飛矛清除空間碎片過(guò)程中的侵徹分析

王 丹 ，邱興浩

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110623）

0 引言

在蘇聯(lián)1957年發(fā)射第一顆衛(wèi)星之后，人類便進(jìn)入了太空時(shí)代，地球軌道空間已經(jīng)成為人類探索研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人類已進(jìn)行了超過(guò)5 000次的空間發(fā)射活動(dòng)，發(fā)射入軌的航天器有6 000多個(gè)，總量超過(guò)3萬(wàn)t[1]。除了巨大數(shù)量的空間碎片對(duì)在軌有人和無(wú)人航天器構(gòu)成顯見(jiàn)的威脅以外，還存在一種潛在的不受控制的連鎖碰撞反應(yīng)，通常被稱為“凱斯勒效應(yīng)（Kessler Syndrome）”。Kessler指出，在未來(lái)，近地軌道空間碎片的濃度可能會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界水平，這將會(huì)產(chǎn)生一種級(jí)聯(lián)效應(yīng)，其中一些主要的碰撞可能導(dǎo)致大宗碎片群的發(fā)展[2-3]。

空間碎片種類豐富多樣，包括失效的有效載荷、運(yùn)營(yíng)碎片、解體碎片和微粒物質(zhì)等[4-5]，其尺寸也橫跨多個(gè)數(shù)量級(jí)，從微米到米不等。這些空間碎片對(duì)航天器造成的危害也是多種多樣的，主要包括以下幾個(gè)方面[6]：表面性能的改變、撞擊形成凹坑、等離子體云效應(yīng)、動(dòng)量傳遞、表面穿孔、容器破裂和結(jié)構(gòu)碎裂等。統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測(cè)，目前在軌的直徑大于10 cm的大碎片的數(shù)量約為34 000個(gè)，直徑在1 cm～10 cm之間的中等碎片的數(shù)量約為90萬(wàn)個(gè)，直徑在1 mm～1 cm之間的小碎片的數(shù)量則超過(guò)1.2億個(gè)[7]?？臻g碎片對(duì)航天器的直接危害來(lái)自其超高的速度，一個(gè)厘米級(jí)尺寸大小的空間碎片，看似不起眼，但在地球外太空軌道上能達(dá)到7.5 km/s的速度，在與高速運(yùn)動(dòng)的航天器碰撞的過(guò)程中，能產(chǎn)生巨大的動(dòng)能，這足以摧毀整個(gè)衛(wèi)星[8-9]。近年來(lái)，各個(gè)主要的航天國(guó)家紛紛意識(shí)到空間碎片對(duì)空間活動(dòng)的切實(shí)威脅，僅僅依賴空間碎片自然衰減或者采取空間碎片減緩措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此主動(dòng)進(jìn)行空間碎片清除任務(wù)是必要且迫切的[10]。

1 侵徹分析

為了驗(yàn)證飛矛穿透目標(biāo)靶板的性能，分別對(duì)不同入射角度的飛矛侵徹靶板的過(guò)程用ANSYS Workbench軟件中的Explicit Dynamics模塊進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)仿真模擬。用軟件顯式動(dòng)力學(xué)模塊對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，靶體模型設(shè)定為正方體，材料選用牌號(hào)2024-T4的鋁合金，考慮計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及網(wǎng)格劃分粗細(xì)程度對(duì)仿真時(shí)長(zhǎng)的影響，選擇在靶體中心半徑為20 mm的球形區(qū)域內(nèi)更加密集地劃分網(wǎng)格，區(qū)域外側(cè)則比較稀疏地劃分網(wǎng)格，同時(shí)加快計(jì)算速度。為保證飛矛侵徹靶板過(guò)程中靶板位置不發(fā)生偏移，在靶板四周添加固定約束。飛矛本體與靶板之間采用侵徹接觸，由于飛矛在飛行過(guò)程中可能會(huì)受到未知環(huán)境因素的影響，在與目標(biāo)靶體接觸時(shí)不一定能達(dá)到理想的垂直侵徹狀態(tài)，而入射角度又會(huì)影響飛矛的侵徹能力，本文針對(duì)飛矛在入射角為30°、45°、60°和垂直四種狀態(tài)下進(jìn)行侵徹仿真。在以上假設(shè)情況下建立侵徹有限元模型。

傾斜侵徹是飛矛撞擊目標(biāo)靶體時(shí)不可避免會(huì)出現(xiàn)的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，飛矛在撞擊前的飛行過(guò)程中由于受復(fù)雜空間環(huán)境的影響，可能會(huì)產(chǎn)生一定的偏斜角度，這種情況下飛矛在穿透目標(biāo)靶板時(shí)會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱阻力，從而在侵徹過(guò)程中產(chǎn)生偏差，靶體材料參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖1所示。

表1 靶體材料參數(shù)表

仿真過(guò)程中，所有飛矛采用統(tǒng)一初速度，從仿真結(jié)果可以看出，飛矛侵徹靶板之后，靶板會(huì)發(fā)生不同程度的形變，形變程度由飛矛撞擊靶板位置向邊緣遞減，碰撞中心區(qū)域靶板發(fā)生穿孔形變。隨著飛矛入射角度的增加，飛矛對(duì)靶板的侵徹效果越來(lái)越弱，但在一定范圍內(nèi)，飛矛仍可以穿透靶板。如圖1所示，當(dāng)入射角為30°時(shí)，飛矛穿入靶板之后位置相對(duì)而言發(fā)生較大變化；入射角繼續(xù)增大，對(duì)比圖1（b）和（c），入射角為45°時(shí)，靶板穿孔變形大于入射角為60°時(shí)的變形，可以推測(cè)當(dāng)入射角繼續(xù)增大，飛矛將不能侵徹穿入靶板，飛矛碰到靶板之后會(huì)被彈開(kāi)，即發(fā)生跳彈現(xiàn)象；但當(dāng)飛矛垂直侵徹靶板時(shí)，飛矛軌跡幾乎是一條直線，侵徹穿入的深度也最大。

圖1 不同入射角飛矛侵徹靶板變形云圖

2 飛矛發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)發(fā)射結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮到是進(jìn)行發(fā)射原理驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單緊湊可靠，且飛矛發(fā)射過(guò)程中要盡可能減少能量消耗，因此選擇彈簧作為動(dòng)力來(lái)源，飛矛尖端采用高強(qiáng)度材料，發(fā)射機(jī)體和套筒選用耐磨材料，整體裝置能夠重復(fù)使用。其各部分結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個(gè)序號(hào)對(duì)應(yīng)的零件名稱如下：1為飛矛；2為直線軸承；3為套筒；4為動(dòng)力彈簧；5為前支架；6為發(fā)射機(jī)體；7為后支架；8為螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

該裝置的工作原理為：飛矛發(fā)射裝置采用的動(dòng)力源為一根圓柱壓縮螺旋彈簧，發(fā)射機(jī)體是連接彈丸與后部的彈簧的中間裝置。在發(fā)射時(shí)，彈簧推動(dòng)發(fā)射機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)發(fā)射機(jī)體推動(dòng)飛矛向前運(yùn)動(dòng)。外部套筒前端安裝直線軸承，軸承內(nèi)安裝飛矛，這樣可以減少因摩擦產(chǎn)生的能量損失；套筒后端內(nèi)安裝發(fā)射機(jī)體與彈簧，為其提供導(dǎo)軌作用。發(fā)射機(jī)體中間的通孔穿入尼龍線繩通過(guò)彈簧內(nèi)部與安裝在尾部的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，當(dāng)尾部的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，尼龍繩帶動(dòng)發(fā)射機(jī)體壓縮彈簧，當(dāng)轉(zhuǎn)到預(yù)定位置后，斷開(kāi)尼龍繩，釋放彈簧，從而將飛矛發(fā)射出去。飛矛裝置整體實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 飛矛裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 飛矛裝置結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

對(duì)飛矛裝置進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)對(duì)各部分功能進(jìn)行了驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)對(duì)于飛矛發(fā)射過(guò)程中摩擦力帶來(lái)的能量損失，通過(guò)直線軸承可以減少；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)發(fā)射機(jī)體來(lái)壓縮彈簧的功能。釋放彈簧后飛矛成功發(fā)射，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明裝置完成了發(fā)射原理驗(yàn)證。

3 結(jié)論

本研究針對(duì)飛矛侵徹空間碎片進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)如何發(fā)射飛矛進(jìn)行了原理驗(yàn)證。在相同撞擊速度的條件下，飛矛垂直侵徹靶板的深度大于傾斜侵徹的深度，且傾斜的角度越大，飛矛越難侵徹靶板，所以要使飛矛有效地侵徹靶板，應(yīng)盡量減小侵徹時(shí)的入射角度；設(shè)計(jì)的飛矛發(fā)射裝置能成功發(fā)射飛矛，這為后續(xù)飛矛裝置的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。