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(xué)，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(hù)特性進(jìn)行對比分析，研究了波紋傾角對防護(hù)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)換的影響較小；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(yùn)行和工作受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。大型碎片可以采用機(jī)動規(guī)避進(jìn)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(jìn)行防護(hù)［1-4］。

空間碎片被動防護(hù)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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)［5］、蜂窩夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)［6］、泡沫鋁防護(hù)結(jié)構(gòu)［7］、網(wǎng)狀雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)［8］以及多層沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)［9］等多種防護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)。

利用波紋夾層結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、耐疲勞的優(yōu)點(diǎn)［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(hù)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(xué)）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(jìn)行研究，分析波紋傾角對其空間碎片防護(hù)性能的影響，研究結(jié)果可以為航天器空間碎片防護(hù)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(qiáng)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(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)選用的重要準(zhǔn)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(hù)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(hù)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(hù)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(jìn)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(qiáng)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(yùn)動和膨脹規(guī)律能夠反映防護(hù)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(dāng)碎片云徑向擴(kuò)散速度達(dá)到最大值時，其運(yùn)動狀態(tài)趨于穩(wěn)定，此時4種防護(hù)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(hù)效果十分有利。

由圖2可見，當(dāng)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(kuò)散；當(dāng)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(kuò)散程度有逐漸增大的趨勢。

為了進(jìn)一步對比各結(jié)構(gòu)碎片云的膨脹程度，通過文獻(xiàn)［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(hù)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(kuò)散程度和擴(kuò)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(hù)效果越有利。

3.2 不可逆功轉(zhuǎn)化分析

在空間碎片與防護(hù)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(hù)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(hù)效果越有利。

不同波紋傾角防護(hù)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(dāng)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(hù)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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)能轉(zhuǎn)化量相當(dāng)。

（2）防護(hù)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(dāng)波紋傾角為60°時，防護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)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(yán)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(yuǎn)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(hù)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(jìn)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(hù)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(hù)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(qiáng)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(hù)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?。?/p>

（4）在本文選取的波紋傾角范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的防護(hù)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(qiáng)波紋夾層板在波紋傾角為56°時防護(hù)性能最佳。