充氣展開式空間危險(xiǎn)碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李海巖,徐 洋,王玉林,高著秀,李成祥

(1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院， 北京 100076； 2.宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076)

建設(shè)大型空間站是我國載人航天三步走戰(zhàn)略的第三步。我國計(jì)劃于2022年前后建成空間站，成為我國空間科學(xué)和新技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)的重要基地。而空間碎片的顯著增加是人類近地空間活動中面臨的最大危險(xiǎn)，如何應(yīng)對空間碎片對空間站的威脅已經(jīng)成為無法回避的現(xiàn)實(shí)問題。

不同尺寸空間碎片對航天器有不同程度的威脅。小于1 cm量級的空間碎片(被稱為小碎片)，探測困難，數(shù)量巨大，但由于撞擊動能小，航天器一般采取被動防護(hù)措施[1-3]；大于10 cm量級空間碎片(被稱為大碎片)，數(shù)目較少，并且能夠編目，可采用機(jī)動規(guī)避措施[4]。尺寸為1～10 cm量級空間碎片，尺寸相對較大、撞擊動能較大，被公認(rèn)為是對在軌航天器威脅最大的空間碎片，也被稱為危險(xiǎn)碎片。

針對空間危險(xiǎn)碎片，目前尚無有效的防護(hù)手段。如果采用軌道規(guī)避，會額外增加空間站的燃料消耗，干擾正常的在軌任務(wù)；空間站目前主要采用的被動防護(hù)結(jié)構(gòu)也無法抵抗危險(xiǎn)碎片。本文設(shè)計(jì)一種充氣展開防護(hù)結(jié)構(gòu)，并探索其應(yīng)用于空間站自主防護(hù)危險(xiǎn)碎片的工程可行性。一方面，可降低對發(fā)射重量、發(fā)射空間的資源浪費(fèi)；當(dāng)遇到空間碎片攻擊時(shí)，可控展開實(shí)現(xiàn)攔截且通過自主調(diào)節(jié)方向提高攔截效率。另一方面，防護(hù)任務(wù)完成后，防護(hù)結(jié)構(gòu)可回收、可重復(fù)使用，不影響空間站執(zhí)行在軌主任務(wù)。綜上，通過本項(xiàng)目開展空間站自主防護(hù)盾技術(shù)研究，對提升我國在軌航天器的可靠運(yùn)行水平、確保我國空間資產(chǎn)安全具有重要意義。

1 充氣展開防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的Whipple防護(hù)屏能夠防護(hù)毫米級的空間碎片?？臻g碎片尺寸增大，其動能隨之增大，空間碎片對空間艙壁撞擊的破壞力也顯著增強(qiáng)。單屏結(jié)構(gòu)的Whipple防護(hù)屏難以滿足空間站對大直徑空間碎片的防護(hù)要求。根據(jù)空間碎片防護(hù)功能要求，充氣展開防護(hù)結(jié)構(gòu)采用多屏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一方面，尺寸較大的空間碎片能與防護(hù)屏進(jìn)行多次超高速碰撞，空間碎片可破碎為較小的碎片，甚至液化、氣化，有效降低單個(gè)碎片的動能，減小其對后屏的破壞；另一方面，充氣展開防護(hù)結(jié)構(gòu)采用大屏間距設(shè)計(jì)，能夠讓防護(hù)屏與空間碎片碰撞產(chǎn)生的碎片云在屏間獲得足夠的膨脹擴(kuò)散空間，從而減小單位面積內(nèi)撞擊碎片數(shù)量，降低單位面積內(nèi)碎片云與后屏或艙壁的撞擊能量，提高防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)能力[5]。

1) 多層防護(hù)屏。防護(hù)屏材料——國內(nèi)外常用的航天器防護(hù)柔性材料主要有Kevlar纖維復(fù)合材料、Nextel纖維復(fù)合材料、Beta纖維復(fù)合材料等[6]。本文采用Kevlar纖維復(fù)合材料，可以有效減弱入射碎片碰撞產(chǎn)生的破壞效應(yīng)。防護(hù)屏面積——空間站核心艙最大直徑為4.2 m，根據(jù)空間站防護(hù)部位需求，設(shè)計(jì)充氣展開防護(hù)結(jié)構(gòu)展開后防護(hù)屏直徑為4 m。

防護(hù)屏屏間距——通過對不同屏間距的防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，研究間距對防護(hù)性能的影響；同時(shí)參考國內(nèi)外相關(guān)防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，選擇10 cm作為防護(hù)結(jié)構(gòu)的屏間距。

2) 充氣支撐框架。充氣支撐框架是防護(hù)屏的支撐部件。防護(hù)屏在空間展開，需要對充氣支撐框架進(jìn)行充氣。充氣管需承受內(nèi)部的充氣壓力，以保持較高的結(jié)構(gòu)剛度，其變形以及應(yīng)力分布對影響整個(gè)防護(hù)屏的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(圖1)。

依據(jù)仿真分析結(jié)果，充氣過程在管徑10～20 cm范圍較為穩(wěn)定，綜合考慮充氣管重量、剛度、支撐、展開等因素，設(shè)計(jì)充氣管的管徑為10 cm。10 cm管徑充氣管質(zhì)量較輕，充氣過程較為平穩(wěn)，且振動基頻大、剛度高，符合充氣管功能及性能要求。

另外，綜合考慮充氣管重量、展開、支撐、剛度等因素，結(jié)合已有研究基礎(chǔ)，充氣管壁厚選擇為0.3 mm[7]。

2 空間站應(yīng)用

2.1 功能設(shè)計(jì)

1) 空間碎片防護(hù)功能設(shè)計(jì)。為有效降低空間危險(xiǎn)碎片對空間站的危害，防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具備將入射空間碎片破碎為細(xì)小碎粒的能力，并能夠讓碰撞產(chǎn)生的碎片云充分?jǐn)U散；當(dāng)碎片云與艙壁發(fā)生撞擊時(shí)，降低碎片云單位面積內(nèi)的撞擊能量，進(jìn)而補(bǔ)充空間站被動防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力，防護(hù)空間碎片對空間站高風(fēng)險(xiǎn)部位的危害。

2) 折疊展開功能設(shè)計(jì)。為滿足空間站大面積防護(hù)需求，并控制發(fā)射包絡(luò)尺寸合理可行，防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足折疊發(fā)射、在軌展開功能。為提高防護(hù)結(jié)構(gòu)折疊率，同時(shí)減小展開機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，防護(hù)結(jié)構(gòu)選用柔性復(fù)合材料，能夠多次柔性折疊，并可在軌充氣展開成型。

3) 回收和再展開功能。防護(hù)結(jié)構(gòu)展開狀態(tài)下，面積較大，為降低空間站飛行阻力，減少軌道維持能量消耗，以及避免對空間站其他設(shè)備的遮擋，防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有回收和再展開功能。保證防護(hù)結(jié)構(gòu)長期回收待命，接到空間碎片碰撞預(yù)警時(shí)再次展開成型，抵御空間碎片。

2.2 空間碎片防護(hù)模式

空間站核心艙總重約20 t，軸向長度18.1 m，最大直徑為4.2 m。核心艙模塊分為節(jié)點(diǎn)艙、生活控制艙和資源艙，有3個(gè)對接口和兩個(gè)停泊口，配置空間機(jī)械臂。其中，生活控制艙又分為大柱段和小柱段，大柱段直徑4.2 m，小柱段直徑2.8 m。在空間碎片防護(hù)方面，空間站核心艙采用被動防護(hù)結(jié)構(gòu)，對生活控制艙大柱段、小柱段的柱段高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)及撞擊風(fēng)險(xiǎn)較大的大柱段前錐段均采用Whipple防結(jié)構(gòu)和熱控輻射器共同進(jìn)行防護(hù)，局部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 空間站核心艙被動防護(hù)結(jié)構(gòu)(局部)

初始飛行時(shí)，充氣展開防護(hù)結(jié)構(gòu)折疊收攏，固定安裝于空間站核心艙內(nèi)；在軌飛行后，采用轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂結(jié)合的方式，進(jìn)行防護(hù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移、對接，可以完成折疊狀態(tài)下的防護(hù)結(jié)構(gòu)安裝。同樣，在航天員和機(jī)械臂協(xié)同下，可實(shí)現(xiàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)的更換。

空間站核心艙(如圖3)共安裝兩個(gè)充氣展開防護(hù)結(jié)構(gòu)，分別安裝于生活控制艙大柱段、小柱段被動防護(hù)結(jié)構(gòu)外，根據(jù)空間站碎片環(huán)境分析[8]，在空間站核心艙的高度角-20°～+20°、方位角-60°～+60°范圍內(nèi)，空間碎片的撞擊通量比較大。因此，為了有效保護(hù)空間站核心艙兩側(cè)和天頂面高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，及迎風(fēng)面方向次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，充氣展開防護(hù)結(jié)構(gòu)可通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)分別沿柱段中心坐標(biāo)系的X軸向-80°～+80°方向，局部坐標(biāo)系的Y軸向(Ya向 、Yb向)-30°～+30°方向旋轉(zhuǎn)(圖4)，進(jìn)而可覆蓋風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，使防護(hù)結(jié)構(gòu)可配合被動防護(hù)結(jié)構(gòu)有效減弱碎片碰撞。

圖3 充氣展開防護(hù)結(jié)構(gòu)安裝在空間站核心艙

圖4 充氣展開防護(hù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向坐標(biāo)系

3 防護(hù)效能仿真分析

3.1 超高速碰撞典型工況仿真

為評估充氣展開結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果，采用AUTODYN-2D的SPH法進(jìn)行超高速碰撞仿真分析[9]。為提高計(jì)算效率，使用軸對稱建模方法，建立1/2平面計(jì)算模型，如圖5。鋁合金材料使用AL2024T351模型，采用Shock狀態(tài)方程，Johnson Cook強(qiáng)度模型；纖維材料使用KFRP模型，采用Ortho狀態(tài)方程，Orthotropic Yield強(qiáng)度模型，Orthotropic Softening失效模型。

建立直徑1 cm彈丸、10 km/s碰撞速度的典型工況，進(jìn)行超高速碰撞仿真分析。仿真模型采用四屏等厚的防護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖6，屏間距為10 cm，分別設(shè)置單屏厚度分別為5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm、10 mm。

圖5 仿真模型SPH粒子圖

圖6 超高速碰撞仿真模型

3.2 仿真結(jié)果對比分析

3.2.1 彈丸動能損耗分析

在1 cm直徑彈丸、10 km/s速度碰撞的工況下，對不同單屏厚度的仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。圖7為前兩次碰撞之后彈丸損失的動能損失率。

圖7 不同屏厚前兩次碰撞彈丸動能損失率

從曲線上看，隨著防護(hù)屏厚度增加，前兩次碰撞彈丸消耗的動能在增加。屏厚為8 mm的防護(hù)結(jié)構(gòu)，前兩次碰撞對彈丸動能的削弱性能優(yōu)于其他屏厚的防護(hù)結(jié)構(gòu)。9 mm、10 mm屏厚的防護(hù)結(jié)構(gòu)，雖增加了厚度，但并未提高對彈丸動能消耗。因此，8 mm屏厚是進(jìn)行典型工況防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要設(shè)計(jì)值。

3.2.2 彈孔直徑分析

圖8為通過對各種厚度的防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈孔直徑，逐層分析高速碰撞變化過程。如圖各種厚度的防護(hù)屏，第2屏彈孔均大于第1屏，說明碰撞后碎片云存在膨脹擴(kuò)散效應(yīng)。6 mm屏厚的彈孔直徑最大，說明超高速碰撞后碎片膨脹擴(kuò)散效應(yīng)在薄板上的效果更好。

圖8 不同屏厚彈孔直徑

第3屏的彈孔直徑，5 mm屏厚的彈孔直徑繼續(xù)增大，說明其防護(hù)性能較低。6 mm以上屏厚的防護(hù)結(jié)構(gòu)，其第3屏彈孔直徑均小于第2屏，說明經(jīng)過兩次碰撞后，碎片云的破壞力下降。

第4屏，5 mm和6 mm屏厚的防護(hù)結(jié)構(gòu)彈孔大幅減小，符合多次超高速碰撞碎片云擴(kuò)散規(guī)律。7 mm以上屏厚，彈孔直徑變化不大，甚至略有增大，這是由于第3屏碰撞后剝落的大塊碎片與第4屏發(fā)生碰撞有關(guān)。

3.3 超高速碰撞典型工況仿真

在4屏防護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，距離防護(hù)結(jié)構(gòu)最后一屏10 cm位置增加1 mm厚的鋁板，模擬被動Whipple 防護(hù)屏；在距Whipple屏5 cm位置，增加2.5 mm厚的鋁板，模擬空間站艙壁。將四層防護(hù)屏的厚度均設(shè)置為7 mm，進(jìn)行碰撞過程仿真分析，分析結(jié)果如圖9所示。

從圖9(a)碰撞云圖可以看出，1 cm直徑彈丸以10 km/s的速度入射，4層防護(hù)屏均被擊穿。達(dá)到預(yù)設(shè)計(jì)算循環(huán)次數(shù)，Whipple被動防護(hù)屏被擊穿，但是主要碎片發(fā)生回彈，碎片未碰撞到艙壁。因此，7 mm屏厚的4屏防護(hù)結(jié)構(gòu)可滿足直徑1 cm彈丸以10 km/s速度碰撞條件下，艙壁不被擊穿的防護(hù)要求。

4 結(jié)論

1) 充氣展開防護(hù)結(jié)構(gòu)采用多層防護(hù)屏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使入射碎片碎裂、熔化甚至氣化形成二次碎片云，碎片云通過擴(kuò)散，有效減輕碎片對航天器艙壁的破壞作用。

2) 充氣展開防護(hù)結(jié)構(gòu)可安裝于空間站核心艙柱段，通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)配合，可有效保護(hù)空間站核心艙兩側(cè)和天頂面高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，及迎風(fēng)面方向次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

3) 對于直徑1 cm彈丸以10 km/s速度碰撞的典型工況，7 mm屏厚的四屏防護(hù)結(jié)構(gòu)可滿足艙壁不被擊穿的防護(hù)要求，保護(hù)空間站在軌安全。