充气展开太空舱的发展历程
多个B330模块在轨组装为多舱段空间站近期，国际空间站上比格罗公司充气舱B E A M（可展开活动太空舱，又俗称充气式活动太空舱）的展开引发公众的关注和讨论。实际上此项技术的发展已经将近60年了。笔者试着对充气式可展开技术发展历程做一简单回顾，也许可以为大家系统理解BEAM有所帮助。
“回声”1号卫星
“回声”1号纪念邮票 最美“回声”开启创新之路
航天器体积（或空间）需求与运载器整流罩容积之间的矛盾始终伴随着航天技术及工程实践的发展。解决这一问题的直观思路包括研制自展开结构、在轨组装以及在轨制造。这些方法在低轨和深空探测飞行器、月球基地、火星基地等的研究和应用中都有体现。
充气展开结构作为一类典型的自展开结构，其研究历史可以追溯到美国太空计划之始。美国航宇局刚成立的1958年，即开始了被命名为“回声”的无源通信卫星项目。 “回声”卫星实际上是一个巨大的表面镀了金属层的气球卫星，在轨道上作为被动微波信号反射镜，建立地球上两点间的通信。
“回声”1号，直径30.48米，质量约66千克，从图中的人与轿车可以看出其体积的巨大。其主体所用材料为12.7微米（0.5密耳）厚的双向拉伸聚酯薄膜，表面0.2微米进行了金属化处理。需注意的是它并不能承受大的内压，在轨道中靠升华物质将其内部压力维持在万分之一大气压量级，保持球体形状并可应对材料自身或流星体撞击造成的小量泄漏。
“回声”1号于1960年5月13日发射，由于火箭故障未能入轨，随后 “回声”1A在1960年8月12日发射进入高度约1600千米的轨道，并成功进行微波传输试验。 “回声”卫星当时被描述为“可能是送入轨道的最美的物体”，据说在地球上肉眼可见，美国邮政甚至在当年的12月15日发行了一枚邮票来纪念 “回声”项目。
1964年1月25日，美国航宇局又发射了直径41.1米的 “回声”2号，改进了充气系统以提高气球的平滑度和球度。 “回声”项目后来随着被动式通信卫星研究的终结而结束，而充气式展开天线则始终是大型天线的研究方向之一。典型的在轨验证项目如1996年5月19日发射的奋进号航天飞机（S T S -77任务）进行了充气天线实验（IAE），对L’Garde公司研制的一个口径14米的充气式反射面天线进行了验证，其充气部分的内压为0.2大气压。此类天线由于型面精度低，结构热稳定性和刚度均不理想，至今未广泛应用。
充气式载人舱研究命运多舛
几乎与 “回声”项目同时，美航宇局的兰利研究中心在1959年开始研究将一个充气式空间站作为月球任务的过渡。当时大多数太空探索的研究和支持者，包括兰利研究中心的工程师们，都认为地球轨道载人空间站是进行深空任务所必经的过程，可以借助该站进行长期飞行对航天员心理和生理等影响的研究，并可作为航天新技术的测试验证平台。
经过一系列概念研究后，兰利研究中心与固特异飞机公司联合设计了可充气展开的空间站，直径为7.3米的圆环，充气后通过自旋提供人工重力，运输人员往返的飞行器在环芯的端口对接与分离。
该项目后来被中止主要来自两方面原因：技术方面，当时能够获得的软质材料在强度等方面的性能无法满足使用要求。载人密封舱不仅内压远超前面介绍的非载人充气结构，而且安全防护性能要求更高，不仅要防护陨石或空间碎片的击穿，也要防止（由于各种原因）航天员从内部的破坏。尽管固特异公司研制了三层尼龙加强的橡胶材料，但其强度对于空间碎片撞击而言仍然是非常脆弱的。值得注意的是，当时的这些考虑也体现在后来的设计中。更重要的非技术原因在于为了进行登月竞赛，取消了轨道空间站计划。兰利研究中心原先设想的利用地面模型开展的一系列试验随之取消。
三十年后，在上世纪90年代，随着凯夫拉（芳纶）和类似的先进材料的问世，充气式空间站概念已经具备技术可行性。
1992年，美航宇局开始通过太空探索计划（SEI）研究火星任务，再次考虑利用充气展开的方法解决空间需求和火箭整流罩容积限制的矛盾。后来由于财政和政策问题，S E I被放弃，但充气式居住舱方案转为在国际空间站上扩展一个舱段，即1997年提出的TransHab舱，这一直译为“中转栖息地”项目保留了火星项目星际转移的痕迹。该项目在防护技术和总体方案上已经相当完善。充气结构的壳体采用了20余层的复合材料，自外向内提供了五级防护，包括外部温度防护层、空间碎片防护层、凯夫拉约束层（形状保持与强度加强）、密封气囊以及内部防刮层（防刮、刺、磨损等），充分考虑了空间环境、空间碎片撞击和舱内航天员操作可能产生的风险。
兰利研究中心的环形可充气展开空间站
TransHab的多层防护结构
TransHab的内部布局TransHab舱自下向上分为4层，如图所示：第一层是厨房，可以供空间站全体乘员就餐或开会；第二层是居住区，有6个独立宿舍；第三层是医疗保健区，设有医疗设备和运动器械；第四层是与国际空间站的连接通道。
尽管有了相当完善的技术保证并已开始地面试验，在国际空间站项目超过预算48亿美元被曝光后，TransHab项目在2000年被取消。与40年前兰利研究中心项目被取消相比，此次项目夭折可以认为完全是由于非技术因素造成的。
在此之后，私营的比格罗公司购买了美航宇局的专利权，开始进行充气式密封舱的研发，最终成为第一个将载人舱体送上天的团队。
“创世纪”柳暗花明
在TransHab项目中止6年之后，比格罗公司在2006年7月12日用俄罗斯的第聂伯火箭成功发射“创世纪”1号（GENESIS I）充气舱，长4.4米，直径由压缩状态的1.6米充气扩展至2.54米，可用容积11.5立方米。这不仅对比格罗公司而言是一个巨大的成功，对充气式密封舱的研发也是具有重要意义的。这次试验首次验证了可展开载人环境、承受发射载荷的折叠包装、微重力环境下的充压扩展、金属与柔性材料的结合及密封等多项关键技术。该航天器至今仍在轨运行，继续下传宝贵的图像、视频和数据资料，对可扩展的载人环境技术进行着在轨演示验证。
2007年6月28日，比格罗公司的“创世纪”2号（GENESIS II）成功发射。
相比“创世纪”1号，此次的舱体配置了更多的摄像机和传感器，完善了数传系统，并开始提供载荷试验搭载服务。
B330方案设想“比格罗”志在月球基地
充气式可展开密封舱最近的成果是2016年5月28日，比格罗公司的B E A M在国际空间站上成功展开。此前的5 月26 日，B E A M 的首次展开受挫，经过地面人员和在轨航天员的协同努力，采用多次短时手动充气的方法，克服了织物结构长期压缩引起的摩擦阻力，使舱体稳定地逐渐展开。近期关于B E A M的报道很多了，在此不做赘述。只简单介绍其内部结构，如图所示，由前后两块金属舱壁、内部的铝结构、软质多层织物（含约束层和密封层）及充气系统等部分组成。可见，作为国际空间站的一个扩展舱段，B E A M在设计上已日臻完善。
6月6日，航天员已成功进入B E A M。在随后的2年里，美航宇局和比格罗公司将对B E A M的空间碎片防护性能、辐射防护能力、热防护设计、结构与机构寿命、长期飞行的密封性能等进行测试验证，提高技术成熟度。
借着当前项目的成功，比格罗进一步推出了雄心勃勃的后续计划。
B330项目。B330是按照永久使用的舱段进行设计的，单个模块将是一个20吨，容积为330立方米的密封舱，与国际空间站上现有的15吨重、150立方米容积的命运号舱段相比，B330的质量增加了33%，而居住空间增加了210%。
IAE项目的充气式反射面天线在防护方面，比格罗公司的资料声称其厚达0.46米的舱壁将提供与目前国际空间站舱段相当或更优的空间碎片及辐射防护。还将配置至少四个大尺寸的镀有紫外线防护涂层的窗口，将提供极佳的地球观测能力。
B330的另一个特点是按照模块化可扩展设计，可以由多个模块在轨拼接成多舱段的空间站。
BA2100是比格罗公司尚处于概念研究阶段的行星际转移居住舱。整个舱体长约17.8吨，最大直径12.6米（仅对接端直径为7.6米），增压容积约2250立方米（国际空间站仅837立方米）。质量约65吨～70吨，约是B330的3倍 。
脚踏实地 前景可期
充气式太空舱并非现在才有的新概念，也不是一蹴而就的“亮点”。其理念由来已久，并且随着材料科学和应用需求的发展经历了近60年的研究和实践。比格罗公司的B E A M引起公众关注的背后，是多个研究团队长时间扎实的技术积累。
充气式展开结构应用于大型天线和载人舱体的要求是不同的，前者是利用低气压保持精确型面，而后者则是在一个大气压下确保安全性。从之前的试验情况看，在材料技术取得突破之后，充气式舱体的强度难题，包括空间碎片的防护能力，已有望获得解决，防辐射性能则有待继续研究和验证。
充气式太空舱其最大的优点是能利用有限的上行运载体积，获得较大的在轨空间，在轨道空间站和未来的深空探测中都有广阔的应用前景。充气舱可以用作空间站的设备间，安装对辐射不敏感且不需要人长期照料的设备，包括可以将噪声较大的设备在此类设备间隔离安装；可作为储物间存放物资、备件等；作为空间站将待回收处理的垃圾进行存放或中转。另外，航天员还可以利用其透波的特性在那儿做一些特殊实验，如空间辐射效应测试等。若软质材料防辐射性能得到突破，或考虑利用可拼接的金属防护板对现有充气舱进行加强，则可以进一步将其完善为乘员工作和居住舱，甚至用于月球或火星基地建设。充气舱的发展和应用值得我们持续关注。但同时，B E A M展开过程中的波折也提醒我们，工程问题的解决还取决于对各环节机理的深入理解和众多细节的全面把握。
BEAM的内部结构
比格罗公司的月球基地构想
在轨运行的“创世纪”1号