充气展开式空间危险碎片防护结构设计

2019-08-13李海岩王玉林高著秀李成祥

兵器装备工程学报 2019年7期

李海岩,徐洋,王玉林,高著秀,李成祥

(1.中国运载火箭技术研究院，北京 100076； 2.宇航系统工程研究所，北京 100076)

建设大型空间站是我国载人航天三步走战略的第三步。我国计划于2022年前后建成空间站，成为我国空间科学和新技术研究实验的重要基地。而空间碎片的显著增加是人类近地空间活动中面临的最大危险，如何应对空间碎片对空间站的威胁已经成为无法回避的现实问题。

不同尺寸空间碎片对航天器有不同程度的威胁。小于1 cm量级的空间碎片(被称为小碎片)，探测困难，数量巨大，但由于撞击动能小，航天器一般采取被动防护措施[1-3]；大于10 cm量级空间碎片(被称为大碎片)，数目较少，并且能够编目，可采用机动规避措施[4]。尺寸为1～10 cm量级空间碎片，尺寸相对较大、撞击动能较大，被公认为是对在轨航天器威胁最大的空间碎片，也被称为危险碎片。

针对空间危险碎片，目前尚无有效的防护手段。如果采用轨道规避，会额外增加空间站的燃料消耗，干扰正常的在轨任务；空间站目前主要采用的被动防护结构也无法抵抗危险碎片。本文设计一种充气展开防护结构，并探索其应用于空间站自主防护危险碎片的工程可行性。一方面，可降低对发射重量、发射空间的资源浪费；当遇到空间碎片攻击时，可控展开实现拦截且通过自主调节方向提高拦截效率。另一方面，防护任务完成后，防护结构可回收、可重复使用，不影响空间站执行在轨主任务。综上，通过本项目开展空间站自主防护盾技术研究，对提升我国在轨航天器的可靠运行水平、确保我国空间资产安全具有重要意义。

1 充气展开防护结构设计

传统的Whipple防护屏能够防护毫米级的空间碎片。空间碎片尺寸增大，其动能随之增大，空间碎片对空间舱壁撞击的破坏力也显著增强。单屏结构的Whipple防护屏难以满足空间站对大直径空间碎片的防护要求。根据空间碎片防护功能要求，充气展开防护结构采用多屏结构设计，一方面，尺寸较大的空间碎片能与防护屏进行多次超高速碰撞，空间碎片可破碎为较小的碎片，甚至液化、气化，有效降低单个碎片的动能，减小其对后屏的破坏；另一方面，充气展开防护结构采用大屏间距设计，能够让防护屏与空间碎片碰撞产生的碎片云在屏间获得足够的膨胀扩散空间，从而减小单位面积内撞击碎片数量，降低单位面积内碎片云与后屏或舱壁的撞击能量，提高防护结构防护能力[5]。

1) 多层防护屏。防护屏材料——国内外常用的航天器防护柔性材料主要有Kevlar纤维复合材料、Nextel纤维复合材料、Beta纤维复合材料等[6]。本文采用Kevlar纤维复合材料，可以有效减弱入射碎片碰撞产生的破坏效应。防护屏面积——空间站核心舱最大直径为4.2 m，根据空间站防护部位需求，设计充气展开防护结构展开后防护屏直径为4 m。

防护屏屏间距——通过对不同屏间距的防护结构进行仿真分析，研究间距对防护性能的影响；同时参考国内外相关防护结构的设计，选择10 cm作为防护结构的屏间距。

2) 充气支撑框架。充气支撑框架是防护屏的支撑部件。防护屏在空间展开，需要对充气支撑框架进行充气。充气管需承受内部的充气压力，以保持较高的结构刚度，其变形以及应力分布对影响整个防护屏的结构稳定性(图1)。

依据仿真分析结果，充气过程在管径10～20 cm范围较为稳定，综合考虑充气管重量、刚度、支撑、展开等因素，设计充气管的管径为10 cm。10 cm管径充气管质量较轻，充气过程较为平稳，且振动基频大、刚度高，符合充气管功能及性能要求。

另外，综合考虑充气管重量、展开、支撑、刚度等因素，结合已有研究基础，充气管壁厚选择为0.3 mm[7]。

2 空间站应用

2.1 功能设计

1) 空间碎片防护功能设计。为有效降低空间危险碎片对空间站的危害，防护结构应具备将入射空间碎片破碎为细小碎粒的能力，并能够让碰撞产生的碎片云充分扩散；当碎片云与舱壁发生撞击时，降低碎片云单位面积内的撞击能量，进而补充空间站被动防护结构的防护能力，防护空间碎片对空间站高风险部位的危害。

2) 折叠展开功能设计。为满足空间站大面积防护需求，并控制发射包络尺寸合理可行，防护结构应满足折叠发射、在轨展开功能。为提高防护结构折叠率，同时减小展开机构的复杂程度，防护结构选用柔性复合材料，能够多次柔性折叠，并可在轨充气展开成型。

3) 回收和再展开功能。防护结构展开状态下，面积较大，为降低空间站飞行阻力，减少轨道维持能量消耗，以及避免对空间站其他设备的遮挡，防护结构应具有回收和再展开功能。保证防护结构长期回收待命，接到空间碎片碰撞预警时再次展开成型，抵御空间碎片。

2.2 空间碎片防护模式

空间站核心舱总重约20 t，轴向长度18.1 m，最大直径为4.2 m。核心舱模块分为节点舱、生活控制舱和资源舱，有3个对接口和两个停泊口，配置空间机械臂。其中，生活控制舱又分为大柱段和小柱段，大柱段直径4.2 m，小柱段直径2.8 m。在空间碎片防护方面，空间站核心舱采用被动防护结构，对生活控制舱大柱段、小柱段的柱段高风险区及撞击风险较大的大柱段前锥段均采用Whipple防结构和热控辐射器共同进行防护，局部结构如图2所示。

图2 空间站核心舱被动防护结构(局部)

初始飞行时，充气展开防护结构折叠收拢，固定安装于空间站核心舱内；在轨飞行后，采用转位机构和机械臂结合的方式，进行防护结构转移、对接，可以完成折叠状态下的防护结构安装。同样，在航天员和机械臂协同下，可实现防护结构的更换。

空间站核心舱(如图3)共安装两个充气展开防护结构，分别安装于生活控制舱大柱段、小柱段被动防护结构外，根据空间站碎片环境分析[8]，在空间站核心舱的高度角-20°～+20°、方位角-60°～+60°范围内，空间碎片的撞击通量比较大。因此，为了有效保护空间站核心舱两侧和天顶面高风险区域，及迎风面方向次高风险区域，充气展开防护结构可通过转向机构分别沿柱段中心坐标系的X轴向-80°～+80°方向，局部坐标系的Y轴向(Ya向、Yb向)-30°～+30°方向旋转(图4)，进而可覆盖风险区域，使防护结构可配合被动防护结构有效减弱碎片碰撞。

图3 充气展开防护结构安装在空间站核心舱

图4 充气展开防护结构转向坐标系

3 防护效能仿真分析

3.1 超高速碰撞典型工况仿真

为评估充气展开结构的防护效果，采用AUTODYN-2D的SPH法进行超高速碰撞仿真分析[9]。为提高计算效率，使用轴对称建模方法，建立1/2平面计算模型，如图5。铝合金材料使用AL2024T351模型，采用Shock状态方程，Johnson Cook强度模型；纤维材料使用KFRP模型，采用Ortho状态方程，Orthotropic Yield强度模型，Orthotropic Softening失效模型。

建立直径1 cm弹丸、10 km/s碰撞速度的典型工况，进行超高速碰撞仿真分析。仿真模型采用四屏等厚的防护结构，如图6，屏间距为10 cm，分别设置单屏厚度分别为5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm、10 mm。