飛矛對(duì)空間運(yùn)載火箭殘骸的錨固捕獲特性研究

白玉帥, 趙耘晨, 岳帥, 李朝振, 吳越, 王鵬飛

(1.中國電子科技集團(tuán)公司光電研究院, 天津 300308; 2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 南京 210094)

隨著在軌廢棄航天器的不斷增多,急需開展空間碎片主動(dòng)清除技術(shù)的研發(fā)與實(shí)踐[1],其中涉及一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),即非合作目標(biāo)捕獲技術(shù)[2]。世界各國早在十幾年前便啟動(dòng)了相關(guān)研究,目前正處于關(guān)鍵技術(shù)研究和在軌演示驗(yàn)證階段[3-4]。現(xiàn)有的非合作目標(biāo)捕獲技術(shù)主要有機(jī)械臂、空間飛網(wǎng)、空間魚叉、柔性夾持機(jī)構(gòu)和黏附抓捕機(jī)構(gòu)等[5]。

飛矛捕獲與飛網(wǎng)捕獲類似,均屬于柔性捕獲方式。飛矛捕獲也被稱為空間魚叉捕獲,最初由空中客車防務(wù)及航天公司于2013年提出[6]。飛矛捕獲可以適應(yīng)多種形狀的目標(biāo),能夠在較遠(yuǎn)距離捕獲目標(biāo),該方法成本低廉、容易進(jìn)行地面試驗(yàn)驗(yàn)證,故此方法在多項(xiàng)研究計(jì)劃中被采用。Dudziak等[7]對(duì)飛矛尖端形狀、發(fā)射速度、入射角度等因素對(duì)錨固結(jié)果的影響進(jìn)行了研究。Mataki等[8]以2024AL作為目標(biāo)靶材料,比較了6種不同飛矛尖端形狀侵徹目標(biāo)靶的錨固效果。Nguyen等[9]通過試驗(yàn)與仿真研究了飛矛入射角度對(duì)錨固特性的影響。飛矛與飛網(wǎng)一同于2019年由歐空局進(jìn)行了在軌演示驗(yàn)證,飛矛通過氣體發(fā)生器以20 m/s的速度發(fā)射,在飛行一段距離后成功錨固在鋁蜂窩夾層靶板上,驗(yàn)證了飛矛捕獲的可行性[10-11]。

李強(qiáng)[12]提出了可重復(fù)侵徹飛矛系統(tǒng),分別對(duì)飛矛錨固和發(fā)射回收裝置進(jìn)行了試驗(yàn)與仿真分析。李云濤[13]完成了飛錨捕獲系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì),針對(duì)飛錨錨固進(jìn)行了理論、實(shí)驗(yàn)和仿真研究,并根據(jù)理論模型對(duì)飛錨結(jié)構(gòu)及其參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。Zhao等[14]研究了飛矛撞擊靶板時(shí)的摩擦效應(yīng),并得到了飛矛有效嵌入標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的發(fā)射速度。

但是上述研究大多局限在飛矛錨固規(guī)則靶板的探討中,并未開展對(duì)運(yùn)載火箭殘骸等真實(shí)空間目標(biāo)進(jìn)行飛矛捕獲的仿真或試驗(yàn)驗(yàn)證,而且也沒有研究揭示出飛矛撞擊運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)的錨固特性。

現(xiàn)首先分析典型目標(biāo)的屬性,隨后建立飛矛撞擊末子級(jí)靶板的有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真模型,研究不同初速和不同彈著角下飛矛的錨固特性,最后探討飛矛對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的錨固效果。相關(guān)研究可以有效指導(dǎo)將來的地面試驗(yàn)或在軌演示驗(yàn)證。

1 典型目標(biāo)屬性

空間碎片主要包括人類空間活動(dòng)中產(chǎn)生的失效衛(wèi)星、火箭末級(jí)、空間碰撞物等,因?yàn)槠涫プ藨B(tài)調(diào)控能力而成為空間非合作目標(biāo)。這些在軌廢棄航天器如果發(fā)生解體或碰撞會(huì)產(chǎn)生大量空間碎片,極大危害空間活動(dòng)的安全性。根據(jù)美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)和歐洲航天局(European Space Agency,ESA)相關(guān)研究[14],目前碰撞或解體風(fēng)險(xiǎn)較高的典型目標(biāo)航天器如表1所示,相關(guān)的軌道數(shù)據(jù)和物理特性可在NORAD TLEs和ESOC DISCOS數(shù)據(jù)庫中查詢[15]。

表1 典型目標(biāo)航天器及屬性[14-15]

在明確典型目標(biāo)的基本屬性后,還需結(jié)合目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征得出可靠的飛矛彈著點(diǎn)。人造衛(wèi)星上的彈著點(diǎn)主要是其包絡(luò)外殼。目前,中外直接入軌衛(wèi)星大多為箱板式構(gòu)型[16-17],并且主要采用鋁蜂窩芯夾層板作為衛(wèi)星的包絡(luò)外殼和承力結(jié)構(gòu)。蜂窩夾層板往往由鋁蒙皮或碳纖維板蒙皮包裹鋁蜂窩芯構(gòu)成[18],是較為理想的錨固點(diǎn)。然而由于衛(wèi)星功能復(fù)雜,有些衛(wèi)星外壁上安裝有電子盒、管道、線束和隔熱結(jié)構(gòu)等。盡管飛矛具備一定的表面形狀特征適應(yīng)能力,但是人造衛(wèi)星并不是飛矛捕獲的最佳目標(biāo)。

根據(jù)聯(lián)合國和平利用太空委員會(huì)(Committee on the Peaceful Uses of Outer Space,COPUOS)相關(guān)要求,留軌的運(yùn)載火箭需進(jìn)行鈍化處理,對(duì)完成任務(wù)后的運(yùn)載火箭攜帶的能量進(jìn)行釋放,吹除或燃燒剩余推進(jìn)劑從而避免爆炸[19],所以大多數(shù)在軌廢棄運(yùn)載火箭均可以成為飛矛捕獲的目標(biāo)。相比人造衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)形式,運(yùn)載火箭具有更簡單的形狀和結(jié)構(gòu)形式,并且類型少較易歸類。此外運(yùn)載火箭不攜帶任何敏感儀器,因此選擇它們作為清除目標(biāo)更容易達(dá)成國際協(xié)議。

運(yùn)載火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴由于發(fā)射時(shí)被高溫灼燒,機(jī)械狀態(tài)未知,并不適合作為的錨固點(diǎn),但是中間的蒙皮結(jié)構(gòu)是較為可靠的彈著點(diǎn)。運(yùn)載火箭一般由厚度1.6 mm左右的7000/2000系列鋁合金制成蒙皮,并帶有局部增強(qiáng)件或桁架,質(zhì)量小于5 000 kg,直徑為2～2.5 m。在捕獲前還需確認(rèn)目標(biāo)的自旋和翻滾狀態(tài),火箭體在大約250 d的時(shí)間內(nèi)衰減到圍繞主軸的幾度每秒,可以將10°/s視為典型值[1]。

根據(jù)上述分析,選定運(yùn)載火箭末子級(jí)為飛矛捕獲目標(biāo),CZ-4B/4C運(yùn)載火箭末級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示[19],長約5 m,直徑為2 m,質(zhì)量約2 000 kg。

圖1 CZ-4B/4C 運(yùn)載火箭末子級(jí)結(jié)構(gòu)[19]

2 飛矛錨固有限元仿真

2.1 飛矛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

飛矛捕獲是最近幾年新提出的一種主動(dòng)清除大型空間碎片的捕獲方法。由于捕獲方式本身簡單可靠,使得基于飛矛錨固的方案顯著降低了成本和風(fēng)險(xiǎn),還使任務(wù)目標(biāo)的選擇更加靈活,同時(shí)易于針對(duì)高代表性目標(biāo)進(jìn)行地面測(cè)試。并且飛矛捕獲在瞬時(shí)完成,這意味著飛矛可以捕獲快速旋轉(zhuǎn)的目標(biāo),即對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)相對(duì)不敏感[6]。

飛矛需要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的侵徹與錨固,并保證在后續(xù)拖曳過程中不脫落。為了適應(yīng)具有更高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的運(yùn)載火箭目標(biāo),本文研究提出了一體式多層級(jí)倒刺結(jié)構(gòu)的飛矛,如圖2所示。飛矛在侵徹靶板時(shí)是兩者相互作用破壞的狀態(tài),所以飛矛結(jié)構(gòu)不允許擁有太多精細(xì)部件,將侵徹結(jié)構(gòu)、多層級(jí)倒刺結(jié)構(gòu)、擋塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工為一個(gè)零件,即飛矛主體。這樣可以有效避免飛矛在惡劣的侵徹過程中發(fā)生解體,工作不可靠等問題。

圖2 飛矛結(jié)構(gòu)示意圖

飛矛整體為回轉(zhuǎn)體,且無復(fù)雜或精細(xì)部件,簡易結(jié)構(gòu)帶來了低成本、低風(fēng)險(xiǎn)和高可靠性,并且使得飛矛實(shí)現(xiàn)了低質(zhì)量、小體積的設(shè)計(jì)方案,進(jìn)而降低了對(duì)發(fā)射機(jī)構(gòu)的要求,可以達(dá)到較高的發(fā)射速度。

飛矛撞擊靶板時(shí),頭部錐體的侵徹結(jié)構(gòu)侵入目標(biāo),倒刺結(jié)構(gòu)緊隨其后,三級(jí)倒刺結(jié)構(gòu)的直徑依次增大,可以緩沖飛矛的動(dòng)能,增大嵌入靶板的速度范圍,給予發(fā)射任務(wù)較大的裕度。在設(shè)計(jì)初始就被定義了過量的速度,防止飛矛反彈,當(dāng)?shù)勾探Y(jié)構(gòu)全部嵌入靶板后,擋塊結(jié)構(gòu)用來吸收飛矛剩余的動(dòng)能,使得目標(biāo)靶板被卡在倒刺結(jié)構(gòu)和擋塊結(jié)構(gòu)之間。飛矛在侵徹結(jié)構(gòu)后切了一個(gè)橫向槽,使得在侵徹目標(biāo)時(shí)彈體被向內(nèi)擠壓至扁平狀,防止靶板被侵徹的開孔太大,導(dǎo)致錨固失敗。當(dāng)飛矛嵌入靶板后,通過連接在飛矛上的柔性系繩構(gòu)造發(fā)射平臺(tái)和目標(biāo)之間的連接,完成拖曳和離軌等既定功能。

2.2 仿真模型

飛矛錨固末子級(jí)時(shí)的彈著點(diǎn)主要為運(yùn)載火箭末子級(jí)中間的蒙皮結(jié)構(gòu),蒙皮結(jié)構(gòu)為圓筒狀,截取1/6將其簡化為如圖3所示的末子級(jí)靶板。靶板為半徑1.4 m的曲面,中間為厚度1.7 mm的蒙皮,內(nèi)部采用厚1.7 mm的內(nèi)框架支撐,上面通過厚9 mm、高7 mm的上圓環(huán)與桁架連接,下面通過厚9 mm、高100 mm的下圓環(huán)與桁架連接,上下均為厚9 mm、高210 mm的相同桁架,各個(gè)零部件間均通過焊接相連。

圖3 運(yùn)載火箭末子級(jí)簡化后的靶板

在ABAQUS軟件中建立飛矛錨固末子級(jí)靶板的有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真模型[20],如圖4所示。模型由飛矛與末子級(jí)靶板兩個(gè)實(shí)體部件組成,慣性參考系的Z軸正方向與飛矛發(fā)射方向相同,XY平面與飛矛底面重合。末子級(jí)靶板由蒙皮、內(nèi)框架、上下圓環(huán)和上下桁架共6個(gè)部件組成,通過綁定約束連接,飛矛彈著點(diǎn)為一側(cè)蒙皮中心,為便于仿真將靶板中心網(wǎng)格進(jìn)行加密,被劃分為75 169個(gè)單元,飛矛被劃分為16 551個(gè)單元,兩者單元類型均為C3D8R(八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元)。通過設(shè)置預(yù)定義場賦予飛矛不同初始速度,靶板外圍施加完全固定邊界,飛矛與靶板的相互作用采用通用接觸。

圖4 飛矛錨固末子級(jí)靶板的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型

飛矛材料為45鋼,末子級(jí)靶板除上下圓環(huán)采用7075鋁合金外,其他部件材料均為2A12鋁合金。Johnson-Cook動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型和斷裂破壞準(zhǔn)則是最常用的金屬動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型和動(dòng)態(tài)破壞準(zhǔn)則[21]。該模型利用von Mises屈服面及其流動(dòng)法則,考慮材料的應(yīng)變、應(yīng)變率硬化和溫升軟化等因素,假設(shè)材料的各向同性應(yīng)變、應(yīng)變率硬化和溫升軟化因子是解耦的,即

(1)

模型中應(yīng)變硬化和溫度軟化采用冪函數(shù)形式,應(yīng)變率硬化因子采用對(duì)數(shù)形式,即

(2)

Johnson-Cook破壞準(zhǔn)則給出了材料應(yīng)變率、應(yīng)力三軸度以及溫度與材料失效應(yīng)變率的關(guān)系,其表達(dá)式為

(3)

材料的斷裂失效通過單元?jiǎng)h除來實(shí)現(xiàn),即在輸出設(shè)置status,則失效單元會(huì)被隱藏。45鋼、2A12鋁和7075鋁的材料參數(shù)如表2所示。

表2 45鋼、2A12鋁和7075鋁的材料參數(shù)[22-24]

2.3 仿真結(jié)果

為研究不同初速下飛矛對(duì)末子級(jí)靶板的錨固效果,分別對(duì)初速為50、60、70、75、80、100 m/s進(jìn)行有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真,得到能夠捕獲末子級(jí)的最佳飛矛速度,為將來的試驗(yàn)與在軌演示提供參考。圖5為不同速度下飛矛撞擊末子級(jí)靶板的仿真效果,視圖為XOZ平面投影,坐標(biāo)定義如圖4所示。當(dāng)飛矛速度小于等于50 m/s時(shí)飛矛被彈回,未能錨固成功;當(dāng)飛矛速度為60～75 m/s時(shí)飛矛錨固成功;當(dāng)飛矛速度大于等于80 m/s時(shí)飛矛穿透。考慮到在仿真中得到的是最理想條件下的錨固效果,所以在錨固速度范圍中選取偏大值,最佳捕獲速度為70 m/s。

圖5 不同初速下飛矛撞擊末子級(jí)靶板的錨固效果

為探究飛矛錨固末子級(jí)靶板時(shí)的撞擊響應(yīng),選取初速為70 m/s的工況進(jìn)一步分析飛矛錨固過程,如圖6所示。飛矛在撞擊末子級(jí)靶板時(shí)由于應(yīng)力波的原因會(huì)在靶板上形成漣漪狀波紋,導(dǎo)致靶板在撞擊時(shí)出現(xiàn)較大范圍的彈性變形。但是由于內(nèi)框架隔斷的原因使得彈性變形僅局限于單個(gè)內(nèi)框架支撐的蒙皮內(nèi),不會(huì)對(duì)周圍內(nèi)框支撐的另一側(cè)蒙皮產(chǎn)生較大影響,并且撞擊后蒙皮會(huì)恢復(fù)穩(wěn)定。末子級(jí)在8 ms前恢復(fù)穩(wěn)定,說明捕獲過程小于8 ms,可以認(rèn)為飛矛捕獲在瞬時(shí)完成。

圖6 飛矛初速為70 m/s時(shí)的錨固過程

飛矛錨固過程中沒有產(chǎn)生較大破片,絕大部分的細(xì)微破片也是向內(nèi)散布,說明飛矛捕獲方式不會(huì)產(chǎn)生二次空間碎片,產(chǎn)生的細(xì)微破片也不會(huì)影響發(fā)射平臺(tái)安全。撞擊的開孔形狀為花瓣形,僅在彈著點(diǎn)附近出現(xiàn)盤型凹陷的塑性變形,靶板整體保持完整,說明飛矛錨固不會(huì)對(duì)末子級(jí)產(chǎn)生較大影響。飛矛在嵌入靶板時(shí)其頭部無明顯塑性變形,由于橫向槽的原因飛矛尾部在侵徹時(shí)被向內(nèi)擠壓,僅出現(xiàn)較小的塑性變形,符合設(shè)計(jì)要求。

3 飛矛對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的錨固特性

在真實(shí)的飛矛捕獲任務(wù)中,運(yùn)載火箭末子級(jí)往往與發(fā)射平臺(tái)具有一定的相對(duì)速度,并有可能在做自旋運(yùn)動(dòng)。為研究火箭末子級(jí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)飛矛錨固的影響,將火箭末子級(jí)本體簡化為剛體,并與簡化后的末子級(jí)靶板進(jìn)行綁定,如圖7所示。末子級(jí)質(zhì)量為2 000 kg,通過賦予剛體參考點(diǎn)質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,模擬末子級(jí)的質(zhì)量特性。通過賦予剛體參考點(diǎn)不同速度和角速度模擬火箭末子級(jí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),使用飛矛撞擊不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的末子級(jí)靶板,研究飛矛對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的捕獲效果。

圖7 飛矛錨固運(yùn)動(dòng)末子級(jí)靶板的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型

圖8為飛矛以70 m/s初速分別錨固自旋速度為10、50、100 °/s末子級(jí)靶板的仿真效果。其中100 °/s的自旋速度是典型值10 °/s的10倍,滿足了任務(wù)需要,并且高自旋的火箭殘骸需要先進(jìn)行消旋才能進(jìn)行后續(xù)的拖曳離軌等操作,所以不再對(duì)更高自旋的工況進(jìn)行仿真。飛矛均錨固在靶板上,說明飛矛可錨固具有一定自旋速度的火箭末子級(jí)。但末子級(jí)自旋速度會(huì)顯著影響開孔形狀,飛矛在侵徹時(shí)也會(huì)偏向自旋方向。

圖8 不同自旋速度下的錨固效果

由于發(fā)射條件有限,可能導(dǎo)致飛矛與末子級(jí)間存在沿X軸、Y軸的相對(duì)速度,如圖9所示為飛矛以70 m/s撞擊末子級(jí)靶板的錨固過程,末子級(jí)靶板的自旋速度為10 °/s、沿X軸、Y軸的相對(duì)速度為5 m/s?？梢园l(fā)現(xiàn)飛矛成功錨固,但會(huì)在侵徹時(shí)隨著靶板運(yùn)動(dòng)方向而偏轉(zhuǎn),并且開孔形狀會(huì)呈現(xiàn)為橢圓狀。

圖9 飛矛撞擊運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的錨固過程

如圖10為不同末子級(jí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下飛矛動(dòng)能隨時(shí)間變化曲線。可以看到幾條僅有自旋速度的曲線重合度較高,說明較小的自旋對(duì)飛矛侵徹過程的影響并不大,不會(huì)根本性的改變飛矛錨固特性。當(dāng)沿X軸、Y軸的相對(duì)速度較大時(shí)飛矛的動(dòng)能曲線出現(xiàn)明顯變化,但并未改變錨固結(jié)果。

圖10 不同末子級(jí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下飛矛動(dòng)能隨時(shí)間變化曲線

由于末子級(jí)質(zhì)量偏大,所以當(dāng)飛矛撞擊時(shí)和撞擊后末子級(jí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并未出現(xiàn)明顯改變,說明瞬時(shí)完成的飛矛錨固捕獲方式基本不會(huì)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生影響,進(jìn)一步證明了飛矛捕獲的簡單性和可靠性。

4 結(jié)論

針對(duì)典型目標(biāo)的特征和屬性,提出了一種一體式多層級(jí)倒刺結(jié)構(gòu)的飛矛,進(jìn)行了飛矛錨固運(yùn)載火箭末子級(jí)的有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真,研究了發(fā)射初速、彈著角和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)飛矛錨固特性的影響,相關(guān)研究有效地指導(dǎo)了將來的地面試驗(yàn)或在軌演示驗(yàn)證,具備一定的工程實(shí)用價(jià)值。得到了如下結(jié)論。

(1) 提出的飛矛結(jié)構(gòu)在撞擊末子級(jí)靶板時(shí)表現(xiàn)出良好的錨固效果,驗(yàn)證了飛矛捕獲方式的可行性。飛矛錨固的最佳的捕獲速度為70 m/s,并在初速為 60～75 m/s的范圍內(nèi)均可錨固成功,說明飛矛捕獲方法具有一定的發(fā)射速度裕度范圍,可以接受較小的發(fā)射誤差。

(2) 飛矛錨固的作用過程時(shí)間小于8 ms,可以認(rèn)為飛矛捕獲于瞬時(shí)完成。雖然飛矛在撞擊末子級(jí)靶板時(shí)僅在瞬時(shí)形成漣漪狀波紋,但撞擊后會(huì)迅速恢復(fù)穩(wěn)定,不會(huì)對(duì)末子級(jí)的完整性和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生較大影響,證明了飛矛捕獲方式的優(yōu)勢(shì)。

(3) 較小的自旋對(duì)飛矛侵徹過程的影響并不大,不會(huì)根本性的改變飛矛錨固特性。飛矛可以以70 m/s初速錨固在具有0～100 °/s自旋速度的末子級(jí)靶板上,滿足捕獲任務(wù)需求,揭示出飛矛捕獲對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的相對(duì)不敏感性。