航天器热控辐射器空间碎片防护设计及评估

韩海鹰 赵亮 郑世贵 曹剑峰 付杨

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

随着近年来在轨航天器数量变多,空间碎片数量急剧增加,并主要分布在轨道高度2000km以下的低地球轨道(LEO)区域,“国际空间站”、航天飞机、和平号空间站、哈勃望远镜、联盟号飞船等航天器均位于该轨道。据报道,亚特兰蒂斯(Atlantis)号航天飞机舱外管路、哈勃望远镜辐射器、和平号空间站隔热层、“国际空间站”太阳翼和联盟号外回路均发生过被撞击或击穿的情况[1-3]。2022年12月15日联盟-22(MS-22)飞船遭受微流星体撞击,辐射器出现不到1mm左右的小孔,导致冷却剂泄漏和外回路失效。对于采用流体管热控辐射器进行热量排散的大型航天器,由于辐射器直接暴露在外太空,面积较大,设计寿命较长,热控辐射器流体管遭受碎片撞击的概率非常高。如果流体管被击穿导致工质泄漏,会造成散热能力损失或回路系统失效,严重影响航天器的正常工作,甚至造成飞行任务的彻底失败。因此必须开展专门的热控辐射器碎片防护设计工作,提高热控辐射器在轨的生存能力,保证航天器的安全。

目前,降低热控辐射器流体管遭受碎片撞击概率的措施有两种:一种是减少流体管路的长度;一种是加强流体管路的防护。

本文基于我国航天器热控辐射器布局,结合轨道碎片环境及撞击评估结果,开展了辐射器流体管路的碎片防护研究,并通过超高速撞击试验获得了改进后辐射器流体管的弹道极限数据,在此基础上完成了热控辐射器的击穿失效风险评估。

1 热控辐射器设计

传统的流体管路热控辐射器均是将流体管焊接到蒙皮上,工质将热量传递给管路,然后传递到辐射器蒙皮散掉,由于肋效率的缘故,流体管间的距离不能太大,一般不超过150mm,这导致暴露在空间的流体管长度较长,图1为传统航天器热控辐射器照片。

图1 传统航天器热控辐射器照片Fig.1 Photo of the thermal control radiator of traditional spacecraft

图2为传统航天器热控辐射器管路截面图,可以看出:航天器1辐射器流体管有一半的区域直接暴露;航天器2热控辐射器流体管是在航天器1管路基础上改造而来,通过Ω型管路设计,减少管路直接暴露在外的面积,同时利用蒙皮缓冲碎片对流体管2区的撞击。

我国大型航天器设计寿命较长,热控辐射器面积较大,因此受到空间碎片及微流星体撞击的威胁也大,需减少热控辐射器流体管路长度。为了减少流体管路长度,热控辐射器形式改用热管辐射器,利用热管的扩热作用减少热控辐射器中流体管的长度。根据热管辐射器蒙皮与热传输液体回路的连接方式,热管辐射器可分为两种基本构型,即直接接触和非直接接触形式,常用的结构见图3[4]。

图3 热管辐射器2种基本结构形式Fig.3 Two configurations of HPR

考虑工艺性,选择非直接接触式热管辐射器,同时考虑辐射器散热面积的综合利用及流体回路并联设计,对图3中非直接接触热管辐射器形式进行了改进,将流体管布置在热管辐射器两侧,流体管与热管焊接,热管再与蒙皮焊接。热量首先通过工质传递给流体管,然后流体管传递给热管,最终利用热管的扩热作用传递给蒙皮。与传统的热控流体管辐射器相比,这样选择的热管辐射器,流体管路长度下降了一半以上。

热管辐射器蒙皮焊接有热管,流体管再与热管进行焊接。流体管路可分为与热管耦合部分及悬空部分,分别称为管路构型I和构型II,如图4所示。

图4 热管辐射器流体管路状态图Fig.4 Fluid pipe status of HPR

(1)与图2中航天2流体管路1区相比,热控辐射器构型I热管耦合部分流体管路距离外侧的距离变大,防护能力进一步提高,通过单墙弹道极限方程评估,热管耦合部分1区的防护能力比图2中航天器2辐射器1区的防护能力提高了4倍。

(2)图2中航天器2辐射器2区由于流体管路与面板存在一定的距离,面板遮挡会提高该位置管路的碎片防护能力,且提高程度随着两者距离增加而变大,管路构型II管路与面板的距离更大,防护效果更强。

（1）在“三控三管一协调”中协调工作是重要的组成部分，协调工作作为一个贯穿于整个建设中的重要工作，是监理工作中的重点任务。加强监理工程师在施工过程中的协调与组织能力，使参与工程的各方能够认真的履行自己的职责，从而保证工程的顺利实施，进而保证施工的工期与质量。因为工程的施工是一个多方参与的过程（建设单位、设计单位、承包单位、监理单位以及政府相关部门），这些参与方相互制约、相互联系，要想使各参与方朝着统一的目标进行施工，就需要监理单位做好组织协调等相关工作。

由于热管成型及焊接的限制,开口较多的辐射器无法采用热管辐射器,只能采用传统的流体管辐射器。为了提高流体管辐射器的防护能力,在传统的辐射器基础上,通过增加流体管路管壁与翼面之间的距离,可以提高流体管路的碎片防护能力,管型见图5,称为管路构型III。综合了管路构型I和II的改进措施,管路构型III的1区增加了加厚部分的保护,2区流体管路远离了辐射面板,比传统的辐射器流体管路的防护能力显著增加。

我国大型航天器热控辐射器布置于舱外,采用热管辐射器和流体管辐射器,类型见表1。

表1 辐射器类型Table 1 Type of radiator

2 轨道碎片环境及评估

大型航天器长期采用三轴稳定对地飞行姿态,运行于近圆低地球轨道。

2.1 轨道碎片环境

按照在轨飞行轨道及飞行姿态,分析寿命期的碎片环境,软件中空间碎片环境采用通用模型描述,其平均密度为2.8g/cm3,微流星体平均密度为1.0g/cm3,平均速度为17km/s[5-6]。分析结果将作为开展撞击风险评估、碎片设计、超高速撞击试验及击穿风险评估的基础。

表2给出设计寿命期碎片通量分布,可看出空间碎片及微流星体通量随着粒子直径的增加而明显降低,其中遭受厘米级空间碎片和微流星体的概率较小,遭受毫米级空间物体的概率较大,因此需要重点防护毫米级的空间碎片及微流星体。

表2 运行轨道的空间碎片通量Table 2 Flux of space debris in orbit

图7给出碎片通量速度分布(0°为飞行方向),空间碎片及微流星体集中的飞行速度在3～10km/s,因此,超高速撞击试验速度范围选择3km/s以上。

2.2 撞击风险评估

由于直径10厘米级以上碎片的撞击概率低、撞击损害大,可以通过观测、编目、预警、规避的方式降低风险;直径微米级碎片撞击概率高、撞击损害小,可以忽略不计;而毫米级和厘米级碎片不可观测和编目,需要通过风险评估和防护设计来降低风险。基于所在轨道碎片环境,结合热控辐射器流体管路分布,开展了热控辐射器流体管路的撞击风险评估[6]。评估中考虑了舱体对辐射器的遮挡,没有考虑来访飞行器的影响。

表3 热控辐射器撞击风险评估结果Table 3 Thermal control radiator impact probability evaluation results

3 超高速撞击试验

要开展热控辐射器的击穿失效评估,需要通过超高速撞击试验获得流体管路的临界直径。超高速撞击试验[7]的试验件包括3种辐射器流体管路构型。实际辐射器流体管路之间相距较远,为减少试验次数提高试验效率,正撞击试验中,把流体管路截成20cm长的10根,形成边长20cm的正方形,并在端部侧向开孔,通过螺杆将10根流体管路串连并紧密并排。在试验件后方放置铝板,捕捉试验件被完全穿透后形成的弹丸和试验件碎片。斜撞击则只保留1根管路。通过工装套筒、螺杆、螺母将其与观测屏组装在一起形成完整试验件。

共开展了25发超高速撞击试验,包含5发管路构型I正撞击,6发管路构型II正撞击,7发管路构型III正撞击,7发管路构型III 30°斜撞击,试验参数见表4。表4显示撞击速度2.75～6.47km/s,弹丸直径1.5～5.75mm,弹丸和靶材的材料密度2.799g/cm3,屈服强度240MPa。流体管路被击穿会导致工质泄漏,因此试验件的失效准则确定为流体管路击穿。临界直径是指在某一撞击速度、撞击角度和撞击体密度的条件下,某防护结构能够防护的临界撞击体直径,如果撞击体直径超过临界直径,则会发生穿透,低于临界直径,则被防护结构挡住。试验中根据透光和透水方式判断流体管路是否击穿,试验结果见表4。

表4 超高速撞击试验参数和结果Table 4 Hypervelocity impact test parameters and results

由表4可知:

(1)管路构型I在3km/s正撞击时的临界试验直径为5.25～5.50mm,在6.3km/s正撞击时的临界试验直径为3.25～3.50mm;

(2)管路构型II在3km/s正撞击时的临界试验直径为3.00～3.25mm,在6.3km/s正撞击时的临界试验直径为2.50～2.75mm;

(3)管路构型III在3km/s正撞击时的临界试验直径为3.50～4.00mm,6.3km/s正撞击时的临界试验直径为1.50～1.75mm,在3km/s斜撞击时的临界试验直径为2.00～2.50mm,在6.3km/s斜撞击时的临界直径为1.50～1.75mm。斜撞击时管路的防护能力低于正撞击。

某一撞击速度下临界直径的计算方法就是取该速度下失效的最小弹丸直径和未失效的最大弹丸直径的平均值。按照失效准则,表5给出3类管路构型的临界直径。按照防护能力排序,构型I>构型II>构型III,正撞击高于斜撞击,3种构型临界直径均满足设计需求。

表5 不同管路构型临界直径值Table 5 Ballistic limit diameters of different pipe configurations

4 击穿失效风险评估

按照热控辐射器流体管路的布局,进行了击穿失效风险评估[7],辐射器非击穿概率均高于设计要求,验证了热控辐射器防护设计的有效性。

5 结束语

本文通过系统开展热控辐射器流体管路的轨道碎片环境分析及撞击风险评估,获得热控辐射器流体管路的薄弱环节,考虑到采用传统的辐射器管路构型无法满足长寿命指标要求,在此需求下,完成了热控辐射器流体管路的防护设计改进,开展了改进后管路的超高速撞击试验和辐射器碎片防护评估。经评估,改进后热控辐射器非击穿概率均高于设计指标要求,保证了热控辐射器的长寿命需求。