充氣展開式空間危險碎片防護結構設計

李海巖,徐 洋,王玉林,高著秀,李成祥

(1.中國運載火箭技術研究院， 北京 100076； 2.宇航系統工程研究所， 北京 100076)

建設大型空間站是我國載人航天三步走戰略的第三步。我國計劃于2022年前后建成空間站，成為我國空間科學和新技術研究實驗的重要基地。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，如何應對空間碎片對空間站的威脅已經成為無法回避的現實問題。

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，數量巨大，但由于撞擊動能小，航天器一般采取被動防護措施[1-3]；大于10 cm量級空間碎片(被稱為大碎片)，數目較少，并且能夠編目，可采用機動規避措施[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，被公認為是對在軌航天器威脅最大的空間碎片，也被稱為危險碎片。

針對空間危險碎片，目前尚無有效的防護手段。如果采用軌道規避，會額外增加空間站的燃料消耗，干擾正常的在軌任務；空間站目前主要采用的被動防護結構也無法抵抗危險碎片。本文設計一種充氣展開防護結構，并探索其應用于空間站自主防護危險碎片的工程可行性。一方面，可降低對發射重量、發射空間的資源浪費；當遇到空間碎片攻擊時，可控展開實現攔截且通過自主調節方向提高攔截效率。另一方面，防護任務完成后，防護結構可回收、可重復使用，不影響空間站執行在軌主任務。綜上，通過本項目開展空間站自主防護盾技術研究，對提升我國在軌航天器的可靠運行水平、確保我國空間資產安全具有重要意義。

1 充氣展開防護結構設計

傳統的Whipple防護屏能夠防護毫米級的空間碎片。空間碎片尺寸增大，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。單屏結構的Whipple防護屏難以滿足空間站對大直徑空間碎片的防護要求。根據空間碎片防護功能要求，充氣展開防護結構采用多屏結構設計，一方面，尺寸較大的空間碎片能與防護屏進行多次超高速碰撞，空間碎片可破碎為較小的碎片，甚至液化、氣化，有效降低單個碎片的動能，減小其對后屏的破壞；另一方面，充氣展開防護結構采用大屏間距設計，能夠讓防護屏與空間碎片碰撞產生的碎片云在屏間獲得足夠的膨脹擴散空間，從而減小單位面積內撞擊碎片數量，降低單位面積內碎片云與后屏或艙壁的撞擊能量，提高防護結構防護能力[5]。

1) 多層防護屏。防護屏材料——國內外常用的航天器防護柔性材料主要有Kevlar纖維復合材料、Nextel纖維復合材料、Beta纖維復合材料等[6]。本文采用Kevlar纖維復合材料，可以有效減弱入射碎片碰撞產生的破壞效應。防護屏面積——空間站核心艙最大直徑為4.2 m，根據空間站防護部位需求，設計充氣展開防護結構展開后防護屏直徑為4 m。

防護屏屏間距——通過對不同屏間距的防護結構進行仿真分析，研究間距對防護性能的影響；同時參考國內外相關防護結構的設計，選擇10 cm作為防護結構的屏間距。

2) 充氣支撐框架。充氣支撐框架是防護屏的支撐部件。防護屏在空間展開，需要對充氣支撐框架進行充氣。充氣管需承受內部的充氣壓力，以保持較高的結構剛度，其變形以及應力分布對影響整個防護屏的結構穩定性(圖1)。

依據仿真分析結果，充氣過程在管徑10～20 cm范圍較為穩定，綜合考慮充氣管重量、剛度、支撐、展開等因素，設計充氣管的管徑為10 cm。10 cm管徑充氣管質量較輕，充氣過程較為平穩，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，結合已有研究基礎，充氣管壁厚選擇為0.3 mm[7]。

2 空間站應用

2.1 功能設計

1) 空間碎片防護功能設計。為有效降低空間危險碎片對空間站的危害，防護結構應具備將入射空間碎片破碎為細小碎粒的能力，并能夠讓碰撞產生的碎片云充分擴散；當碎片云與艙壁發生撞擊時，降低碎片云單位面積內的撞擊能量，進而補充空間站被動防護結構的防護能力，防護空間碎片對空間站高風險部位的危害。

2) 折疊展開功能設計。為滿足空間站大面積防護需求，并控制發射包絡尺寸合理可行，防護結構應滿足折疊發射、在軌展開功能。為提高防護結構折疊率，同時減小展開機構的復雜程度，防護結構選用柔性復合材料，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。防護結構展開狀態下，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備的遮擋，防護結構應具有回收和再展開功能。保證防護結構長期回收待命，接到空間碎片碰撞預警時再次展開成型，抵御空間碎片。

2.2 空間碎片防護模式

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。核心艙模塊分為節點艙、生活控制艙和資源艙，有3個對接口和兩個停泊口，配置空間機械臂。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。在空間碎片防護方面，空間站核心艙采用被動防護結構，對生活控制艙大柱段、小柱段的柱段高風險區及撞擊風險較大的大柱段前錐段均采用Whipple防結構和熱控輻射器共同進行防護，局部結構如圖2所示。

圖2 空間站核心艙被動防護結構(局部)

初始飛行時，充氣展開防護結構折疊收攏，固定安裝于空間站核心艙內；在軌飛行后，采用轉位機構和機械臂結合的方式，進行防護結構轉移、對接，可以完成折疊狀態下的防護結構安裝。同樣，在航天員和機械臂協同下，可實現防護結構的更換。

空間站核心艙(如圖3)共安裝兩個充氣展開防護結構，分別安裝于生活控制艙大柱段、小柱段被動防護結構外，根據空間站碎片環境分析[8]，在空間站核心艙的高度角-20°～+20°、方位角-60°～+60°范圍內，空間碎片的撞擊通量比較大。因此，為了有效保護空間站核心艙兩側和天頂面高風險區域，及迎風面方向次高風險區域，充氣展開防護結構可通過轉向機構分別沿柱段中心坐標系的X軸向-80°～+80°方向，局部坐標系的Y軸向(Ya向 、Yb向)-30°～+30°方向旋轉(圖4)，進而可覆蓋風險區域，使防護結構可配合被動防護結構有效減弱碎片碰撞。

圖3 充氣展開防護結構安裝在空間站核心艙

圖4 充氣展開防護結構轉向坐標系

3 防護效能仿真分析

3.1 超高速碰撞典型工況仿真

為評估充氣展開結構的防護效果，采用AUTODYN-2D的SPH法進行超高速碰撞仿真分析[9]。為提高計算效率，使用軸對稱建模方法，建立1/2平面計算模型，如圖5。鋁合金材料使用AL2024T351模型，采用Shock狀態方程，Johnson Cook強度模型；纖維材料使用KFRP模型，采用Ortho狀態方程，Orthotropic Yield強度模型，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，進行超高速碰撞仿真分析。仿真模型采用四屏等厚的防護結構，如圖6，屏間距為10 cm，分別設置單屏厚度分別為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果進行對比分析。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的防護結構，前兩次碰撞對彈丸動能的削弱性能優于其他屏厚的防護結構。9 mm、10 mm屏厚的防護結構，雖增加了厚度，但并未提高對彈丸動能消耗。因此，8 mm屏厚是進行典型工況防護結構設計的重要設計值。

3.2.2 彈孔直徑分析

圖8為通過對各種厚度的防護結構的彈孔直徑，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散效應。6 mm屏厚的彈孔直徑最大，說明超高速碰撞后碎片膨脹擴散效應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增大，說明其防護性能較低。6 mm以上屏厚的防護結構，其第3屏彈孔直徑均小于第2屏，說明經過兩次碰撞后，碎片云的破壞力下降。

第4屏，5 mm和6 mm屏厚的防護結構彈孔大幅減小，符合多次超高速碰撞碎片云擴散規律。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屏發生碰撞有關。

3.3 超高速碰撞典型工況仿真

在4屏防護結構的基礎上，距離防護結構最后一屏10 cm位置增加1 mm厚的鋁板，模擬被動Whipple 防護屏；在距Whipple屏5 cm位置，增加2.5 mm厚的鋁板，模擬空間站艙壁。將四層防護屏的厚度均設置為7 mm，進行碰撞過程仿真分析，分析結果如圖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層防護屏均被擊穿。達到預設計算循環次數，Whipple被動防護屏被擊穿，但是主要碎片發生回彈，碎片未碰撞到艙壁。因此，7 mm屏厚的4屏防護結構可滿足直徑1 cm彈丸以10 km/s速度碰撞條件下，艙壁不被擊穿的防護要求。

4 結論

1) 充氣展開防護結構采用多層防護屏結構設計，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) 充氣展開防護結構可安裝于空間站核心艙柱段，通過轉向機構配合，可有效保護空間站核心艙兩側和天頂面高風險區域，及迎風面方向次高風險區域。

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