多功能结构微流星体防护性能仿真研究

宫伟伟，郑世贵，闫军

（北京空间飞行器总体设计部，北京100094）

1 引言

载人火星探测任务中，航天器面临微流星撞击的潜在威胁，航天器结构需进行微流星撞击防护设计。微流星体是指起源于彗星和小行星并在行星际空间中运动的固态粒子[1，2]，主要由彗星起源的颗粒、小行星起源的颗粒和行星的溅射物组成[3-5]。微流星体相比于空间碎片，其化学成分更加复杂，密度在0.16～4g/cm3范围波动，平均密度为1.0g/cm3，且具有脆性特性[6-9]；速度在0～72km/s之间波动，平均速度在17km/s左右，因此微流星体的危害不亚于空间碎片。

相对于地球的运行速度远高于空间碎片的平均速度，高速撞击可能导致航天器舱壁被击穿，对航天器内部的控制系统或有效载荷以及宇航员造成重大威胁[10]；高速撞击产生的冲击波会造成航天器表面防护涂层脱落，对航天器表面敏感探测器造成永久性损伤；微流星体的高速撞击可能导致高压容器泄漏甚至发生爆炸，严重威胁载人密封舱的安全；此外，微流星体撞击还会降低航天器结构强度等[3，6，11，12]。 但由于微流星体具有尺寸小、随机性等特点，无法预测其运动轨迹，目前只能采取被动防护的方法。

本文根据多功能点阵结构特点，评估其抗微流星体的撞击性能，并给出防护优化建议。

2 多功能结构构型

多功能点阵结构具有比刚度高的特点，通过多层复合，实现结构承载、空间碎片防护、有效载荷支撑，以及液体存储与防辐照等多功能一体化。该结构设计参数见表1，其中点阵结构类型为体心立方胞元，见图1所示。该结构预应用于载人密封舱的圆柱段结构，如图2所示。

多功能结构设计成三层防护板，外层板和中层板均为1mm厚，间隔20mm，内层板厚度2mm，与中层板间隔30mm，三层防护板中间填充点阵结构。由于点阵结构胞元尺寸为10mm×10mm和15mm×15mm，相比于毫米级弹丸，

表1 多功能点阵结构设计参数Tab.1 Design parameters of multifunctional lattice structures

图1 多功能点阵结构示意图Fig.1 Multifunctional lattice structure diagram

图2 多功能结构样件在舱体位置示意图Fig.2 Location sketch of amultifunctional structure sample in cabin

胞元空间尺寸较大，毫米级弹丸可以在不接触点阵结构的情况下穿透外层板与中层板到达内层板，同时微流星体具有尺寸小、随机性等特点，因此在研究多功能结构防护性能时，忽略点阵结构的影响，把多功能结构简化为三层板结构，此简化是偏保守的。多功能结构等效防护构型见图3，其中内层板、中层板、外层板材料均为AlSi10Mg。

图3 多功能结构等效防护构型示意图Fig.3 Schematic diagram of equivalent protective configuration of a multifunctional structure

3 仿真结果

超高速撞击问题的数值仿真中材料模型选用的合适与否对数值仿真结果产生重要影响。由于超高速撞击产生的撞击压力极大，材料通常伴随着破碎、熔化和气化，所以超高速撞击问题中材料模型的确定需要同时考虑强度模型和状态方程。

迄今为止人们建立了各种各样的本构模型以描述不同材料在不同加载条件下的弹性、弹塑性或者粘弹塑性力学行为。对于强动载下金属材料的本构模型而言，Steinberg-Guinan模型是最常用的模型之一，该模型忽略冲击波高压下的应变率效应，着重于压力和温度对剪切模量和屈服强度的影响。多功能结构外层板材料为AlSi10Mg，采用Steinberg-Guinan本构模型，密度可近似取2700kg/m3，剪切模量28.6GPa。外层板状态方程采用双线性Shock状态方程，双线性Shock状态方程是线性Shock状态方程的衍生，采用双线性拟合声速和粒子速度之间的关系。失效模型取最大拉应力准则，最大拉应力为2.5GPa。

本文采取聚丙烯材料作为微流星体的模拟材料[13，14]，聚丙烯是由丙烯聚合而制得的一种半结晶热塑性树脂，密度在0.851～0.935g/cm3之间。聚丙烯强度模型采用Von-Mises模型，剪切模量3.68GPa，失效模型采用静水压力模型，拉伸极限取-1GPa。

超高速撞击是高度非线性问题，其仿真本质上属于高度非线性有限元问题。本文采用超高速撞击仿真软件Autodyn的光滑粒子流体动力学算法，该算法具有简洁、强壮、高效的特点，近些年来在超高速撞击领域中日渐工程化、实用化。

为提高计算效率，利用结构的对称性，建立平面轴对称模型。

多功能结构板粒子数20000个，弹丸粒子数2200个。一个工况计算时间约28h。

3.1 多功能结构撞击仿真结果

针对设计的多功能点阵结构开展微流星体超高速撞击仿真分析，对多功能结构防护能力进行初步评估。

以弹丸速度10km/s时的撞击极限为例，给出超高速撞击多功能结构的数值仿真过程，如图4和图5。

从图4和图5可以看出，外层板在弹丸的撞击下形成规则的圆形穿孔，穿孔边缘整齐；弹丸撞击外层板后形成二次碎片，包含弹丸和外层板碎片的碎片云此时仍具有较高的速度，因此破坏力较强，中间板形成较大的圆形穿孔，圆孔周边出现鼓包；随后包含弹丸、外层板、中间板的二次碎片作用在内层板上，但此时由于中间板的拦截，二次碎片速度已大幅下降，此外有大量碎片飞溅出去，减弱了破坏力。其中图4中直径5mm聚丙烯弹丸作用时，前板和中间板穿孔直径较直径4.75mm聚丙烯弹丸作用时均略大，且中间板产生的二次碎片的尺寸也较之4.75mm聚丙烯弹丸大，破坏力强，此时内层板出现裂纹，中心区域发生穿孔。从图5中可以看出，直径4.75mm聚丙烯弹丸作用时内层板中心区域出现较大弹坑，但并未穿透，背面相应位置出现鼓包。由此得出弹丸以10km/s速度撞击多功能结构的极限半径出现在5mm和4.75mm之间，取平均值为4.875mm。

图4 5.0mm直径聚丙烯以10km/s速度撞击多功能结构Fig.4 Multifunctional structures impacted by 5.0-mm-diameter polypropylene at 10 km/s velocity

图5 4.75mm直径聚丙烯以10km/s速度撞击多功能结构Fig.5 Multifunctional Structures Impacted by 4.75-mm-diameter polypropylene at 10 km/s velocity

本文选取三种典型撞击速度即3km/s、7km/s、10km/s对撞击多功能结构过程进行了数值仿真，获取相应速度下的撞击极限，归纳微流星体撞击多功能结构的极限规律如下。

（1）随着入射速度的减少，弹丸在击穿中间板后产生的二次碎片尺寸增大，数量少，但由于此时二次碎片速度低，因此破坏力并不强。

（2）外层板穿孔直径随着入射速度的增加而增大，随着弹丸直径的增大而增大。

（3）中间板穿孔直径随着入射速度的增加而增大，随着弹丸直径的增大而增大。

数值仿真中不可避免存在数值误差，因此将同一撞击速度下相邻的击穿和未击穿直径的平均值作为临界直径，表2给出了3km/s、7km/s、10km/s速度下的撞击极限直径。

表2 撞击极限直径Tab.2 Impact limit diameters

3.2 等面密度双层Whipple结构防护性能仿真结果

为量化多功能结构防护性能指标，将多功能结构中三层板等效成等面密度的双层Whipple防护结构，构型见图6，内层板和外层板厚度均为2mm，材料为AlSi10Mg，两层板间距50mm。

图6 等面密度双层Whipple防护结构示意图Fig.6 Protective structure sketch of equivalent areal density double-layer Whipple

将同一撞击速度下相邻的击穿和未击穿直径的平均值作为临界直径，表3给出了3km/s、7km/s、10km/s速度下的撞击极限直径。

表4给出了3km/s、7km/s、10km/s速度下多功能结构、等面密度的双层Whipple结构的撞击极限直径。从表中可以看出，多功能结构相比于等面密度的双层Whipple结构防护性能提高38%以上。

表4 撞击极限直径对比Tab.4 Impact limit diameters

3.3 优化后多功能结构撞击仿真结果

多功能防护结构示意图见图3，外层板与中间板，中间板与内层板间距依次为20mm和30mm，一般来说，增大外层板与中间板的距离，使得弹丸撞击外层板后形成的二次碎片能量充分扩散，以降低破坏力，通过仿真预估外层板与中间板，中间板与内层板间距分别是30mm和20mm时，防护效果更佳。

临界直径取同一撞击速度下相邻的击穿和未击穿直径的平均值，表5给出了3km/s、7km/s、10km/s速度下的撞击极限直径。

优化后的多功能结构其撞击极限直径大于原设计的多功能结构，表明优化后的多功能结构在超高速撞击下，防护效果也更好。

表5 撞击极限直径Tab.5 Impact limit diameters

表6给出了3km/s、7km/s、10km/s速度下多功能结构、优化后的多功能结构的撞击极限直径。从表中可以看出，优化后多功能结构在高速段防护性能略优于原设计的多功能结构，但提高不多，分析原因是多功能结构中三层板总间距略小，优势不明显。

表6 撞击极限直径对比Tab.6 Comparisons of impact limit diameters

针对优化后的多功能结构，补充计算工况，获取优化后的多功能结构撞击极限曲线，如图7。

图7 聚丙烯弹丸撞击极限曲线 （优化后的多功能结构）Fig.7 Impact limit curve of polypropylene projectile（optimized multi-functional structure）

4 结束语

本文根据多功能结构设计特点、微流星体尺度和一般撞击特性对多功能结构进行了合理简化，以快速获得多功能结构的防护性能。

选取微流星体三个典型速度3km/s、7km/s、10km/s对撞击多功能结构的过程进行了数值仿真，获取三个速度下的撞击极限直径分别是7.25mm、5.625mm、4.875mm，微流星体撞击多功能结构的撞击极限曲线不同于铝弹丸，随速度的增加呈单调下降趋势。

针对等面密度双层Whipple结构完成了3km/s、7km/s、10km/s速度下的撞击仿真，获取三个速度下的撞击极限直径分别是5.25mm、2.75mm、2.75mm，撞击极限曲线亦随速度的增加呈下降趋势。

针对优化后的多功能结构完成了2km/s、3km/s、 4km/s、 5km/s、 6km/s、 7km/s、 8km/s、9km/s、10km/s、12km/s速度下的撞击仿真，获取三个速度下的撞击极限直径分别是7.25mm、7.25mm、7.25mm、6.75mm、6.75mm、6.25mm、6.25mm、6.25mm、6.25mm、6.75mm，撞击极限曲线随速度的增加总体呈下降趋势。

通过三个典型速度下的多功能结构的撞击极限比等面密度双层板撞击极限至少提高了38%。此外，优化后多功能结构在高速段防护性能也略优于原设计的多功能结构，但提高不多，分析原因是多功能结构中三层板总间距略小，优势不明显。

后续还需进一步对多功能结构进行优化，针对改进后的构型开展防护性能评估工作。