南博華 陳以傳 盧 佳 郭 銳 黃 鳳

（1 上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

（2 南京理工大學，南京 210094）

文 摘 基于SPH 方法模擬了空間碎片撞擊波紋傾角分別為30°、45°、56°和60°的填充式波紋夾層結(jié)構(gòu)的過程，對防護特性進行對比分析，研究了波紋傾角對防護性能的影響。結(jié)果表明，撞擊形成的碎片云膨脹程度隨傾角增大而變大，傾角為56°時的結(jié)構(gòu)對空間碎片破壞最大；4種結(jié)構(gòu)所轉(zhuǎn)化的不可逆功相差很小，傾角對結(jié)構(gòu)不可逆功轉(zhuǎn)換的影響較??；不同傾角的航天器艙壁損傷不同，傾角為56°時航天器艙壁損傷程度最小。

0 引言

空間碎片與航天器超過10 km/s 的平均相對速度使在軌航天器的運行和工作受到了嚴峻的挑戰(zhàn)。大型碎片可以采用機動規(guī)避進行躲避，對于數(shù)量更為龐大的毫米級及微米級空間碎片，需要采取被動措施進行防護［1-4］。

空間碎片被動防護的基本原理就是在航天器艙壁外間隔一定距離設(shè)置緩沖層，碎片撞擊緩沖層后形成能量相對削弱和分散的碎片云，從而降低航天器功能艙壁被擊中、穿透的概率。在Whipple 防護結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多年的研究，國內(nèi)外相關(guān)專家已為國際空間站開發(fā)了包括填充式Whipple 防護結(jié)構(gòu)［5］、蜂窩夾層防護結(jié)構(gòu)［6］、泡沫鋁防護結(jié)構(gòu)［7］、網(wǎng)狀雙層防護結(jié)構(gòu)［8］以及多層沖擊防護結(jié)構(gòu)［9］等多種防護構(gòu)型。隨著航天器在軌時間的延長，這些結(jié)構(gòu)還有不足之處，需要研究新型防護結(jié)構(gòu)。

利用波紋夾層結(jié)構(gòu)彎曲強度大、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、耐疲勞的優(yōu)點［10］，本文提出了一種波紋夾層內(nèi)填充樹脂材料的輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)，并將其作為航天器防護結(jié)構(gòu)緩沖層，基于ANSYS/AUTODYN 仿真軟件中SPH（光滑粒子流體力學）算法對不同波紋傾角的填充式波紋夾層結(jié)構(gòu)的空間碎片超高速撞擊過程進行研究，分析波紋傾角對其空間碎片防護性能的影響，研究結(jié)果可以為航天器空間碎片防護問題提供參考。

1 填充式波紋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)

填充式波紋夾層結(jié)構(gòu)由前后兩層平板、波紋夾層以及填充材料組成，其中波紋夾層形狀為三角形，兩層平板和波紋夾層材料為鋁合金，增強材料為環(huán)氧樹脂，填充于3層面板圍成的空腔中對結(jié)構(gòu)進行封裝（圖1）。填充式波紋夾層結(jié)構(gòu)主要尺寸見表1。

表1 填充式波紋夾層結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)Tab.1 Parameters of stuffed corrugation-cored andwiches

輕量化是航天器防護結(jié)構(gòu)選用的重要準則之一。針對填充式波紋夾層結(jié)構(gòu)，在各部分厚度尺寸及材料均已確定的情況下，通過改變波紋傾角可以獲得不同面密度（ρA）的結(jié)構(gòu)方案。本文分析了4 種不同面密度夾層結(jié)構(gòu)形成的防護結(jié)構(gòu)，其具體參數(shù)如表2所示。

表2 4種不同波紋傾角的填充式波紋夾層結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of stuffed corrugation-cored sandwiches with four different corrugation obliquities

2 仿真模型

建立球形空間碎片正撞擊填充式波紋夾層防護結(jié)構(gòu)的仿真模型。其中，球形空間碎片材料為鋁合金T2024-351，其直徑為5 mm，初速為10 km/s，4 種不同波紋傾角的填充式波紋夾層結(jié)構(gòu)分別作為防護結(jié)構(gòu)的緩沖層，設(shè)置于航天器艙壁前10 cm處。

仿真模型基于ANSYS/AUTODYN-3D建立，考慮其對稱性，采取所建模型的四分之一進行分析。模型中各結(jié)構(gòu)使用SPH 方法填充光滑粒子，粒子直徑為0.5 mm。各材料參數(shù)取自AUTODYN 材料庫，采用Johnson-Cook 強度模型［11］和Tillotson 狀態(tài)方程［12］分析；環(huán)氧樹脂材料密度為1.19 g/cm3，采用Shock 狀態(tài)方程［13］分析，具體材料參數(shù)如表3和表4所示。

表3 T2024-351鋁合金材料模型主要參數(shù)Tab.3 Key parameters of materials models for T2024-351 aluminum alloy

表4 環(huán)氧樹脂材料模型Shock EOS主要參數(shù)Tab.4 Shock EOS key parameters of materials models for epoxy

3 計算結(jié)果與討論

3.1 碎片云特性分析

碎片云的形態(tài)及其運動和膨脹規(guī)律能夠反映防護結(jié)構(gòu)對空間碎片的破碎情況以及對其能力的分散程度。當碎片云徑向擴散速度達到最大值時，其運動狀態(tài)趨于穩(wěn)定，此時4種防護結(jié)構(gòu)在空間碎片作用下形成的碎片云形貌如圖2所示。

分析可知，空間碎片破碎后形成的粒子群近似呈月牙形，分布于碎片云的中前部。結(jié)構(gòu)III 形成的碎片云中，空間碎片粒子的分散程度明顯大于其他3種結(jié)構(gòu)，說明結(jié)構(gòu)III 對空間碎片粒子的破碎程度最大，這對分散其撞擊毀傷能量、提升防護效果十分有利。

由圖2可見，當波紋傾角較小時，碎片云的形態(tài)近似于橢圓形，隨著傾角的增大，碎片云頭部逐漸擴散；當θ=60°時，碎片云的形狀已類似于喇叭狀；隨著波紋傾角逐漸增大，碎片云的擴散程度有逐漸增大的趨勢。

為了進一步對比各結(jié)構(gòu)碎片云的膨脹程度，通過文獻［14］中的方法，利用仿真獲得的碎片云徑向膨脹最大速度（vym）等數(shù)據(jù)計算得到了4 種結(jié)構(gòu)碎片云的膨脹半角（θeh），具體如表5所示。

圖2 不同防護結(jié)構(gòu)撞擊形成碎片云形貌對比Fig.2 Comparison for debris cloud of different protection structure

表5 碎片云膨脹半角對比Tab.5 Comparison for expansion half angle of debris cloud

分析表5中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著波紋傾角的增大，撞擊所形成碎片云的徑向膨脹最大速度不斷增大，其膨脹半角也不斷變大。這說明撞擊所形成碎片云的擴散程度和擴散速度均隨著波紋傾角的增大而不斷增大，可見在本文所選定的傾角范圍內(nèi)，波紋傾角越大，撞擊形成碎片云的能量愈加分散，對減小作用于航天器艙壁的能流密度、提升防護效果越有利。

3.2 不可逆功轉(zhuǎn)化分析

在空間碎片與防護結(jié)構(gòu)作用的過程中，其撞擊能量除轉(zhuǎn)化為碎片云中粒子的動能之外，還有部分轉(zhuǎn)化為不可逆功［15］。其中，不可逆功包括材料的內(nèi)能增加（ΔEi）以及材料因塑性變形產(chǎn)生的塑性功（Wp），如果防護結(jié)構(gòu)在碎片作用過程中所轉(zhuǎn)化的不可逆功越大，則撞擊形成碎片云的剩余動能就越小，其毀傷能力就越弱，對防護效果越有利。

不同波紋傾角防護結(jié)構(gòu)對撞擊碎片的內(nèi)能轉(zhuǎn)化情況和塑性功做功情況見表6。

（1）當波紋傾角由30°增大到45°時，內(nèi)能轉(zhuǎn)化量出現(xiàn)減小現(xiàn)象，之后隨著波紋傾角增大，內(nèi)能轉(zhuǎn)化量則有緩慢增加的趨勢。對比可知，4種防護結(jié)構(gòu)的內(nèi)能轉(zhuǎn)化量均約為2 300 J，約占撞擊空間碎片初始動能的25%；不同防護結(jié)構(gòu)內(nèi)能轉(zhuǎn)化量是比較接近的，結(jié)構(gòu)I 內(nèi)能轉(zhuǎn)化量最大，結(jié)構(gòu)II 內(nèi)能轉(zhuǎn)化量最小，兩者相差量為49.5 J，僅為其內(nèi)能轉(zhuǎn)化總量的2%，說明波紋傾角對內(nèi)能轉(zhuǎn)化情況影響很小，同時不同波紋傾角防護結(jié)構(gòu)的內(nèi)能轉(zhuǎn)化量相當。

（2）防護結(jié)構(gòu)的塑性功做功量隨波紋傾角的增大而逐漸增大，并且增大速率有不斷變大的趨勢；當波紋傾角為60°時，防護結(jié)構(gòu)所做的塑性功為270.8 J，與空間碎片的初始動能以及結(jié)構(gòu)所吸收的內(nèi)能相比都較小，對結(jié)構(gòu)不可逆功的轉(zhuǎn)化情況影響較小，并不會對碎片云的剩余動能造成顯著的影響。

綜合上述分析可得出結(jié)論，波紋傾角對防護結(jié)構(gòu)的不可逆功轉(zhuǎn)化情況沒有明顯的影響作用，因此不同波紋傾角的防護結(jié)構(gòu)受撞擊后形成的碎片云的剩余動能幾乎沒有區(qū)別。

表6 不同波紋傾角對撞擊碎片的內(nèi)能轉(zhuǎn)化和塑性功對比Tab.6 Internal energy transform and plastic work of debris on different corrugation obliquity

3.3 空間飛行器艙壁損傷分析

航天器艙壁的損傷情況可以直觀地反映防護結(jié)構(gòu)的防護效果。在受到碎片云中大量高速粒子的撞擊后，航天器艙壁正面，即其受撞擊一面，會形成多處微型撞擊坑，甚至出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，同時還會產(chǎn)生大量的材料剝落現(xiàn)象；其背面則會形成損傷變形，損傷嚴重情況下會出現(xiàn)材料崩落。

不同波紋傾角結(jié)構(gòu)在空間碎片撞擊作用下航天器艙壁正面的損傷情況對比如圖3所示，在碎片云高速粒子的作用下，航天器艙壁表面出現(xiàn)大量的微型撞擊坑，從而形成一個近似為圓形的損傷區(qū)（四分之一視圖中為扇形）。分析彈坑的分布情況可知，在航天器艙壁的中心位置撞擊坑的數(shù)量最多且分布最為密集，彈坑幾乎連在一起，位置越遠離中心，撞擊坑的數(shù)量越少且分布愈加分散。對比4 種防護結(jié)構(gòu)航天器艙壁中心位置撞擊坑的密集度可知，結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II 航天器艙壁中心區(qū)撞擊坑分布十分密集，而結(jié)構(gòu)III 和結(jié)構(gòu)IV 航天器艙壁中心區(qū)撞擊坑的分布則相對較為稀疏。為了進一步分析，得到了各結(jié)構(gòu)航天器艙壁損傷區(qū)域包絡(luò)圓的半徑（rh）以及最大撞擊坑深度（dmax），如表7所示。

通過表7可以看出，隨著波紋傾角的增大，航天器艙壁受碎片云撞擊后損傷區(qū)的包絡(luò)圓半徑也不斷變大，這與碎片云膨脹程度的大小直接相關(guān)。此外，除結(jié)構(gòu)IV 航天器艙壁中心位置出現(xiàn)一處穿孔之外，其他3種均未出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，而且隨著波紋傾角的逐漸增大，撞擊坑最大深度有逐漸減小的趨勢，因此結(jié)構(gòu)III 航天器艙壁的損傷程度較之其他3 種防護結(jié)構(gòu)相對較輕。

航天器艙壁背面損傷情況如圖4所示，4 種結(jié)構(gòu)艙壁正面均有大量的材料剝落，而背面則均出現(xiàn)不同程度的損傷，其中結(jié)構(gòu)IV 艙壁由于中心穿孔而出現(xiàn)材料的崩落。結(jié)構(gòu)I、結(jié)構(gòu)II和結(jié)構(gòu)III航天器艙壁背面損傷最大高度分別為0.9、1.4 和0.7 mm，因此結(jié)構(gòu)III航天器艙壁背面損傷變形程度最小。

圖3 航天器艙壁正面損傷情況對比Fig.3 Comparison for damage in the front of spacecraft wall

表7 航天器艙壁損傷區(qū)包絡(luò)半徑及最大撞擊坑深度對比Tab.7 Comparison for envelopment radius and maximal depth of impact pit in spacecraft wall

綜合分析可知，航天器損傷情況隨波紋傾角的增大也沒有明顯的變化規(guī)律，在本文研究的結(jié)構(gòu)中，波紋傾角為56°的結(jié)構(gòu)III擁有最佳的防護效果。

圖4 航天器艙壁背面損傷情況對比Fig.4 Comparison for damage on the back of spacecraft wall

4 結(jié)論

（1）撞擊4種不同波紋傾角的樹脂增強波紋夾層板所形成碎片云的膨脹程度隨波紋傾角的增大而增大，傾角為56°時，防護結(jié)構(gòu)對撞擊碎片的破碎程度最大；

（2）波紋傾角對結(jié)構(gòu)受碎片撞擊過程中所轉(zhuǎn)化的不可逆功影響程度較小，說明碎片撞擊4種結(jié)構(gòu)所形成碎片云的剩余動能較為接近；

（3）對于空間飛行器艙壁的毀傷情況，波紋傾角不同時，艙壁的損傷形式、損傷區(qū)域包絡(luò)圓半徑、最大撞擊坑深度以及背面最大損傷高度等參數(shù)均有所不同，但沒有明顯的規(guī)律，本文研究的結(jié)構(gòu)中，波紋傾角為56°時空間飛行器艙壁損傷程度最??；

（4）在本文選取的波紋傾角范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的防護性能沒有呈現(xiàn)出隨傾角線性變化的規(guī)律。研究結(jié)構(gòu)表明，樹脂增強波紋夾層板在波紋傾角為56°時防護性能最佳。