空間碎片防護(hù)需求與防護(hù)材料進(jìn)展

鄭世貴 閆軍（中國空間技術(shù)研究院總體部）

1 引言

當(dāng)前，我國航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，載人航天器、通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、深空探測器、科學(xué)衛(wèi)星等各種航天器呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢，航天器的壽命越來越長、可靠性越來越高、穩(wěn)定度越來越高。而隨著空間碎片環(huán)境的日益惡劣，空間碎片已成為影響航天器長壽命、高可靠性、高穩(wěn)定度的重要因素之一。2013年1月22日，俄羅斯的小型激光測距衛(wèi)星 (BLITS)遭到小碎片撞擊，并釋放出一塊碎片；2013年5月24日，發(fā)射不足1個(gè)月的厄瓜多爾“飛馬座”（Pegaso）衛(wèi)星在印度洋上空與一枚由蘇聯(lián)1985年發(fā)射升空的火箭燃料箱殘骸發(fā)生側(cè)面撞擊，導(dǎo)致太陽電池翼受損，天線無法定向，衛(wèi)星圍繞兩根軸狂轉(zhuǎn)，失去了聯(lián)系；“國際空間站”供航天員出艙活動(dòng)的扶手遭到多次小碎片撞擊，撞擊形成的鋒利唇緣割破了航天員的手套，導(dǎo)致多次艙外活動(dòng)提前終止；2002年3月16日，美法聯(lián)合研制的賈森－1（Jason－1）衛(wèi)星遭到小碎片撞擊，導(dǎo)致其軌道高度明顯提升和隨后幾小時(shí)的電流波動(dòng)，并釋放出兩塊碎片；2011年，我國某衛(wèi)星遭到小碎片撞擊，導(dǎo)致姿態(tài)瞬時(shí)跳變，并永久失去了部分發(fā)電能力。

針對大碎片，航天器發(fā)射預(yù)警和在軌預(yù)警已成為常態(tài)性工作。針對數(shù)量巨大的小碎片，我國載人航天器已成功進(jìn)行了首次空間碎片防護(hù)工程應(yīng)用，后續(xù)載人航天器的空間碎片防護(hù)已成為型號工程的重要項(xiàng)目之一；而對于數(shù)量眾多的非載人航天器，由于其遭受空間碎片撞擊的特性復(fù)雜、失效模式多樣、失效評價(jià)難度大，空間碎片防護(hù)基本處于起步階段，非載人航天器多采用防護(hù)增強(qiáng)材料達(dá)到防護(hù)目的。

2 防護(hù)需求

以低軌大平臺為例進(jìn)行空間碎片風(fēng)險(xiǎn)評估，平臺軌道為太陽同步軌道，運(yùn)行參數(shù)為：軌道高度630km、傾角97°，發(fā)射時(shí)間2010年，在軌5年。采用了軌道碎片工程模型（ORDEM2000）和微流星體模型 (SSP 30425)。低軌大平臺遭受0.1mm級粒子和毫米級粒子的撞擊概率都為100%，即這兩個(gè)量級粒子的撞擊無法避免，而且ORDEM2000低估了2010年以后的碎片環(huán)境。因此低軌衛(wèi)星將要面對微小碎片的巨大撞擊威脅，采取防護(hù)措施提高衛(wèi)星在空間碎片環(huán)境中的安全性和可靠性已成為必然選擇。

試驗(yàn)表明直徑3.6mm的鋁彈丸在6.22km/s左右的速度下就能擊穿50mm厚的鋁蜂窩板。我國衛(wèi)星的鋁蜂窩板厚度一般不超過30mm，而且空間碎片撞擊衛(wèi)星的平均速度可達(dá)10km/s，最高撞擊速度可達(dá)15km/s，因此，毫米級碎片不但對星外設(shè)備構(gòu)成重大威脅，還對星內(nèi)設(shè)備造成威脅，特別是一些對撞擊敏感的電子設(shè)備、儲能設(shè)備等。毫米級以下的粒子一般不會(huì)對星內(nèi)設(shè)備造成威脅，但對星外設(shè)備（數(shù)據(jù)總線、電源總線、多層隔熱材料、管路、太陽翼等）能造成不同程度損傷，進(jìn)而造成分系統(tǒng)、甚至整星功能的散失。

低軌大平臺空間碎片風(fēng)險(xiǎn)評估

衛(wèi)星遭受碎片撞擊的影響

衛(wèi)星的空間碎片防護(hù)與載人航天器的防護(hù)有很大不同，具體體現(xiàn)：①空間碎片撞擊導(dǎo)致的失效模式不同，載人航天器結(jié)構(gòu)板為鋁板，結(jié)構(gòu)板穿透就可以認(rèn)為航天器失效，而衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)板一般為鋁蜂窩板或碳纖維蜂窩板，其超高速撞擊特性比鋁板要復(fù)雜的多，更重要的是蜂窩板的穿透并不意味著衛(wèi)星或設(shè)備的失效；②空間碎片超高速撞擊特性不同，載人航天器結(jié)構(gòu)板為連續(xù)介質(zhì)，其超高速撞擊特性較簡單，而衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板為復(fù)合材料，其超高速撞擊特性要復(fù)雜的多；③空間碎片防護(hù)手段不同，載人航天器的防護(hù)措施一般是在結(jié)構(gòu)板外一定距離安裝一個(gè)或幾個(gè)防護(hù)屏來提高航天器抗撞擊能力，而衛(wèi)星的防護(hù)措施一般不采取增加防護(hù)屏的做法，而是采用調(diào)整衛(wèi)星飛行姿態(tài)、調(diào)整設(shè)備布局、采用防護(hù)性能強(qiáng)的材料等方法提高衛(wèi)星抗撞擊能力；④衛(wèi)星的質(zhì)量約束相比載人航天器要苛刻的多，這決定了在衛(wèi)星上要采取更加經(jīng)濟(jì)更有效率的防護(hù)手段。

衛(wèi)星的飛行姿態(tài)、總體構(gòu)型布局由衛(wèi)星任務(wù)、設(shè)備功能等約束條件確定，一般不考慮空間碎片的影響，根據(jù)國際經(jīng)驗(yàn)，衛(wèi)星的防護(hù)設(shè)計(jì)一般采用防護(hù)增強(qiáng)材料或包覆復(fù)合材料以達(dá)到防護(hù)目的。

3 防護(hù)材料

國際上，在航天器的空間碎片防護(hù)中采用的防護(hù)材料有鋁板、Nextel纖維布、凱夫拉（Kevlar）纖維布、Beta布，如“國際空間站”大量采用了Nextel纖維布/凱夫拉纖維布為填充物的填充式防護(hù)結(jié)構(gòu)，在1553數(shù)據(jù)線和不銹鋼管路上包覆了Beta布，使1553數(shù)據(jù)線的臨界彈丸直徑從0.35mm提高到2.0mm、不銹鋼管路的臨界彈丸直徑從0.35mm提高到1.0mm。除了這些已應(yīng)用的材料外，還在研發(fā)各種高性能的防護(hù)材料。

聚亞安酯泡沫

聚亞安酯是由異氰酸酯與多元醇反應(yīng)制成的一種具有氨基甲酸酯鏈段重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的聚合物。聚亞安酯泡沫密度低、比強(qiáng)度高、吸能性能優(yōu)異、阻燃性高、絕熱性能優(yōu)越。

聚亞安酯泡沫作為新型結(jié)構(gòu)填充材料得到廣泛應(yīng)用。美國把聚亞安酯泡沫作為可展開式防護(hù)結(jié)構(gòu)的填充材料開展超高速撞擊特性研究，并將在“國際空間站”的“畢格羅”可膨脹式運(yùn)輸居住艙上得到應(yīng)用。運(yùn)輸居住艙在軌展開后長為10m、直徑約8m，提供大容積的空間操作環(huán)境，其在軌10年的空間碎片非穿透概率為0.985。運(yùn)輸居住艙采用多沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)抵御空間碎片的撞擊，防護(hù)結(jié)構(gòu)由Nextel緩沖屏、凱夫拉后墻和聚亞安酯泡沫填充層組成，聚亞安酯泡沫起到支撐緩沖屏和在軌膨脹展開作用。防護(hù)結(jié)構(gòu)對其后的一層約束隔離層和多層球膽（三冗余系統(tǒng)）起到很好的保護(hù)作用。縮比實(shí)驗(yàn)和全尺寸試驗(yàn)表明運(yùn)輸居住艙的防護(hù)結(jié)構(gòu)能夠抵御直徑為1.8cm的鋁彈丸以5.8 km/s、45°角的撞擊。

未來對接在“國際空間站”上的“畢格羅”可膨脹式運(yùn)輸居住艙

“畢格羅”防護(hù)結(jié)構(gòu)的性能，1.8cm鋁彈丸、5.8 km/s、45°

試驗(yàn)表明（速度6.3～6.4km/s，彈丸直徑6.9～7.0mm）：Nextel和多層聚亞安酯泡沫復(fù)合填充層構(gòu)成的防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單緩沖屏防護(hù)結(jié)構(gòu)，甚至略優(yōu)于Nextel/凱夫拉填充式防護(hù)結(jié)構(gòu)，可見聚亞安酯泡沫提供了很好的彈道阻抗。

Nextel312填充式防護(hù)結(jié)構(gòu)

可膨脹多緩沖屏防護(hù)結(jié)構(gòu)最外邊的緩沖屏為鋁薄板，其后的多個(gè)緩沖屏為多層高強(qiáng)度纖維材料Vectran（Vectran產(chǎn)于日本，其防護(hù)能力與凱夫拉相當(dāng)）制成的薄板，板間填充可膨脹的聚亞安酯泡沫。對該防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力并不正比于聚亞安酯泡沫的面密度；聚亞安酯泡沫有效地捕獲了二次碎片云；具有較大動(dòng)能的質(zhì)量超過100mg的大碎片會(huì)穿透緩沖屏；防護(hù)能力和Vectran板間距離成正比，各Vectran板間二次碎片云在第二層Vectran板上擴(kuò)散最大。

可膨脹多緩沖屏防護(hù)結(jié)構(gòu)（面密度2.1g/cm2）

泡沫鋁

泡沫鋁是一種鋁或鋁合金基體中含有大量結(jié)構(gòu)及分布可控的孔洞，以孔洞作為復(fù)合相的新型復(fù)合材料。泡沫鋁的低密度、高剛度、沖擊吸能性、低導(dǎo)熱率、低磁導(dǎo)率和良好阻尼等特性使得泡沫鋁在近10年來受到廣泛關(guān)注。目前許多航天國家已將泡沫鋁作為潛在的重要的結(jié)構(gòu)材料和防護(hù)材料，開展了多項(xiàng)科學(xué)和工程應(yīng)用研究。

蜂窩夾層板（上）和泡沫鋁夾層板（下）撞擊特性（3.6mm鋁球，上6.22km/s，下6.76km/s）

蜂窩夾層板（上）和泡沫鋁夾層板（下）撞擊特性（0.833mm鋁球，6.9km/s）

泡沫鋁可以作為航天器主結(jié)構(gòu)夾層的填充材料，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的物理性能、機(jī)械性能、熱性能、電性能、聲學(xué)性能等能都優(yōu)于傳統(tǒng)的蜂窩夾層板，更重要的是在超高速撞擊下其沒有傳統(tǒng)蜂窩夾層板的通道效應(yīng)。

泡沫鋁作為航天器空間碎片的防護(hù)結(jié)構(gòu)和材料，相比傳統(tǒng)的防護(hù)結(jié)構(gòu)，在同等防護(hù)性能下，可以節(jié)省大約30%的防護(hù)質(zhì)量。

在以鋁、鎂等作為泡沫鋁基材料設(shè)計(jì)的泡沫鋁緩沖屏防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證明，該防護(hù)結(jié)構(gòu)有良好的彈道特性，在實(shí)驗(yàn)的速度范圍內(nèi)泡沫鋁能顯著引起對彈丸的多次沖擊，使速度約為6km/s、4km/s的彈丸完全熔化（所有的實(shí)驗(yàn)都說明此結(jié)果），并使碎片云完全消散；甚至使速度約2.6km/s的彈丸完全熔化。泡沫鋁緩沖屏具有良好的機(jī)械性能，因此可以減小附加在后墻上的質(zhì)量（支撐緩沖屏的結(jié)構(gòu)，用于增加剛度、降低彎曲、提供連接面、局部加強(qiáng)等）。如果泡沫鋁前面的防護(hù)屏尺寸設(shè)計(jì)合理，材料選擇恰當(dāng)，防護(hù)效果會(huì)很好，能破碎速度為6.3km/s、直徑為13mm的彈丸；但是泡沫鋁后面的鋁板并不能增加防護(hù)效果。

泡沫鋁緩沖屏防護(hù)結(jié)構(gòu)

美國蘭利研究中心提出的新型防護(hù)結(jié)構(gòu)

目前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、太原理工大學(xué)等多個(gè)高校開展了泡沫鋁超高速撞擊特性研究，并提出了一些防護(hù)構(gòu)型，但國內(nèi)泡沫鋁制備工藝相比國際水平還不成熟不穩(wěn)定，制備的泡沫鋁性能相差較大。

聚烯烴類化合物

有機(jī)聚合物，如聚乙烯、聚丙烯等，作為新一代的空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)材料正受到國際重視，該防護(hù)材料不但能滿足航天器的空間碎片防護(hù)要求，還能滿足航天器的結(jié)構(gòu)要求和抗空間輻射要求。目前“國際空間站”采用聚乙烯作為附加防護(hù)材料以減少航天員的空間輻射，而聚乙烯的其他應(yīng)用正在進(jìn)行空間驗(yàn)證。

美國蘭利研究中心提出的新型防護(hù)結(jié)構(gòu)由高強(qiáng)度纖維織物、蜂窩聚乙烯或聚丙烯填充層和內(nèi)膽組成，填充層的厚度根據(jù)力學(xué)性能要求、需防護(hù)的粒子直徑和熱控要求確定。最外層的薄板粉碎粒子、緩沖碎片云和抵御空間輻照，最里層的薄板攔截殘余碎片。除了空間碎片防護(hù)功能以外，填充層還能增強(qiáng)金屬性材料的絕緣性能、降低結(jié)構(gòu)溫度梯度；從而減輕航天器內(nèi)部濕氣在結(jié)構(gòu)上的附著聚集及其腐蝕以及航天器內(nèi)部微生物的生長；進(jìn)而降低空氣過濾系統(tǒng)的要求，降低航天器內(nèi)部的噪聲強(qiáng)度，最終改善航天器內(nèi)部的生活舒適度。

4 結(jié)束語

非載人航天器遭受空間碎片撞擊的概率很大，部件/設(shè)備受撞擊后的影響復(fù)雜，失效評價(jià)困難；非載人航天器的空間碎片防護(hù)與載人航天器的防護(hù)有很大不同，非載人航天器的防護(hù)設(shè)計(jì)一般采用防護(hù)增強(qiáng)材料或包覆復(fù)合材料以達(dá)到防護(hù)目的。

國外新型防護(hù)材料及防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能不但逐步增強(qiáng)，而且朝著多功能化方向發(fā)展，如可展開、結(jié)構(gòu)化、抗空間輻射等。

結(jié)合我國航天實(shí)踐，可把聚亞安酯泡沫及其防護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展和工程應(yīng)用作為近期發(fā)展目標(biāo)，把泡沫鋁及其防護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展和工程應(yīng)用作為中長期發(fā)展目標(biāo)。