武 強，龔自正，李 明，宋光明，田東波，劉 海

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所；2.中國空間技術(shù)研究院：北京100094；3.中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速碰撞研究中心，綿陽621000）

0 引言

針對日趨惡劣的空間碎片環(huán)境，美國、俄羅斯和歐空局等基于Whipple防護結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計了多種增強型防護結(jié)構(gòu)，包括波紋防護屏防護結(jié)構(gòu)[1]、網(wǎng)狀防護結(jié)構(gòu)[2]、加強肋防護結(jié)構(gòu)[3]、填充式Whipple防護結(jié)構(gòu)[4]等。由于防護結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量受到嚴格限制，以上常用的幾種防護結(jié)構(gòu)基本只能夠承受住直徑＜1 cm 的空間碎片撞擊。我國當前的空間碎片防護設(shè)計主要基于Whipple防護結(jié)構(gòu)原理，應用也主要集中在載人飛船、空間站等大型航天器，同樣受質(zhì)量、體積以及發(fā)射成本等因素限制，只能有效防御mm 級碎片撞擊；而且由于之前相對較低的空間碎片撞擊風險，我國衛(wèi)星大都是沒有增設(shè)空間碎片防護結(jié)構(gòu)的“裸星”。然而近年來空間碎片環(huán)境日益惡化，直徑為1～10 cm 的空間碎片數(shù)量已超過75萬個[5]；同時，以美國為首的空間強國正在大力發(fā)展天基動能武器，以直接碰撞方式摧毀敵方重要航天器目標[6]。面對空間碎片與動能武器的雙重撞擊威脅，有必要設(shè)計一種主動式空間碎片防護載荷，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)固定外掛式被動防護結(jié)構(gòu)，或作為傳統(tǒng)防護結(jié)構(gòu)的補充用于抵御cm 級空間碎片。主、被動防護協(xié)同作用，既可降低防護結(jié)構(gòu)質(zhì)量和體積需求，又能實現(xiàn)在面對撞擊威脅時主動拋出并快速展開部署，達到將碎片減速、降能的目的。

本文著眼于更好地保證未來我國高價值航天器的空間安全，提出一種可快速充氣展開式空間碎片柔性防護系統(tǒng)概念。該系統(tǒng)以氣體填充代替?zhèn)鹘y(tǒng)柔性防護結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件，旨在大幅提高可供碎片云充分擴散的防護間距，并借助氣體對超高速碎片云燒蝕減速的綜合作用，實現(xiàn)對大尺寸空間碎片防御能力的提升。本文通過仿真模擬初步探討有關(guān)氣體減速燒蝕機理，并梳理其中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 空間碎片柔性防護結(jié)構(gòu)發(fā)展概況與瓶頸

為了滿足國際空間站對難監(jiān)測、難定軌的cm級空間碎片的防護需求，NASA 于1990年提出多層沖擊防護結(jié)構(gòu)的概念[7]，1993年[8]又在多層沖擊防護結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種混合Nextel/鋁多層沖擊防護方案，使結(jié)構(gòu)防護能力得到了極大的提高，這是柔性防護結(jié)構(gòu)的最早原型。我國也開展了柔性多層沖擊空間碎片防護結(jié)構(gòu)的設(shè)計與試驗工作[9]。雖然柔性多層防護結(jié)構(gòu)能夠大幅提高防護能力，但結(jié)構(gòu)的最優(yōu)間距大于30倍彈徑這一指標因運載工具十分有限的有效載荷空間而難以實現(xiàn)，使得多層沖擊防護結(jié)構(gòu)的應用受到極大限制。面對這一現(xiàn)狀，1999年Christiansen[10]等根據(jù)Nextel和Kevlar的材料特性，首次制造出柔性可展開的多層沖擊防護結(jié)構(gòu)，它由3～4層Nextel緩沖板和1層Kevlar后墻組成，中間填充可壓縮的聚亞胺酯泡沫（如圖1所示）。這種防護間距很大的柔性多層沖擊防護結(jié)構(gòu)可在航天器發(fā)射前壓縮，入軌后展開；雖然可實現(xiàn)防護能力的大幅提升，但其中填充的可壓縮聚亞胺酯泡沫的質(zhì)量達到整個防護結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%，因而限制了其防護間距的進一步擴大。研究表明[11]，在防護結(jié)構(gòu)面密度不變的條件下，防護間距的增大可有效提高其防護能力，間距達到彈丸直徑的100倍時依然有效。但顯然，由于填充介質(zhì)等支撐結(jié)構(gòu)的存在，當前柔性可展開式防護結(jié)構(gòu)遠未達到也不可能達到如此大的防護間距。

圖1 NASA 柔性可展開防護結(jié)構(gòu)Fig.1 NASA’s flexible deployable shield

近年來，伴隨著充氣式可展開太空艙概念的提出，國內(nèi)外開展了大量的柔性充氣式密封艙技術(shù)研究[12]。充氣展開式艙體一般采用輕質(zhì)柔性復合材料制成，從內(nèi)向外主要由內(nèi)襯層、冗余氣囊層、結(jié)構(gòu)限制層、微流星體及空間碎片防護層、隔熱層等材料構(gòu)成，如圖2所示。雖然柔性外殼具有一定的空間碎片防護能力，但充氣式可展開太空艙的核心目標是以較小的發(fā)射體積和發(fā)射質(zhì)量獲得較大的在軌艙體空間，而且要綜合熱防護、輻射防護和內(nèi)部防護等，因此艙體抵抗大尺寸空間碎片撞擊的能力有限。

圖2 柔性充氣式密封艙體的外殼組成Fig.2 Composition of flexible cabin shell

2 可快速展開式空間碎片柔性防護系統(tǒng)簡述

2.1 系統(tǒng)組成與防護原理

可快速展開式空間碎片柔性防護系統(tǒng)以高價值航天器為載體，以航天器載荷的形式發(fā)射并在軌運行，主要由控制系統(tǒng)、釋放機構(gòu)、快速充氣系統(tǒng)和多層柔性外殼組成。偵察監(jiān)測系統(tǒng)提供危險動能目標的軌道信息等，一旦判定其將與航天器發(fā)生撞擊則對控制系統(tǒng)發(fā)出指令，令釋放機構(gòu)快速釋放并觸發(fā)快速充氣系統(tǒng)，使多層柔性外殼在高壓氣體作用下迅速展開，以在動能目標來襲方向形成大間距多層柔性防護結(jié)構(gòu)。當空間碎片與多層柔性防護結(jié)構(gòu)發(fā)生超高速碰撞時，碎片會在多層防護結(jié)構(gòu)內(nèi)破碎、熔化、氣化形成碎片云，防護結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣體介質(zhì)會對碎片云起到進一步燒蝕和減速作用，從而實現(xiàn)對航天器的有效動能防護。

2.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

1）可快速展開部署，靈活機動，不受航天器總體布局、包絡(luò)尺寸、火箭發(fā)射載荷等諸多瓶頸因素的限制；

2）柔性防護系統(tǒng)不需額外支撐結(jié)構(gòu)，其編織陶瓷織物、玄武巖纖維、芳綸纖維等高強度柔性防護層質(zhì)量占比大，展開后防護間距充足，防護效能較高；

3）柔性外殼不需要綜合考慮熱防護、輻射防護等多重防護性能，因而其組成材料大幅簡化，降低了工程設(shè)計難度；

4）氣體介質(zhì)與超高速撞擊形成的碎片云相互作用，使得碎片云動能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化，速度大幅降低，同時轉(zhuǎn)化的內(nèi)能可進一步促使碎片云發(fā)生熔化、氣化，降低其侵徹能力。

3 氣體燒蝕減速機理初探

圖3為前期實驗獲得的超高速球形彈丸在稀薄氣體中的運行軌跡，其中彈丸直徑為2.8 mm，撞擊速度為7.12 km/s，靶室氣體壓力約為10 kPa，可以看到彈丸發(fā)生明顯的燒蝕現(xiàn)象。

圖3 超高速球形彈丸在稀薄氣體中的運行軌跡（v=7.12 km/s）Fig.3 The trajectory of hypervelocity spherical projectile in thin gas(v=7.12 km/s)

數(shù)值模擬是研究超高速撞擊現(xiàn)象的重要手段，而材料模型的正確選取是數(shù)值模擬具備有效性的關(guān)鍵。為驗證材料模型的正確性，本文利用文獻[13]的仿真方法，對文獻[14]中的實驗工況進行數(shù)值模擬。實驗工況為直徑5.0 mm的球形鋁彈丸以5.2 km/s 的速度正撞擊由鋁合金制成的壁厚1.5 mm、直徑150 mm的圓柱形充氣壓力容器的封頭中心，容器內(nèi)所充氣體為氮氣，氣體壓力為1.05 MPa，建立的初始數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 超高速撞擊壓力容器仿真模型Fig.4 Simulation model of the pressure vessel for hypervelocity impact test

圖5給出了氣體作用下碎片云形態(tài)的數(shù)值模擬與實驗結(jié)果對比情況?？煽闯觯簲?shù)值模擬中碎片形態(tài)特征的描述與實驗結(jié)果吻合得較好，特別是在二次碎片前端形成了類似釘子形的尖端與實驗結(jié)果相一致；不同時刻碎片云軸向、徑向擴展尺寸與實驗結(jié)果基本吻合，驗證了數(shù)值模擬方法的有效性。

為了分析氣體與超高速碎片云的相互作用，圖6給出了氣體壓力分別為0和1.05 MPa 條件下碎片云的軸向平均速度變化情況?？煽闯觯寒敺雷o結(jié)構(gòu)沒有氣體填充時，彈丸與防護屏超高速撞擊后形成的碎片云的軸向平均速度不會發(fā)生變化；而當氣體壓力為1.05 MPa 時，碎片云軸向平均速度隨運動距離的增大而大幅減小，35 μs時刻降幅甚至達到碎片云初始速度的40%，減速效果明顯。

圖5 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果[1]對比Fig.5 Comparison between numerical simulation results and experimental results[1]

圖6 不同氣體壓力下碎片云軸向平均速度Fig.6 Average axial velocity of debris clouds under different gaspressures

圖7給出了不同氣體壓力下碎片云剩余內(nèi)能的變化情況。當沒有氣體介質(zhì)時，碎片云剩余內(nèi)能保持恒定，全部來自彈丸與防護屏撞擊瞬間的擊波加熱過程。而當氣體壓力為1.05 MPa 時，碎片云剩余內(nèi)能隨運動距離的增大而增大，35μs時刻剩余內(nèi)能增長了近2倍。隨著碎片云剩余內(nèi)能的增大，碎片溫度急劇升高，從而促進碎片的進一步熔化，甚至氣化。圖8為不同氣體壓力下碎片云熔化分布情況，可見：當沒有氣體介質(zhì)時，只有碎片云頭部的小部分碎片發(fā)生熔化（見圖8(a)）；當有氣體介質(zhì)時，幾乎所有的碎片均熔化，發(fā)生二次相變（見圖8(b)）。實驗研究表明，碎片云自身的相變效應可有效降低其對后墻的損傷作用。

圖7 不同氣體壓力下碎片云內(nèi)能變化Fig.7 Internal energy change of debris cloud against gas pressures

圖8 不同氣體壓力下碎片云熔化分布（v=5.2 km/s）Fig.8 Melting distributions of debris cloud under different gas pressures(v=5.2 km/s)

與此同時，在碎片云超高速作用下，氣體介質(zhì)剩余內(nèi)能也將大幅提升，容器內(nèi)典型時刻的氣體溫度分布如圖9所示。碎片云與氣體剩余內(nèi)能均來自轉(zhuǎn)化的碎片云動能，剩余內(nèi)能越大，碎片云動能降幅越大，防護效果也就越好。

圖9 碎片云超高速作用下氣體溫度分布云圖（v=5.2 km/s）Fig.9 Cloud map of gas temperature distributions after hypervelocity impact of debris cloud (v=5.2 km/s)

以上分析表明，超高速運動的彈丸進入稠密氣體介質(zhì)時，彈體表面與氣體摩擦產(chǎn)生巨大熱量，溫度可達數(shù)千攝氏度；伴隨著動能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，彈丸速度大幅降低。氣動加熱作用下，一方面材料表面發(fā)生一系列復雜的物理化學變化，如材料的熔化、氣化以及與周圍氣體的化學反應等，導致材料流失和剝蝕，即發(fā)生燒蝕；另一方面，材料發(fā)生熱軟化，結(jié)構(gòu)強度降低，強烈的氣動力可能使彈丸局部應力超過其極限強度而產(chǎn)生解體——類似隕石墜落過程中的“空爆”現(xiàn)象，彈丸尺寸會進一步減小。因此，在強烈氣動熱和氣動力載荷作用下，彈丸會發(fā)生燒蝕、減速、解體，甚至完全熔化、氣化，從而降低對航天器的潛在破壞能力。

4 可快速展開式空間碎片柔性防護系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

可快速展開式空間碎片柔性防護系統(tǒng)雖然可以通過多層破碎、氣體燒蝕、大間距擴散等多重作用大幅提高空間碎片防護能力，但尚需突破多項關(guān)鍵技術(shù)。

1）cm 級空間目標探測與識別

cm 級空間碎片在軌識別與參數(shù)辨識是空間軌道預警、航天器主動規(guī)避的重要前提。準確判斷空間目標與衛(wèi)星的撞擊風險并對釋放機構(gòu)發(fā)出指令，是可展開式柔性防護系統(tǒng)能否發(fā)揮功效的關(guān)鍵。

2）柔性氣囊織物選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣囊織物決定著充氣結(jié)構(gòu)能否迅速膨脹展開而不發(fā)生破裂，能否在彈丸入射瞬間對彈丸進行充分破碎且自身不發(fā)生爆炸，因此織物必須具備足夠的強度，同時要易于折疊和縫紉。另外，還需探索多氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證單氣囊撞擊泄壓后，其他氣囊不會泄氣，從而降低防護系統(tǒng)氣體外泄對航天器姿態(tài)可能造成的影響，亦提升防護系統(tǒng)本身的健壯性。

3）柔性氣囊織物折疊與展開設(shè)計

不同的氣囊結(jié)構(gòu)對應著不同的防護效果，不同的折疊方案對應著不同的壓力和體積時間歷程，決定著充氣結(jié)構(gòu)能否按照工程需求迅速可靠展開。通過對柔性折疊織物展開過程的數(shù)值模擬，可獲得柔性織物外形變化、織物內(nèi)部壓力場和溫度場分布、織物應力分布、織物內(nèi)部流場速度矢量等，從而為折疊與展開設(shè)計提供參考。

4）折疊條件下的快速充氣設(shè)計

柔性折疊式織物的快速展開充氣決定著裝備甚至整個系統(tǒng)工作的成敗。要實現(xiàn)防護系統(tǒng)的快速充氣展開，氣體源的選擇至關(guān)重要，需綜合考慮充氣結(jié)構(gòu)氣體質(zhì)量和輸出壓力等參數(shù)，以及結(jié)構(gòu)是否安全可靠等要求。目前供氣的兩種主要方式為化學反應和高壓容器。而為了獲得更小的包裝體積，織物往往會在多個方向上都進行大壓縮率的折疊包裝，這更增加了快速可靠充氣的難度。因此，復雜折疊情況下織物充氣過程的研究具有非常高的工程應用價值。

5）超高速條件下氣體對彈丸的燒蝕減速機理研究

柔性充氣式結(jié)構(gòu)中氣體介質(zhì)的功能不僅僅是為防護結(jié)構(gòu)的快速展開提供能量，氣體介質(zhì)的存在還可以通過與超高速碎片云的相互作用進一步減小碎片動能，降低其破壞能力。因此，如何分析彈丸速度衰減與氣體壓力、運動距離、初始速度間的關(guān)系，獲得彈丸動能與熱能、氣體沖擊波能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律以及材料燒蝕率，從而揭示氣體對彈丸的燒蝕減速機理，成為防護系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

5 結(jié)束語

可快速充氣展開式柔性防護系統(tǒng)可兼顧cm 級空間碎片與動能彈丸的防護需求。圍繞cm 級空間目標在軌探測與識別預警、柔性織物選擇與折疊、防護系統(tǒng)的快速充氣展開以及碎片燒蝕減速機理等關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合工程實踐，開展系統(tǒng)而深入的研究，對于建立航天器主動式動能防護系統(tǒng)、進而維護國家太空安全具有重要意義。