柔性多層沖擊空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094

未來(lái)空間站、載人登月、月面居住艙等重大專項(xiàng)對(duì)大型擴(kuò)展艙段的需求日益突出，而大型剛性密封艙結(jié)構(gòu)(一般為鋁合金材質(zhì))由于質(zhì)量大、體積大、發(fā)射成本高、在軌組裝難度大，將難以滿足未來(lái)航天發(fā)展的需要。充氣展開密封結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、折疊效率高、展開可靠、工程實(shí)施方便等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)空間站擴(kuò)展艙體、大型空間居住艙建造的有效途徑之一。

充氣展開密封結(jié)構(gòu)外蒙皮由多層材料構(gòu)成，分別表示為氣密層、增強(qiáng)層、微流星體和空間碎片防護(hù)層、輻射防護(hù)層以及熱控層等，其中微流星體和空間碎片防護(hù)層(以下簡(jiǎn)稱空間碎片防護(hù)層)為其中最厚的一層，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的折疊設(shè)計(jì)及展開方案設(shè)計(jì)均有重大影響。

空間碎片撞擊航天器的平均相對(duì)速度可達(dá)10 km/s，微流星體撞擊航天器的平均相對(duì)速度可達(dá)19～22 km/s，空間碎片嚴(yán)重威脅著在軌航天器的安全。

對(duì)空間碎片的防護(hù)得到了航天業(yè)界的重視。目前在空間站艙體上大多采用Whipple結(jié)構(gòu)對(duì)艙體進(jìn)行被動(dòng)防護(hù)。而對(duì)于充氣展開密封艙體來(lái)說(shuō)，空間碎片防護(hù)層需要同時(shí)具備防護(hù)與折疊、展開的功能，現(xiàn)有的基于Whipple結(jié)構(gòu)的剛性防護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足上述要求。

關(guān)于充氣展開密封艙體，美國(guó)NASA啟動(dòng)了大型充氣太空艙TransHab的研究，旨在為空間站提供廉價(jià)且大型化的空間艙體結(jié)構(gòu)[1]，并有關(guān)于空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)的專利發(fā)表[2]。此后，美國(guó)的Bigelow公司自行研究了類似的充氣式太空艙，并于2016年發(fā)射了BEAM充氣艙，與國(guó)際空間站對(duì)接。同時(shí)，NASA還進(jìn)行了充氣式火星探測(cè)基地的研究。

在國(guó)內(nèi)，對(duì)于充氣展開密封艙體的研究開展較晚，主要的研究單位有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)以及中國(guó)空間技術(shù)研究院等[3-6]。

本文針對(duì)充氣展開密封艙體對(duì)于空間碎片的防護(hù)需求，基于多層沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了充氣展開密封結(jié)構(gòu)的柔性空間碎片防護(hù)層，利用國(guó)產(chǎn)的玄武巖織物和芳綸織物代替Nextel陶瓷纖維和Kavlar高強(qiáng)度纖維，代入彈道極限方程，計(jì)算出了空間碎片柔性防護(hù)層的各設(shè)計(jì)參數(shù)，并利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)空間碎片防護(hù)層的設(shè)計(jì)進(jìn)行了檢驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，柔性多層沖擊空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)及其彈道極限方程可作為充氣艙室對(duì)空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參考。

1 多層沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在常用的Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)是在主結(jié)構(gòu)前一定距離上布置單層緩沖層。Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)型簡(jiǎn)單，制造安裝方便，但對(duì)彈丸形狀比較敏感。而在國(guó)際空間站上使用的填充式防護(hù)結(jié)構(gòu)主要是在最外層鋁緩沖屏與后墻之間填充Nextel陶瓷纖維以及Kavlar高強(qiáng)度纖維組成的復(fù)合材料層。

多層沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)主要是指由多層Nextel陶瓷纖維層構(gòu)成緩沖屏的防護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。和傳統(tǒng)的鋁緩沖屏相比，陶瓷纖維緩沖屏可以在粒子內(nèi)產(chǎn)生更強(qiáng)烈的沖擊壓力，從而更充分地破碎彈丸;而且Nextel陶瓷纖維本身形成的碎片非常小，幾乎沒(méi)有反濺效應(yīng)。

圖1 多層沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Multi-shock protection shield

2 彈道極限方程

根據(jù)Eric L. Cheristiansen等人[7-9]的研究成果，當(dāng)入射角為90°時(shí)，柔性多層沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限方程可以表示為：

Vn>6.4 km/s時(shí)：

2.4≤Vn≤6.4 km/s時(shí):

Vn<2.4 km/s時(shí)：

式中：dc為彈丸直徑，cm；mw為后墻面密度，g/cm2；mb為總緩沖屏面密度，g/cm2；ρp為彈丸密度，g/cm3；S為緩沖屏-后墻總間隔距離，cm；Vn為彈丸速度垂直分量，km/s。

3 柔性空間碎片防護(hù)層設(shè)計(jì)

對(duì)于充氣展開密封結(jié)構(gòu)的柔性空間碎片防護(hù)層，由于外國(guó)的禁運(yùn)，我們無(wú)法獲取相應(yīng)的防護(hù)材料，必須立足國(guó)產(chǎn)防護(hù)材料。通過(guò)對(duì)材料特性的研究，可以采用芳綸纖維布作為后墻，玄武巖纖維織物作為緩沖屏，并在緩沖屏之間選用聚氨酯泡沫材料作為填充。

其中主要依靠多層玄武巖纖維織物緩沖屏將空間碎片破碎、熔化、氣化并攔截，其后的芳綸纖維布進(jìn)一步攔截碎片，使其不能突破防護(hù)層的保護(hù)，以達(dá)到保護(hù)飛行器安全的目的。聚氨酯泡沫層對(duì)空間碎片防護(hù)層起到支撐作用，同時(shí)對(duì)碎片云也起到一定的減緩作用。

玄武巖織物緩沖屏之間粘貼低密度的聚氨酯泡沫材料，在整體結(jié)構(gòu)展開時(shí)對(duì)緩沖屏起到支撐作用。發(fā)射時(shí)，柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)處于壓緊、折疊狀態(tài)，壓縮防護(hù)屏間的聚氨酯泡沫，以縮減柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的體積；入軌后，釋放泡沫，展開空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)，發(fā)揮防護(hù)作用?；诙鄬記_擊結(jié)構(gòu)的空間碎片防護(hù)層設(shè)計(jì)如圖2所示。

柔性空間碎片防護(hù)層對(duì)空間碎片起到防護(hù)作用，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為玄武巖纖維織物總面密度、芳綸纖維布總面密度以及總間隔S。其中玄武巖纖維織物的單層面密度為320 g/m2，芳綸纖維布單層面密度為200 g/m2。

根據(jù)多層沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)彈道極限方程的計(jì)算結(jié)果，防護(hù)層對(duì)空間碎片的防護(hù)能力隨玄武巖纖維織物總面密度、芳綸纖維布總面密度和總間隔S這幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的改變而發(fā)生較大的變化。

圖2 基于多層沖擊結(jié)構(gòu)的柔性空間碎片防護(hù)層設(shè)計(jì)示意Fig.2 Flexible protection shield based on the multi-shock structure

當(dāng)總間隔S大于30 cm時(shí)，即使玄武巖纖維織物總面密度、芳綸纖維布總面密度較低時(shí)，也完全能夠滿足對(duì)空間碎片的防護(hù)要求。

而當(dāng)總間隔S為15 cm和20 cm時(shí)，需要使用較高的玄武巖纖維織物總面密度、芳綸纖維布總面密度，才能勉強(qiáng)達(dá)到對(duì)空間碎片的防護(hù)要求。

圖3給出了在緩沖屏面密度和后墻面密度恒定情況下，不同總間隔S時(shí)防護(hù)層的防護(hù)能力比較。

圖3 總間隔S分別為20 cm、30 cm和40 cm時(shí)正撞擊彈道極限曲線Fig.3 BL curve when overall spacing is 20 cm, 30 cm and 40 cm

由圖3可以看出，當(dāng)總間隔S為40 cm時(shí)，即使玄武巖纖維織物層數(shù)取10層、芳綸纖維布層數(shù)取10層，其防護(hù)層防護(hù)能力，遠(yuǎn)強(qiáng)于總間隔S為30 cm時(shí)的防護(hù)能力，防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于總間隔S有著較大的靈敏度。所以，總間隔S是進(jìn)行防護(hù)層設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，其對(duì)防護(hù)能力具有較大的靈敏度，應(yīng)該加以重視。

圖4給出了在總間隔S為30 cm、后墻面密度(芳綸纖維布層數(shù)取10層)一定情況下，玄武巖總面密度變化對(duì)防護(hù)層的防護(hù)能力的影響。

由圖4可以看出，當(dāng)玄武巖織物層數(shù)發(fā)生變化時(shí)，主要在低速段彈丸的臨界直徑發(fā)生一些變化；而對(duì)于高速階段，彈丸的臨界直徑并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。這說(shuō)明僅增加織物層數(shù)對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力并不能產(chǎn)生較大的增強(qiáng)效果。這是由于高速段的彈道極限方程與緩沖屏面密度無(wú)關(guān)造成的，需要進(jìn)一步加以驗(yàn)證。

圖4 總間隔30 cm時(shí)，不同玄武巖織物層數(shù)的正撞擊彈道極限曲線對(duì)比Fig.4 BL curve when overall spacing is 30 cm with different Basalt fiber

圖5給出了在總間隔S為30 cm、緩沖屏面密度(玄武巖纖維布層數(shù)取10層)恒定情況下，芳綸纖維布層數(shù)變化對(duì)防護(hù)層的防護(hù)能力的影響。

由圖5可以看出，當(dāng)芳綸纖維布層數(shù)增加時(shí)，即芳綸織物總面密度增加時(shí)，彈道極限曲線有整體上移趨勢(shì)，即增加芳綸纖維布層數(shù)可以增強(qiáng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力，但這同時(shí)也增加了質(zhì)量。

圖5 總間隔30 cm時(shí)，不同芳綸纖維布層數(shù)的正撞擊極限曲線對(duì)比Fig.5 BL curve when overall spacing is 30 cm with different aromatic polyamide fiber

由計(jì)算可知，雖然緩沖屏面密度對(duì)防護(hù)能力的影響靈敏度不如總間隔S，但玄武巖纖維織物總面密度和芳綸纖維布總面密度也對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。

當(dāng)總間隔S為20 cm時(shí)，玄武巖纖維織物和芳綸纖維布層數(shù)分別采用20層，也可以達(dá)到防護(hù)要求，但這將帶來(lái)質(zhì)量加大的影響。

4 高速撞擊試驗(yàn)

高速撞擊試驗(yàn)的試驗(yàn)件由3層玄武巖織物緩沖屏和一層芳綸后墻構(gòu)成。每層緩沖屏選用4層玄武巖織物，后墻由12層芳綸織物構(gòu)成。

高速撞擊試驗(yàn)共進(jìn)行5次，分為低速和高速兩個(gè)速度段。彈丸材質(zhì)為鋁，密度2.7 g/cm3。其中低速段共進(jìn)行3次，撞擊速度分別為3.011 km/s、2.979 km/s和2.964 km/s。彈丸直徑依次為2.25 mm、2.75 mm和2.5 mm。當(dāng)彈丸直徑為2.75 mm時(shí)，測(cè)定速度為2.979 km/s，試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)完全擊穿。而其余2次低速撞擊試驗(yàn)僅擊穿了3層玄武巖緩沖屏，而未能完全擊穿芳綸織物后墻。

對(duì)于2次高速段撞擊試驗(yàn)，彈丸速度分別為6.144 km/s和6.555 km/s，相應(yīng)的彈丸直徑依次為9 mm和9.25 mm。2次試驗(yàn)均完全擊穿3層玄武巖緩沖屏，并分別擊穿5層芳綸織物和擊穿6層芳綸織物，未能實(shí)現(xiàn)對(duì)12層芳綸后墻的完全擊穿。

根據(jù)彈道極限方程計(jì)算而得的曲線，本次試驗(yàn)的5次撞擊試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值分析預(yù)示結(jié)果能夠較好地吻合，滿足預(yù)示分析結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果與極限方程曲線對(duì)比如圖6所示，柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)高速撞擊試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖6 試驗(yàn)結(jié)果與極限方程曲線對(duì)比Fig.6 HVI test result vs. BL curve

表1 柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)高速撞擊試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

柔性空間碎片防護(hù)層在充氣展開密封結(jié)構(gòu)中地位重要，由于其結(jié)構(gòu)對(duì)于折疊展開的特殊要求，基于多層沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的柔性空間碎片防護(hù)層可以很好地滿足柔性結(jié)構(gòu)對(duì)防護(hù)、折疊、展開的要求。

對(duì)于玄武巖織物和芳綸織物，其特性完全可以滿足充氣展開密封結(jié)構(gòu)對(duì)空間碎片的防護(hù)要求。將纖維織物的材料特性代入多層沖擊結(jié)構(gòu)的彈道極限方程，可以對(duì)空間碎片防護(hù)層的彈丸抵抗能力進(jìn)行模擬計(jì)算。

通過(guò)高速撞擊試驗(yàn)的檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合，彈道極限方程可以模擬空間碎片防護(hù)層的設(shè)計(jì)參數(shù)預(yù)示。