武 強,龔自正,李 明,宋光明,田東波,劉 海
(1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所;2.中國空間技術研究院:北京100094;3.中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速碰撞研究中心,綿陽621000)
針對日趨惡劣的空間碎片環(huán)境,美國、俄羅斯和歐空局等基于Whipple防護結構開發(fā)設計了多種增強型防護結構,包括波紋防護屏防護結構[1]、網狀防護結構[2]、加強肋防護結構[3]、填充式Whipple防護結構[4]等。由于防護結構尺寸、質量受到嚴格限制,以上常用的幾種防護結構基本只能夠承受住直徑<1 cm 的空間碎片撞擊。我國當前的空間碎片防護設計主要基于Whipple防護結構原理,應用也主要集中在載人飛船、空間站等大型航天器,同樣受質量、體積以及發(fā)射成本等因素限制,只能有效防御mm 級碎片撞擊;而且由于之前相對較低的空間碎片撞擊風險,我國衛(wèi)星大都是沒有增設空間碎片防護結構的“裸星”。然而近年來空間碎片環(huán)境日益惡化,直徑為1~10 cm 的空間碎片數量已超過75萬個[5];同時,以美國為首的空間強國正在大力發(fā)展天基動能武器,以直接碰撞方式摧毀敵方重要航天器目標[6]。面對空間碎片與動能武器的雙重撞擊威脅,有必要設計一種主動式空間碎片防護載荷,以代替?zhèn)鹘y(tǒng)固定外掛式被動防護結構,或作為傳統(tǒng)防護結構的補充用于抵御cm 級空間碎片。主、被動防護協(xié)同作用,既可降低防護結構質量和體積需求,又能實現在面對撞擊威脅時主動拋出并快速展開部署,達到將碎片減速、降能的目的。
本文著眼于更好地保證未來我國高價值航天器的空間安全,提出一種可快速充氣展開式空間碎片柔性防護系統(tǒng)概念。該系統(tǒng)以氣體填充代替?zhèn)鹘y(tǒng)柔性防護結構支撐構件,旨在大幅提高可供碎片云充分擴散的防護間距,并借助氣體對超高速碎片云燒蝕減速的綜合作用,實現對大尺寸空間碎片防御能力的提升。本文通過仿真模擬初步探討有關氣體減速燒蝕機理,并梳理其中的關鍵技術。
為了滿足國際空間站對難監(jiān)測、難定軌的cm級空間碎片的防護需求,NASA 于1990年提出多層沖擊防護結構的概念[7],1993年[8]又在多層沖擊防護結構的基礎上提出了一種混合Nextel/鋁多層沖擊防護方案,使結構防護能力得到了極大的提高,這是柔性防護結構的最早原型。我國也開展了柔性多層沖擊空間碎片防護結構的設計與試驗工作[9]。雖然柔性多層防護結構能夠大幅提高防護能力,但結構的最優(yōu)間距大于30倍彈徑這一指標因運載工具十分有限的有效載荷空間而難以實現,使得多層沖擊防護結構的應用受到極大限制。面對這一現狀,1999年Christiansen[10]等根據Nextel和Kevlar的材料特性,首次制造出柔性可展開的多層沖擊防護結構,它由3~4層Nextel緩沖板和1層Kevlar后墻組成,中間填充可壓縮的聚亞胺酯泡沫(如圖1所示)。這種防護間距很大的柔性多層沖擊防護結構可在航天器發(fā)射前壓縮,入軌后展開;雖然可實現防護能力的大幅提升,但其中填充的可壓縮聚亞胺酯泡沫的質量達到整個防護結構質量的50%,因而限制了其防護間距的進一步擴大。研究表明[11],在防護結構面密度不變的條件下,防護間距的增大可有效提高其防護能力,間距達到彈丸直徑的100倍時依然有效。但顯然,由于填充介質等支撐結構的存在,當前柔性可展開式防護結構遠未達到也不可能達到如此大的防護間距。
圖1 NASA 柔性可展開防護結構Fig.1 NASA’s flexible deployable shield
近年來,伴隨著充氣式可展開太空艙概念的提出,國內外開展了大量的柔性充氣式密封艙技術研究[12]。充氣展開式艙體一般采用輕質柔性復合材料制成,從內向外主要由內襯層、冗余氣囊層、結構限制層、微流星體及空間碎片防護層、隔熱層等材料構成,如圖2所示。雖然柔性外殼具有一定的空間碎片防護能力,但充氣式可展開太空艙的核心目標是以較小的發(fā)射體積和發(fā)射質量獲得較大的在軌艙體空間,而且要綜合熱防護、輻射防護和內部防護等,因此艙體抵抗大尺寸空間碎片撞擊的能力有限。
圖2 柔性充氣式密封艙體的外殼組成Fig.2 Composition of flexible cabin shell
可快速展開式空間碎片柔性防護系統(tǒng)以高價值航天器為載體,以航天器載荷的形式發(fā)射并在軌運行,主要由控制系統(tǒng)、釋放機構、快速充氣系統(tǒng)和多層柔性外殼組成。偵察監(jiān)測系統(tǒng)提供危險動能目標的軌道信息等,一旦判定其將與航天器發(fā)生撞擊則對控制系統(tǒng)發(fā)出指令,令釋放機構快速釋放并觸發(fā)快速充氣系統(tǒng),使多層柔性外殼在高壓氣體作用下迅速展開,以在動能目標來襲方向形成大間距多層柔性防護結構。當空間碎片與多層柔性防護結構發(fā)生超高速碰撞時,碎片會在多層防護結構內破碎、熔化、氣化形成碎片云,防護結構內的氣體介質會對碎片云起到進一步燒蝕和減速作用,從而實現對航天器的有效動能防護。
1)可快速展開部署,靈活機動,不受航天器總體布局、包絡尺寸、火箭發(fā)射載荷等諸多瓶頸因素的限制;
2)柔性防護系統(tǒng)不需額外支撐結構,其編織陶瓷織物、玄武巖纖維、芳綸纖維等高強度柔性防護層質量占比大,展開后防護間距充足,防護效能較高;
3)柔性外殼不需要綜合考慮熱防護、輻射防護等多重防護性能,因而其組成材料大幅簡化,降低了工程設計難度;
4)氣體介質與超高速撞擊形成的碎片云相互作用,使得碎片云動能向內能轉化,速度大幅降低,同時轉化的內能可進一步促使碎片云發(fā)生熔化、氣化,降低其侵徹能力。
圖3為前期實驗獲得的超高速球形彈丸在稀薄氣體中的運行軌跡,其中彈丸直徑為2.8 mm,撞擊速度為7.12 km/s,靶室氣體壓力約為10 kPa,可以看到彈丸發(fā)生明顯的燒蝕現象。
圖3 超高速球形彈丸在稀薄氣體中的運行軌跡(v=7.12 km/s)Fig.3 The trajectory of hypervelocity spherical projectile in thin gas(v=7.12 km/s)
數值模擬是研究超高速撞擊現象的重要手段,而材料模型的正確選取是數值模擬具備有效性的關鍵。為驗證材料模型的正確性,本文利用文獻[13]的仿真方法,對文獻[14]中的實驗工況進行數值模擬。實驗工況為直徑5.0 mm的球形鋁彈丸以5.2 km/s 的速度正撞擊由鋁合金制成的壁厚1.5 mm、直徑150 mm的圓柱形充氣壓力容器的封頭中心,容器內所充氣體為氮氣,氣體壓力為1.05 MPa,建立的初始數值模型如圖4所示。
圖4 超高速撞擊壓力容器仿真模型Fig.4 Simulation model of the pressure vessel for hypervelocity impact test
圖5給出了氣體作用下碎片云形態(tài)的數值模擬與實驗結果對比情況??煽闯觯簲抵的M中碎片形態(tài)特征的描述與實驗結果吻合得較好,特別是在二次碎片前端形成了類似釘子形的尖端與實驗結果相一致;不同時刻碎片云軸向、徑向擴展尺寸與實驗結果基本吻合,驗證了數值模擬方法的有效性。
為了分析氣體與超高速碎片云的相互作用,圖6給出了氣體壓力分別為0和1.05 MPa 條件下碎片云的軸向平均速度變化情況??煽闯觯寒敺雷o結構沒有氣體填充時,彈丸與防護屏超高速撞擊后形成的碎片云的軸向平均速度不會發(fā)生變化;而當氣體壓力為1.05 MPa 時,碎片云軸向平均速度隨運動距離的增大而大幅減小,35 μs時刻降幅甚至達到碎片云初始速度的40%,減速效果明顯。
圖5 數值模擬結果與實驗結果[1]對比Fig.5 Comparison between numerical simulation results and experimental results[1]
圖6 不同氣體壓力下碎片云軸向平均速度Fig.6 Average axial velocity of debris clouds under different gaspressures
圖7給出了不同氣體壓力下碎片云剩余內能的變化情況。當沒有氣體介質時,碎片云剩余內能保持恒定,全部來自彈丸與防護屏撞擊瞬間的擊波加熱過程。而當氣體壓力為1.05 MPa 時,碎片云剩余內能隨運動距離的增大而增大,35μs時刻剩余內能增長了近2倍。隨著碎片云剩余內能的增大,碎片溫度急劇升高,從而促進碎片的進一步熔化,甚至氣化。圖8為不同氣體壓力下碎片云熔化分布情況,可見:當沒有氣體介質時,只有碎片云頭部的小部分碎片發(fā)生熔化(見圖8(a));當有氣體介質時,幾乎所有的碎片均熔化,發(fā)生二次相變(見圖8(b))。實驗研究表明,碎片云自身的相變效應可有效降低其對后墻的損傷作用。
圖7 不同氣體壓力下碎片云內能變化Fig.7 Internal energy change of debris cloud against gas pressures
圖8 不同氣體壓力下碎片云熔化分布(v=5.2 km/s)Fig.8 Melting distributions of debris cloud under different gas pressures(v=5.2 km/s)
與此同時,在碎片云超高速作用下,氣體介質剩余內能也將大幅提升,容器內典型時刻的氣體溫度分布如圖9所示。碎片云與氣體剩余內能均來自轉化的碎片云動能,剩余內能越大,碎片云動能降幅越大,防護效果也就越好。
圖9 碎片云超高速作用下氣體溫度分布云圖(v=5.2 km/s)Fig.9 Cloud map of gas temperature distributions after hypervelocity impact of debris cloud (v=5.2 km/s)
以上分析表明,超高速運動的彈丸進入稠密氣體介質時,彈體表面與氣體摩擦產生巨大熱量,溫度可達數千攝氏度;伴隨著動能向內能的轉化,彈丸速度大幅降低。氣動加熱作用下,一方面材料表面發(fā)生一系列復雜的物理化學變化,如材料的熔化、氣化以及與周圍氣體的化學反應等,導致材料流失和剝蝕,即發(fā)生燒蝕;另一方面,材料發(fā)生熱軟化,結構強度降低,強烈的氣動力可能使彈丸局部應力超過其極限強度而產生解體——類似隕石墜落過程中的“空爆”現象,彈丸尺寸會進一步減小。因此,在強烈氣動熱和氣動力載荷作用下,彈丸會發(fā)生燒蝕、減速、解體,甚至完全熔化、氣化,從而降低對航天器的潛在破壞能力。
可快速展開式空間碎片柔性防護系統(tǒng)雖然可以通過多層破碎、氣體燒蝕、大間距擴散等多重作用大幅提高空間碎片防護能力,但尚需突破多項關鍵技術。
1)cm 級空間目標探測與識別
cm 級空間碎片在軌識別與參數辨識是空間軌道預警、航天器主動規(guī)避的重要前提。準確判斷空間目標與衛(wèi)星的撞擊風險并對釋放機構發(fā)出指令,是可展開式柔性防護系統(tǒng)能否發(fā)揮功效的關鍵。
2)柔性氣囊織物選擇與結構設計
氣囊織物決定著充氣結構能否迅速膨脹展開而不發(fā)生破裂,能否在彈丸入射瞬間對彈丸進行充分破碎且自身不發(fā)生爆炸,因此織物必須具備足夠的強度,同時要易于折疊和縫紉。另外,還需探索多氣囊結構設計,保證單氣囊撞擊泄壓后,其他氣囊不會泄氣,從而降低防護系統(tǒng)氣體外泄對航天器姿態(tài)可能造成的影響,亦提升防護系統(tǒng)本身的健壯性。
3)柔性氣囊織物折疊與展開設計
不同的氣囊結構對應著不同的防護效果,不同的折疊方案對應著不同的壓力和體積時間歷程,決定著充氣結構能否按照工程需求迅速可靠展開。通過對柔性折疊織物展開過程的數值模擬,可獲得柔性織物外形變化、織物內部壓力場和溫度場分布、織物應力分布、織物內部流場速度矢量等,從而為折疊與展開設計提供參考。
4)折疊條件下的快速充氣設計
柔性折疊式織物的快速展開充氣決定著裝備甚至整個系統(tǒng)工作的成敗。要實現防護系統(tǒng)的快速充氣展開,氣體源的選擇至關重要,需綜合考慮充氣結構氣體質量和輸出壓力等參數,以及結構是否安全可靠等要求。目前供氣的兩種主要方式為化學反應和高壓容器。而為了獲得更小的包裝體積,織物往往會在多個方向上都進行大壓縮率的折疊包裝,這更增加了快速可靠充氣的難度。因此,復雜折疊情況下織物充氣過程的研究具有非常高的工程應用價值。
5)超高速條件下氣體對彈丸的燒蝕減速機理研究
柔性充氣式結構中氣體介質的功能不僅僅是為防護結構的快速展開提供能量,氣體介質的存在還可以通過與超高速碎片云的相互作用進一步減小碎片動能,降低其破壞能力。因此,如何分析彈丸速度衰減與氣體壓力、運動距離、初始速度間的關系,獲得彈丸動能與熱能、氣體沖擊波能量的轉化規(guī)律以及材料燒蝕率,從而揭示氣體對彈丸的燒蝕減速機理,成為防護系統(tǒng)設計的關鍵。
可快速充氣展開式柔性防護系統(tǒng)可兼顧cm 級空間碎片與動能彈丸的防護需求。圍繞cm 級空間目標在軌探測與識別預警、柔性織物選擇與折疊、防護系統(tǒng)的快速充氣展開以及碎片燒蝕減速機理等關鍵技術,結合工程實踐,開展系統(tǒng)而深入的研究,對于建立航天器主動式動能防護系統(tǒng)、進而維護國家太空安全具有重要意義。