屏间充气展开式多屏防护结构及其防护性能分析

徐铧东， 于 东， 刘文翔， 石景富， 苗常青*

(1.哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室， 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工业大学机电学院机械设计系， 哈尔滨 150001)

1 引言

在卫星、空间站等航天器运行轨道上存在着大量的微流星体和空间碎片(Micrometeoroids and Orbital Debris ， MMOD)，其与航天器发生碰撞时的平均速度高达10 km/s，对航天器的安全在轨运行及航天员的生命安全造成严重威胁。 对于厘米级及以上的空间碎片，可通过在轨检测、预警及航天器在轨调姿等方式进行规避，然而对于毫米以及微米级的空间碎片，目前无法进行有效的主动规避，主要通过航天器防护结构进行空间碎片撞击防护。

目前已出现多种航天器空间碎片防护结构，并逐渐由单屏结构向多屏大间距结构发展。Whipple于1947 年提出了Whipple 单层板防护结构，该结构在与航天器舱壁间隔一定距离处安装一个缓冲屏，能够将超高速弹丸破碎，形成碎片云团，从而减少对航天器舱壁的损伤。 经过对Whipple 防护结构的不断改进与优化，逐渐出现了填充式Whipple 结构、多层冲击结构、夹芯板结构、波纹板缓冲结构、柔性防护结构等，其主要原理为在保持防护结构质量一定时，增加防护屏数量以及增大屏间距，使弹丸与靶板进行多次碰撞，并增大碎片云的扩散角度，使碎片云的冲击载荷更为分散，从而有效破碎并拦截弹丸，提高结构的防护性能。

上述结构均属于固定外挂式被动防护结构，需在航天器发射前将其安装在舱壁外部，并随航天器一起入轨，发射成本高、发射体积大，难以形成多屏大间距的防护结构。

充气可展开结构具有可柔性折叠、发射体积小、质量轻、易于发射、发射成本低、可在轨充气展开成型、展开体积大等特点，易于在轨构建大尺寸结构，在航天器结构中的应用越来越广泛。本文设计一种屏间充气展开式多屏防护结构，可在入轨前折叠包装，入轨后通过充气展开支撑管充气展开，成型为多屏大间距的防护结构。

2 屏间充气展开式多屏防护结构设计

2.1 整体结构方案

本文设计的屏间充气展开式多屏防护结构由多层刚性防护屏及屏间的多个可刚化充气展开支撑管构成，其展开前后的情况如图1 所示。

图1 屏间充气展开式多屏防护结构展开前后状态Fig.1 Inflatable deployment multi-shield protective structure before and after deployment

防护屏为曲面结构，相邻两屏间的间距相同，以方便安装并与舱壁贴合；相邻两屏的4 个角端之间分别通过可刚化充气展开支撑管连接，以使防护结构充气后展开；上下相邻的充气展开支撑管之间互不连通，分别由不同的充气管路进行连接并充气，以对充气过程进行控制，使展开过程平稳可控。 屏间充气展开式多屏防护结构在航天器上的安装示意图如图2 所示。 结构方便拆卸、安装灵活，可安装在航天器舱壁外部，也可安装在易受空间碎片撞击的舱外设备外部。

图2 屏间充气展开式多屏防护结构安装示意图Fig.2 Installation schematic diagram of inflatable deployment multi-shield protective structure

2.2 充气展开支撑管

充气展开支撑管使用可刚化材料制造，其管壁结构与材料如图3 所示。 充气展开支撑管管壁由内至外依次为气体阻隔层、热固化层、隔热层和空间环境防护层。 以充气压力作为驱动力，可使支撑管沿轴线方向展开，展开后可通过电固化、空间热辐射加热固化或紫外线辐射固化，从而形成稳定的、满足结构刚度要求的支撑结构。 由于管壁是多层复合材料构成，其抗弯刚度、强度等性能指标可通过改变管的直径、长度、厚度及材料性能等进行调整。

图3 可刚化充气展开支撑管Fig.3 Rigidizable inflatable deployment supporting tube

3 空间碎片防护性能分析

3.1 超高速碰撞模型建立

防护屏在与空间碎片的超高速碰撞过程中，会产生大变形、断裂、破碎以及相变等特性，采用Johnson-Cook 模型和Mie-Gruneisen 状态方程模拟铝弹丸和靶板的动力学行为，并通过光滑粒子流体动力学方法对弹丸和靶板进行建模。 建立的多屏防护结构超高速碰撞数值模型如图4 所示。

图4 多屏防护结构超高速碰撞数值模型Fig.4 Numerical model of hypervelocity impact on multi-shield protective structure

在上述模型中，防护屏为40 mm×40 mm×1.0 mm，屏间距均为16.7 mm，防护结构总体厚度为50 mm，整体面密度为11.12 kg/m。 弹丸直径4.0 mm，初始速度为4 km/s。 模型中的SPH粒子间距为0.2 mm。 铝弹丸与靶板材料为2024 Al，模型中所使用的材料参数如表1、表2所示。

表1 Johnson Cook 材料模型参数Table 1 Parameters of Johnson Cook model

表2 Mie-Gruneisen 状态方程参数Table 2 Parameters of Mie-Gruneisen model

为控制计算时间，当靶板前无明显运动状态的大碎片，且碎片粒子速度小于100 m/s 时，碎片粒子不足以侵彻或穿透防护屏，对整体防护结构的防护性能影响非常小，可将计算过程终止。

3.2 超高速碰撞特性分析

3.2.1 碎片云特性

以屏间距＝16.7 mm 防护结构为例，分析了弹丸与多屏结构的碰撞过程，图5 为弹丸与第一屏的碰撞过程。

图5 弹丸与第一屏的碰撞过程Fig.5 Impact process of projectile with the first shield

由于弹丸初始速度较高，在与靶板碰撞时会产生极高的冲击压力，使弹丸和靶板材料发生破碎，产生碎片云团，并逐渐扩散。 碎片云主体部分向前运动，并产生轴向和径向的膨胀，其扩散角为96°，另一部分向后方运动，产生返溅碎片云。

弹丸的碎片存在于碎片云的内部，成为碎片云的主体部分，其形状呈现偏平状，其轴向长度为5.19 mm，径向长度为12.2 mm，弹丸碎片云前锋速度为3.475 km/s；靶板碎片分布在外部，其径向长度为15.2 mm。

碎片云团与第二屏的碰撞过程如图6 所示。弹丸与第一屏碰撞后产生的碎片云团速度较大，动能较高，具有较强的破坏能力；碎片云团与第二屏发生碰撞后，使第二屏发生穿透，并在靶板中心形成一个大的穿孔。 产生的碎片云团发生径向膨胀，膨胀角为102.68°，碎片径向直径为16.2 mm。

图6 碎片云团与第二屏的碰撞过程Fig.6 Impact process of fragment clouds with the second shield

碎片云团与第三屏的碰撞过程如图7 所示。由于第二屏后的碎片云径向直径约为弹丸初始直径的4 倍，将弹丸初始的集中冲击载荷分散为面载荷。 此时的碎片速度较低，破坏性较小。 第三屏靶板产生冲塞破坏，其产生的碎片云团由一个直径9.8 mm、厚度1 mm 的中心大块碎片及其周围一些碎片粒子组成。 该碎片主要由第三屏靶板材料组成，其中，中心大块碎片沿着方向向后运动，并未在和方向发生膨胀运动，其速度约为300 m/s。

图7 碎片云团与第三屏的碰撞过程Fig.7 Impact process of fragment clouds with the third shield

第四屏的向位移和等效应变云图如图8 ～9所示。 第四屏靶板中心部位产生较大的向位移和应变，而并未发生穿透，这主要是因为第三屏后方的碎片云速度较低，破坏力较小，无法穿透靶板，而仅能够使第四屏发生塑性变形。向位移尺寸为1.1 mm，撞击发展到90 μs 后，各屏靶板的损伤形态和特征不再发生大的改变。

图8 位移云图Fig.8 Displacement contour

图9 应变云图Fig.9 Effective strain contour

弹丸在与第一屏、第二屏的碰撞过程中发生破碎，并产生碎片云团的扩散，增大其屏间距有利于碎片的扩散，分散碎片撞击产生的集中载荷。第三屏后的碎片云主要由靶板碎片组成，其运动轨迹近乎直线，主体碎片扩散运动程度较小，且速度较低，破坏性较小，使第四屏发生塑性变形。

3.2.2 防护性能

进行了不同屏间距的多屏防护结构超高速碰撞数值模拟，其中屏间距分别为0，2.5，5.0，10.0，16.7，20.0 mm，计算结果如图10 所示。 当屏间距为0，2.5，5.0，10.0 mm 时，整体防护结构均被穿透；而当屏间距为16.67 mm 和20.0 mm时，最后一屏均未被穿透，仅发生了塑性变形。 屏间距为16.67 mm 时，最后一屏的最大横向位移为1.1 mm，而屏间距为20.0 mm 时，最后一屏的最大横向位移为0.28 mm。 屏间距的增大，减小了最后一屏的损伤。

图10 不同屏间距防护结构超高速碰撞特性Fig.10 Hypervelocity impact characteristics of different shield spacing protective structures

图11 为多屏防护结构的弹丸动能吸收率随屏间距的变化曲线。 随着屏间距的增大，多屏防护结构的弹丸动能吸收率逐渐增加。 其中，当屏间距在0～5 mm 之间时，多屏结构的弹丸动能吸收率上升速率较快，当屏间距大于5 mm 时，弹丸动能吸收率缓慢上升，这主要是由于随着屏间距的增大，碎片云径向膨胀空间随之增大，与后板的相互作用面积增加，将碎片云的集中冲击载荷更加分散，降低了碎片云的侵彻能力。 因此，随着屏间距的逐渐增大，多屏防护结构的防护性能逐渐提高。

图11 多屏结构的弹丸动能吸收率随屏间距变化曲线Fig.11 Variation of projectile kinetic energy absorption rate of multi-shield with shield spacing

4 结论

本文提出并设计了一种屏间充气展开式多屏防护结构，可在入轨前折叠包装，入轨后通过充气展开支撑管成型，与传统防护结构相比，具有可柔性折叠、发射体积小、易于发射、成本低等优点。

在屏间充气展开式多屏防护结构中，各防护屏之间以充气展开支撑管作为连接，并以充气展开支撑管内的充气压力作为驱动力，充气展开为多屏大间距防护结构，增大了防护屏之间的距离，可对空间碎片进行多次破碎、拦截和减速作用，有效减小空间碎片对舱体的撞击损伤。

在相同面密度下，屏间充气展开式多屏防护结构的防护性能显著优于单屏防护结构，且其防护性能随屏间距的增大而显著提高。