空间碎片防护需求与防护材料进展

2014-08-13郑世贵闫军中国空间技术研究院总体部

国际太空 2014年6期

郑世贵闫军（中国空间技术研究院总体部）

1 引言

当前，我国航天事业蓬勃发展，载人航天器、通信卫星、导航卫星、遥感卫星、深空探测器、科学卫星等各种航天器呈现快速发展态势，航天器的寿命越来越长、可靠性越来越高、稳定度越来越高。而随着空间碎片环境的日益恶劣，空间碎片已成为影响航天器长寿命、高可靠性、高稳定度的重要因素之一。2013年1月22日，俄罗斯的小型激光测距卫星 (BLITS)遭到小碎片撞击，并释放出一块碎片；2013年5月24日，发射不足1个月的厄瓜多尔“飞马座”（Pegaso）卫星在印度洋上空与一枚由苏联1985年发射升空的火箭燃料箱残骸发生侧面撞击，导致太阳电池翼受损，天线无法定向，卫星围绕两根轴狂转，失去了联系；“国际空间站”供航天员出舱活动的扶手遭到多次小碎片撞击，撞击形成的锋利唇缘割破了航天员的手套，导致多次舱外活动提前终止；2002年3月16日，美法联合研制的贾森－1（Jason－1）卫星遭到小碎片撞击，导致其轨道高度明显提升和随后几小时的电流波动，并释放出两块碎片；2011年，我国某卫星遭到小碎片撞击，导致姿态瞬时跳变，并永久失去了部分发电能力。

针对大碎片，航天器发射预警和在轨预警已成为常态性工作。针对数量巨大的小碎片，我国载人航天器已成功进行了首次空间碎片防护工程应用，后续载人航天器的空间碎片防护已成为型号工程的重要项目之一；而对于数量众多的非载人航天器，由于其遭受空间碎片撞击的特性复杂、失效模式多样、失效评价难度大，空间碎片防护基本处于起步阶段，非载人航天器多采用防护增强材料达到防护目的。

2 防护需求

以低轨大平台为例进行空间碎片风险评估，平台轨道为太阳同步轨道，运行参数为：轨道高度630km、倾角97°，发射时间2010年，在轨5年。采用了轨道碎片工程模型（ORDEM2000）和微流星体模型 (SSP 30425)。低轨大平台遭受0.1mm级粒子和毫米级粒子的撞击概率都为100%，即这两个量级粒子的撞击无法避免，而且ORDEM2000低估了2010年以后的碎片环境。因此低轨卫星将要面对微小碎片的巨大撞击威胁，采取防护措施提高卫星在空间碎片环境中的安全性和可靠性已成为必然选择。

试验表明直径3.6mm的铝弹丸在6.22km/s左右的速度下就能击穿50mm厚的铝蜂窝板。我国卫星的铝蜂窝板厚度一般不超过30mm，而且空间碎片撞击卫星的平均速度可达10km/s，最高撞击速度可达15km/s，因此，毫米级碎片不但对星外设备构成重大威胁，还对星内设备造成威胁，特别是一些对撞击敏感的电子设备、储能设备等。毫米级以下的粒子一般不会对星内设备造成威胁，但对星外设备（数据总线、电源总线、多层隔热材料、管路、太阳翼等）能造成不同程度损伤，进而造成分系统、甚至整星功能的散失。

低轨大平台空间碎片风险评估

卫星遭受碎片撞击的影响

卫星的空间碎片防护与载人航天器的防护有很大不同，具体体现：①空间碎片撞击导致的失效模式不同，载人航天器结构板为铝板，结构板穿透就可以认为航天器失效，而卫星的结构板一般为铝蜂窝板或碳纤维蜂窝板，其超高速撞击特性比铝板要复杂的多，更重要的是蜂窝板的穿透并不意味着卫星或设备的失效；②空间碎片超高速撞击特性不同，载人航天器结构板为连续介质，其超高速撞击特性较简单，而卫星结构板为复合材料，其超高速撞击特性要复杂的多；③空间碎片防护手段不同，载人航天器的防护措施一般是在结构板外一定距离安装一个或几个防护屏来提高航天器抗撞击能力，而卫星的防护措施一般不采取增加防护屏的做法，而是采用调整卫星飞行姿态、调整设备布局、采用防护性能强的材料等方法提高卫星抗撞击能力；④卫星的质量约束相比载人航天器要苛刻的多，这决定了在卫星上要采取更加经济更有效率的防护手段。

卫星的飞行姿态、总体构型布局由卫星任务、设备功能等约束条件确定，一般不考虑空间碎片的影响，根据国际经验，卫星的防护设计一般采用防护增强材料或包覆复合材料以达到防护目的。

3 防护材料

国际上，在航天器的空间碎片防护中采用的防护材料有铝板、Nextel纤维布、凯夫拉（Kevlar）纤维布、Beta布，如“国际空间站”大量采用了Nextel纤维布/凯夫拉纤维布为填充物的填充式防护结构，在1553数据线和不锈钢管路上包覆了Beta布，使1553数据线的临界弹丸直径从0.35mm提高到2.0mm、不锈钢管路的临界弹丸直径从0.35mm提高到1.0mm。除了这些已应用的材料外，还在研发各种高性能的防护材料。

聚亚安酯泡沫

聚亚安酯是由异氰酸酯与多元醇反应制成的一种具有氨基甲酸酯链段重复结构单元的聚合物。聚亚安酯泡沫密度低、比强度高、吸能性能优异、阻燃性高、绝热性能优越。

聚亚安酯泡沫作为新型结构填充材料得到广泛应用。美国把聚亚安酯泡沫作为可展开式防护结构的填充材料开展超高速撞击特性研究，并将在“国际空间站”的“毕格罗”可膨胀式运输居住舱上得到应用。运输居住舱在轨展开后长为10m、直径约8m，提供大容积的空间操作环境，其在轨10年的空间碎片非穿透概率为0.985。运输居住舱采用多冲击防护结构抵御空间碎片的撞击，防护结构由Nextel缓冲屏、凯夫拉后墙和聚亚安酯泡沫填充层组成，聚亚安酯泡沫起到支撑缓冲屏和在轨膨胀展开作用。防护结构对其后的一层约束隔离层和多层球胆（三冗余系统）起到很好的保护作用。缩比实验和全尺寸试验表明运输居住舱的防护结构能够抵御直径为1.8cm的铝弹丸以5.8 km/s、45°角的撞击。

未来对接在“国际空间站”上的“毕格罗”可膨胀式运输居住舱

“毕格罗”防护结构的性能，1.8cm铝弹丸、5.8 km/s、45°

试验表明（速度6.3～6.4km/s，弹丸直径6.9～7.0mm）：Nextel和多层聚亚安酯泡沫复合填充层构成的防护结构防护能力远远优于单缓冲屏防护结构，甚至略优于Nextel/凯夫拉填充式防护结构，可见聚亚安酯泡沫提供了很好的弹道阻抗。

Nextel312填充式防护结构

可膨胀多缓冲屏防护结构最外边的缓冲屏为铝薄板，其后的多个缓冲屏为多层高强度纤维材料Vectran（Vectran产于日本，其防护能力与凯夫拉相当）制成的薄板，板间填充可膨胀的聚亚安酯泡沫。对该防护结构进行的实验结果显示：结构的防护能力并不正比于聚亚安酯泡沫的面密度；聚亚安酯泡沫有效地捕获了二次碎片云；具有较大动能的质量超过100mg的大碎片会穿透缓冲屏；防护能力和Vectran板间距离成正比，各Vectran板间二次碎片云在第二层Vectran板上扩散最大。

可膨胀多缓冲屏防护结构（面密度2.1g/cm2）

泡沫铝

泡沫铝是一种铝或铝合金基体中含有大量结构及分布可控的孔洞，以孔洞作为复合相的新型复合材料。泡沫铝的低密度、高刚度、冲击吸能性、低导热率、低磁导率和良好阻尼等特性使得泡沫铝在近10年来受到广泛关注。目前许多航天国家已将泡沫铝作为潜在的重要的结构材料和防护材料，开展了多项科学和工程应用研究。

蜂窝夹层板（上）和泡沫铝夹层板（下）撞击特性（3.6mm铝球，上6.22km/s，下6.76km/s）

蜂窝夹层板（上）和泡沫铝夹层板（下）撞击特性（0.833mm铝球，6.9km/s）

泡沫铝可以作为航天器主结构夹层的填充材料，泡沫铝夹层结构的物理性能、机械性能、热性能、电性能、声学性能等能都优于传统的蜂窝夹层板，更重要的是在超高速撞击下其没有传统蜂窝夹层板的通道效应。

泡沫铝作为航天器空间碎片的防护结构和材料，相比传统的防护结构，在同等防护性能下，可以节省大约30%的防护质量。

在以铝、镁等作为泡沫铝基材料设计的泡沫铝缓冲屏防护结构进行的实验证明，该防护结构有良好的弹道特性，在实验的速度范围内泡沫铝能显著引起对弹丸的多次冲击，使速度约为6km/s、4km/s的弹丸完全熔化（所有的实验都说明此结果），并使碎片云完全消散；甚至使速度约2.6km/s的弹丸完全熔化。泡沫铝缓冲屏具有良好的机械性能，因此可以减小附加在后墙上的质量（支撑缓冲屏的结构，用于增加刚度、降低弯曲、提供连接面、局部加强等）。如果泡沫铝前面的防护屏尺寸设计合理，材料选择恰当，防护效果会很好，能破碎速度为6.3km/s、直径为13mm的弹丸；但是泡沫铝后面的铝板并不能增加防护效果。

泡沫铝缓冲屏防护结构

美国兰利研究中心提出的新型防护结构

目前，哈尔滨工业大学、太原理工大学等多个高校开展了泡沫铝超高速撞击特性研究，并提出了一些防护构型，但国内泡沫铝制备工艺相比国际水平还不成熟不稳定，制备的泡沫铝性能相差较大。

聚烯烃类化合物

有机聚合物，如聚乙烯、聚丙烯等，作为新一代的空间碎片防护结构材料正受到国际重视，该防护材料不但能满足航天器的空间碎片防护要求，还能满足航天器的结构要求和抗空间辐射要求。目前“国际空间站”采用聚乙烯作为附加防护材料以减少航天员的空间辐射，而聚乙烯的其他应用正在进行空间验证。

美国兰利研究中心提出的新型防护结构由高强度纤维织物、蜂窝聚乙烯或聚丙烯填充层和内胆组成，填充层的厚度根据力学性能要求、需防护的粒子直径和热控要求确定。最外层的薄板粉碎粒子、缓冲碎片云和抵御空间辐照，最里层的薄板拦截残余碎片。除了空间碎片防护功能以外，填充层还能增强金属性材料的绝缘性能、降低结构温度梯度；从而减轻航天器内部湿气在结构上的附着聚集及其腐蚀以及航天器内部微生物的生长；进而降低空气过滤系统的要求，降低航天器内部的噪声强度，最终改善航天器内部的生活舒适度。