航天器可防護/感知一體化結(jié)構(gòu)技術(shù)方案

徐欣,鄧衛(wèi)華,龔自正,張品亮,劉江

(1.中國空間技術(shù)研究院航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094;2.中國空間技術(shù)研究院總裝與環(huán)境工程部,北京 100094)

1 引言

目前我國約有300顆衛(wèi)星在軌運行,承擔(dān)著通信、偵察、導(dǎo)航等重要任務(wù)。它們的高可靠、長壽命在軌安全運行是保障社會經(jīng)濟快速發(fā)展和國家安全的基石。據(jù)統(tǒng)計,由空間環(huán)境引起的在軌衛(wèi)星故障事件中,碎片撞擊占12%,是四大原因之一。目前,空間碎片總重量已達8400t,截至2021年12月,地球軌道中已被跟蹤編目尺度在10cm以上的空間碎片數(shù)量已達23877個;尺度在1～10cm的碎片數(shù)量約為75萬個;尺度在1～10mm的碎片數(shù)量約為1億個,1mm以下的碎片數(shù)量數(shù)以百億計,在未來50年間空間碎片數(shù)量每年將以10%的速度增長。據(jù)不完全統(tǒng)計,國外因空間碎片撞擊導(dǎo)致異?；蚴У男l(wèi)星數(shù)量超過16顆,部分異?；蚴录姳?。

表1 碎片撞擊導(dǎo)致國外衛(wèi)星異?；蚴录able 1 Abnormal or failure events of foreign satellites caused by debris impact

此外大規(guī)模低軌星座迅猛發(fā)展給空間碎片防護帶來了嚴(yán)重的挑戰(zhàn),以SpcaeX、Oneweb等為代表的國外商業(yè)航天企業(yè)已經(jīng)開始低軌小衛(wèi)星星座的組網(wǎng)建設(shè)。大規(guī)模低軌星座計劃和發(fā)射數(shù)量呈爆炸式增長,慢慢逼近近地軌道空間的承載極限,使得嚴(yán)峻的空間碎片環(huán)境更加惡化。截至2021年底,SpcaeX已將1844顆星鏈衛(wèi)星送入軌道,并計劃完成第一階段12000顆和第二階段近30000顆的組網(wǎng)任務(wù)。

2 航天器空間碎片防護研究進展

為了應(yīng)對日益嚴(yán)峻的空間碎片環(huán)境,美國國家航空航天局(NASA)等致力于把其現(xiàn)有的毫米級碎片(尺寸10mm以下)防護能力向厘米級碎片(尺寸1～10cm)提升拓展。同時在考慮對太陽翼等不能遮擋的高撞擊風(fēng)險部件的防護方法。2014年以來,NASA持續(xù)開展了驗證厘米級碎片防護能力的超高速碰撞實驗,設(shè)計了可以防御直徑8.6cm、質(zhì)量598g的鋁彈丸在6.9km/s速度撞擊下的多層填充防護結(jié)構(gòu)防護。目前正在研究超高強度的多層石墨烯防護材料,可以吸收彈丸72%～75%的動能的復(fù)合金屬泡沫,以及非晶態(tài)金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)材料等。

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的龔自正等研究人員,提出了將波阻抗梯度材料應(yīng)用于空間碎片的防護研究,使用平面層間焊接和多層軋制技術(shù)制備了不同系列的波阻抗梯度材料,與鋁合金材料對比顯示:撞擊速度為3.5km/s,梯度防護結(jié)構(gòu)的防護能力提高了約16.8%;撞擊速度為6.5km/s,梯度防護結(jié)構(gòu)的防護能力提高了約29.3%。梯度防護結(jié)構(gòu)的防護性能明顯優(yōu)于同等面密度的鋁合金防護結(jié)構(gòu),且在實驗速度范圍內(nèi),隨著撞擊速度的提高,梯度防護結(jié)構(gòu)的防護性能提升比例增加。

北京理工大學(xué)的張慶明等研究人員將一種PTFE/Al活性材料融入到Whipple防護結(jié)構(gòu)中,PTFE/Al活性材料不同于普通炸藥,不具有自持反應(yīng)特性,在側(cè)向稀疏波作用下,沿徑向的爆炸達到一定距離時會自動停止,自身不會產(chǎn)生二次碎片,且沖擊誘發(fā)的爆轟特性可以對彈丸進行反向沖擊,以上特點有利于其應(yīng)用到防護結(jié)構(gòu)中。其超高速實驗結(jié)果顯示,相比于同等面密度的鋁合金Whipple防護結(jié)構(gòu),PTFE/Al活性材料Whipple防護結(jié)構(gòu)的防護能力在破碎段提升了27%,在彈道段提升了45%以上。。

上海硅酸鹽研究所自2012年起開展了連續(xù)氧化鋁纖維工程化技術(shù)研究,2015年在國內(nèi)率先實現(xiàn)了200孔大絲束條件下對標(biāo)3M Nextel550型氧化鋁纖維連續(xù)穩(wěn)定紡絲及實驗室條件下的連續(xù)陶瓷化工工藝貫通,2019年具備了550型連續(xù)氧化鋁纖維年數(shù)百公斤的制造能力,纖維性能接近國外同類產(chǎn)品,同時突破了610、720型連續(xù)氧化鋁纖維制備關(guān)鍵技術(shù)。實現(xiàn)了包括纖維布、三維立體編織構(gòu)件、纖維增強復(fù)合材料、隔熱氈、針刺毯等多型纖維制品及實驗件的制造,為國內(nèi)航天器防護結(jié)構(gòu)相關(guān)研究的開展提供了材料基礎(chǔ)。

綜上,我國在高強度先進防護材料方面,突破了高強度氧化鋁纖維織物、活性材料等面向工程應(yīng)用的關(guān)鍵制備技術(shù),針對航天器防護結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,可開展高效防護、隔熱、撞擊感知等功能一體化設(shè)計技術(shù),構(gòu)建航天器一體化結(jié)構(gòu)的綜合性能評價方法與體系,使我國航天器空間碎片防護能力達到國際先進水平。

3 航天器一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 總體技術(shù)路線

為實現(xiàn)航天器一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計的高效防護、隔熱和感知多功能一體化設(shè)計,研究總體方案如圖1所示,以某高價值衛(wèi)星為應(yīng)用對象,基于典型蜂窩板結(jié)構(gòu),采用多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù),先逐步通過包覆式/填充式氧化鋁纖維織物開展防護設(shè)計,實現(xiàn)高效防護功能;通過氧化鋁纖維織物/MLI多層隔熱材料組合開展隔熱設(shè)計,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)里外兩側(cè)不低于單一傳統(tǒng)多層的等效隔熱能力;通過輕型含鋰材料替換和拓撲優(yōu)化開展減重設(shè)計,實現(xiàn)綜合質(zhì)量降低不少于20%;采用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)開展植入式高精度碰撞感知設(shè)計,并實現(xiàn)撞擊定位精度不低于10mm;最終通過多層復(fù)合加工,完成功能一體化結(jié)構(gòu)原理樣件,并通過綜合性能評估。

圖1 航天器一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計流程示意圖Fig.1 Design flow diagram of spacecraft integrated structure

3.2 結(jié)構(gòu)高效防護、隔熱功能一體化設(shè)計技術(shù)

基于蜂窩板、氧化鋁纖維織物各自的防護特性,采用理論分析與數(shù)值仿真方法,研究蜂窩板、氧化鋁纖維織物材料(多層隔熱材料)之間的協(xié)同作用關(guān)系。分別建立蜂窩板-氧化鋁纖維織物防護結(jié)構(gòu)、氧化鋁纖維織物-蜂窩板防護結(jié)構(gòu)、以及氧化鋁纖維織物-蜂窩板-氧化鋁纖維織物多元復(fù)合防護結(jié)構(gòu)計算模型。選取蜂窩板面板厚度、蜂窩芯尺寸、蜂窩板厚度以及氧化鋁纖維織物面密度、排列方式等參數(shù)作為變量,以撞擊極限最大化作為優(yōu)化目標(biāo),以防護結(jié)構(gòu)面密度不超過指定最大值為約束條件,建立防護結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化模型,實現(xiàn)蜂窩板、氧化鋁纖維織物高效防護一體化設(shè)計。技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 基于氧化鋁纖維織物的防護結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計流程Fig.2 Thermal insulation design process of protective structure based on alumina fiber fabric

氧化鋁纖維織物具有良好的隔熱效果,熱導(dǎo)率為0.03W/m·K,基于氧化鋁纖維織物良好隔熱性能,采用輻射反射與導(dǎo)熱隔熱相結(jié)合的設(shè)計方法,采用氧化鋁纖維織物作為隔熱間隔層,輕量化鍍鋁膜作為輻射反射層,在實現(xiàn)防護功能的同時獲得高效隔熱效果,替代航天器常規(guī)多層隔熱材料。研究不同氧化鋁纖維織物隔熱間隔層與輻射反射層的排布,建立一體化結(jié)構(gòu)的整體內(nèi)外導(dǎo)熱關(guān)系模型,獲得疊放層次和方式對隔熱效果的影響規(guī)律,開展氧化鋁纖維織物與多層隔熱材料耦合作用下超高速撞擊防護特性研究,實現(xiàn)兼顧防護的隔熱結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計。

3.3 碎片撞擊感知定位及一體化集成技術(shù)

在碰撞感知設(shè)計方面,根據(jù)國內(nèi)外一些機構(gòu)研究的空間碎片撞擊定位方案,本研究方案采用光纖布拉格光柵(FBG)傳感器,通過合理的工藝方法,將傳感器植入到多層氧化鋁纖維織物與蜂窩板結(jié)構(gòu)之間,光纖接入外部的調(diào)制解調(diào)設(shè)備進行數(shù)據(jù)分解,組成撞擊感知系統(tǒng)。針對傳感器高速撞擊下的信號特征,設(shè)計出合理的傳感電路,再利用精度細化數(shù)學(xué)模型,如圖3所示,可以實現(xiàn)撞擊位置的定位。以100cm×100cm尺寸的結(jié)構(gòu)板為例,基于以往研究基礎(chǔ),可布置44共計16個傳感器陣列,如圖4所示,共1～2通道,定位精度能達到不大于10mm。

圖3 定位算法流程圖Fig.3 Flow chart of localization algorithm

圖4 光纖光柵分布方案圖Fig.4 Distribution scheme of fiber Bragg grating

3.4 航天器結(jié)構(gòu)減重設(shè)計技術(shù)

在航天器一體化結(jié)構(gòu)減重設(shè)計方面,擬從以下五方面開展,如圖5所示。一是通過采用含鋰超輕合金蒙皮替代航天器常規(guī)用鋁合金蒙皮,從已有研究結(jié)果表明,鋁合金可以實現(xiàn)減重10%以上,鎂鋰合金則可以實現(xiàn)30%以上,如圖6所示;二是通過蜂窩拓撲優(yōu)化設(shè)計和3D打印技術(shù),可以實現(xiàn)三維點陣結(jié)構(gòu),能實現(xiàn)30%～60%的減重;三是通過借助氧化鋁纖維織物防護材料自身的隔熱性,能替代一部分傳統(tǒng)的MLI隔熱組件,實現(xiàn)隔熱組件的質(zhì)量減輕;四是通過面板與防護材料的工藝貼合,減少防護屏層數(shù)和厚度以及支撐結(jié)構(gòu),在滿足一定防護性能要求下可有效降低防護結(jié)構(gòu)的質(zhì)量;五是通過采用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)替代壓電傳感系統(tǒng),光纖替代電纜可實現(xiàn)數(shù)量級的質(zhì)量降低,而且一根光纖可以串聯(lián)多個不同參數(shù)光柵傳感器(本質(zhì)上是光纖的一部分),大大簡化測量系統(tǒng)的復(fù)雜性,也大大降低系統(tǒng)質(zhì)量。

圖5 一體化結(jié)構(gòu)減重設(shè)計原理框圖Fig.5 Design principle block diagram of weight reduction for integrated structure

圖6 鎂鋰合金結(jié)構(gòu)與鋁合金結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比(深灰色表面為鎂鋰合金)Fig.6 Comparison of structure mass between Mg-Li alloy and aluminum alloy(Mg-Li alloy with a dark grey surface)

3.5 一體化防護結(jié)構(gòu)綜合性能評估技術(shù)

為了實現(xiàn)航天器一體化防護結(jié)構(gòu)綜合性能評估技術(shù),研究總體方案如圖7所示,針對結(jié)構(gòu)撞擊防護性能以及撞擊定位精度,采用二級輕氣炮高速撞擊試驗來進行檢測;針對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,采用靜力強度試驗來檢測;針對隔熱性能,采用熱導(dǎo)率測試方法來檢測。

圖7 航天器一體化防護結(jié)構(gòu)綜合性能評估技術(shù)流程示意圖Fig.7 Technical process diagram of comprehensive performance evaluation of spacecraft integrated protection structure

二級輕氣炮高速撞擊試驗方法是采用二級輕氣炮試驗系統(tǒng),針對一體化防護結(jié)構(gòu)開展超高速撞擊防護性能評價,研究一體化結(jié)構(gòu)穿孔、斷裂等損傷特性,建立其撞擊極限曲線,與防護前結(jié)構(gòu)進行對比,獲得其防護能力提升值。輕氣炮高速撞擊時,結(jié)構(gòu)靶標(biāo)產(chǎn)生高速沖擊信號,利用搭建的基于FBG傳感陣列的撞擊感知系統(tǒng),對沖擊信號進行采集與存儲,根據(jù)試驗結(jié)果,修正數(shù)學(xué)模型,使其達到定位精度。靜力試驗方法就是采用壓力臺,把一體化結(jié)構(gòu)試驗件放置在壓力臺上,取預(yù)計最高載荷的5%～10%為初始載荷,測量初始應(yīng)力、應(yīng)變和位移。然后逐級加載,并逐次測量和記錄各應(yīng)變測量點、位移測量點和載荷測量點的數(shù)據(jù),同時仔細觀察試件,直至達到預(yù)定的載荷。熱導(dǎo)率測試主要關(guān)注在軌真空、低溫環(huán)境下織物熱導(dǎo)率的非線性情況。對于氧化鋁纖維織物熱導(dǎo)率測試,方法是基于傅里葉傳熱定律并建立一維穩(wěn)態(tài)傳熱條件。

4 結(jié)論及建議

本文研究作為航天器先進防護材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)的一項結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究。項目的研究可為先進防護材料的設(shè)計與工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐,為我國航天器空間碎片防護設(shè)計提供可工程化、國產(chǎn)化的防護材料與先進防護結(jié)構(gòu),滿足我國航天器結(jié)構(gòu)對高效防護、隔熱、撞擊感知等功能一體化的需求,并對提高航天器空間碎片的防護能力具有重要意義。

本文研發(fā)的功能一體化航天器結(jié)構(gòu),在具有高效防護、隔熱、撞擊感知等功能的前提下,可實現(xiàn)航天器結(jié)構(gòu)減重10%以上,具有良好的工程應(yīng)用前景,可直接服務(wù)于我國各類航天器,實現(xiàn)航天器全面防護,尤其是載人航天器及高價值衛(wèi)星的空間碎片防護,確保我國在軌航天器長壽命、高可靠運行。