采用pc型号。用于房间内设备与光纤连接的接头为标准接头，设置在光纤系统预制层15表面。光纤系统预制层15厚度约300-500um。

柔性内膜层16为类气凝胶保温层与光纤系统预制层15之间的间隔层。

所述柔性防护层19主要起防护作用，便于其外部层级的在月建造，防止在月建造外部层级时，机器对柔性保温层18产生磨损破坏；其次可以使月壤填充层20更紧密地固定。

位于墙体最外侧的太阳能表皮层的主要作用是吸收太阳光，将太阳辐射能转换成电能，供月球建筑使用。

月壤加强层21由3d打印制成，形成高强度高密度的壳体，其主要作用是保护内层结构，承载太空陨石撞击的能量。

月壤填充层20导热系数低，主要作用是保温和抵抗辐射。其材质为月壤或模拟月壤，如月壤袋或月壤砖，由月球机器人在月利用采集的月壤制备。

充气结构加强层17利用充气以后的发泡剂自反应原理，起到结构加固的作用，并且通过气凝胶材料的应用，可起到二次防辐射、缓冲陨石撞击的作用。所述含硼化合物为硼酸，所述聚合物泡沫为聚酰亚胺泡沫。模拟月壤的粒径为100微米。在充气舱体进行充气展开之后，所有成分混合均匀，在舱体空腔中进行发泡，形成充气结构加强层17。

柔性保温层18的作用是保护建筑内部空间抵御月昼及月夜的极端高低温交变环境。

柔性保温层18优选为类气凝胶保温层，所述类气凝胶保温层采用轻质隔热材料构成。

通过使用多层柔性复合材料和结构，并利用月壤，可实现对空间高能辐射、月面高低温以及微流星体的多重防护，以更小的发射重量代价实现更好的防护效果。

本申请的复合墙体结构，能适应月面可展开居住舱的折叠和展开需求。墙体中的充气结构加强层17，在充气舱体完全展开后通过月面原位发泡工艺进行填充，可有效减少发射重量，降低发射成本。

有机泡沫材料通过掺杂月壤和含硼化合物后，利用高原子序数结合低原子序数材料的组合屏蔽作用以及硼元素对中子的高效吸收，能对宇宙线高能粒子以及宇宙线与月表作用产生的大量次级中子形成更好的防护效能。

本申请的柔性太阳能表皮层22、月壤加强层21及月壤填充层20是在月加工与建造，可以充分实现月面原位资源利用，增强复合墙体的结构强度和力学性能。

所述柔性内膜层16的材质为kevlar复合材料，且柔性内膜层16表面附着铝层。所述充气结构加强层17中，模拟月壤、含硼化合物以及聚合物泡沫材料的用量比为15:4:31。所述柔性保温层18的材质为二氧化硅气凝胶。所述柔性防护层19包括多层高强织物材料。所述月壤加强层21为3d打印机利用月壤和粘合剂打印制成。所述太阳能表皮层包括若干柔性太阳能电池板。

工作原理：

建筑模块折叠状态下，即建筑模块为六棱柱舱体结构时，发射至月表，第一定位杆8展开并扎入月表，将舱体抬离月表500-600mm，可在正六边形底板5安装水平校准器，以精确调整建筑模块的水平位置；

三个底部侧板7及三个底部滑轨3分别沿铰接边顺时针旋转打开，与正六边形底板5一同形成舱体底面。

三个推拉舱门1沿底部滑轨3水平滑出，同时，顶部滑轨2展开，至推拉舱门1及顶部侧板6分别位于顶部滑轨2的两端。

进行初步校准后，第二定位杆9展开并扎入月表，至此，机械展开完毕，形成刚性结构。

通过充气装置对充气膜进行充气，使其完全展开至六边形状态。踏步11展开，整个建筑模块展开完毕。

建筑模块展开后，可根据实际需要，将若干个建筑模块(即舱体)进行连接，形成建筑群。

当只有一个建筑模块时，在整个建筑模块展开完毕后，进行充气膜的柔性太阳能表皮层22、月壤加强层21及月壤填充层20的在月加工与建造。当有多个建筑模块时，在形成建筑群后，进行充气膜的柔性太阳能表皮层22、月壤加强层21及月壤填充层20的在月加工与建造。