填充式防护结构填充层撞击特性研究

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1、V01．19No．110载人航天MannedSpaceflight第19卷第l期2013年1月填充式防护结构填充层撞击特性研究闰军，郑世贵(中国空间技术研究院总体部，北京100094)摘要填充式防护结构是国际空间站广泛应用的一种空间碎片防护结构，填充层材料的选择是填充式防护结构研制的最重要环节。对国内可用的几种高模量、高强度填充层材料进行了超高速撞击试验，并根据试验结果进行了工程应用推荐。关键词空间碎片防护；填充式防护结构；超高速撞击试验中图分类号：V45文献标识码：A文章编号：1674—5825(2013)0l

2、一0010—051引言在二十世纪六七十年代，航天器面对的空问撞击威胁主要来自于微流星体，但随着人类航天活动的13益增多，空间碎片环境日益恶化。截止到2012年12月713为止，已编目空间物体39016个，其中仍然在轨16901个，未编目的微小碎片难以计数。空间碎片撞击航天器的平均相对速度可达10km／s，微流星体撞击航天器的平均相对速度可达19km／s一22km／s，严重威胁着在轨航天器的安全。国际空间站(ISS)是目前建设的最大航天器，受空间碎片影响也最大。ISS空间碎片防护设计工程实践表明，Whipple防护

3、结构仅使用铝板作为前置防护屏，防护性能有限，在考虑防护较大撞击粒子、较高撞击速度并提供较高安全概率时则难以胜任。因此，国外防护设计专家为国际空间站开发了400多种防护结构，其中最具有代表性的就是填充式Whipple防护结构I“。图1给出美国通用实验舱(CM)防护区域分布图，图中舱壁为4．8mm厚的铝2219T87，总表面积为133．8mz。柱段采用了与舱壁间距为10．7cm的2mm厚铝6061一T6板进行防护，并将处在飞行方向正面的锥段防护间距增加至22．2cm，而对于柱段侧面空间碎片高风险区则采用了更为先进的填

4、充式防护结构。经防护后CM的10年非穿透概率(PNP)柱段天顶面和对地商职’hippie防护结构柱段侧面填充式Whipple防护结构锥段t-防护结构图I美国实验舱(CM)防护区域分布图可高达0．9930。所谓填充式Whipple防护结构，即在最外层铝防护屏与后墙之间放置一层或多层由纤维织物材料组成的填充层而构成的复合防护结构。NASA采用的是Nextel陶瓷纤维层及Kevlar高强度纤维层形成的组合层，Nextel陶瓷纤维层在前，其高模量特性有利于撞击粒子内产生更强的冲击压力，使之彻底破碎；Kevlar纤维层在后

5、，其高强度特性有利于降低残存粒子碎片速度【2l。ISS美国舱、“哥伦布”舱及日本实验舱的前面及侧面均采用了Nextel／Kevlar填充式Whipple防护结构，但它们的填充层面密度和间距有所不同13l，图2给出NASA采用的填充式防护结构构型。随着我国载人航天工程的稳步推进，对开展自主填充式防护结构研究的需求非常迫切。在此背景收稿日期：2012—04—19；修回日期：2012—12—23基金项目：载人航天领域预先研究项目(020108)作者简介：闫军(1970一)，男，博士，研究员，主要从事航天器动力学和空间碎

6、片防护方向的研究工作。E—mail：jLIB．yan@263．net第1期闫军等：填充式防护结构填充层撞击特性研究1l防{』‘·"：●做¨!十_JJljJ☆：●j1【{，川t●jI¨^=衅}HlL：：衅牝r化∥i化}lr低悴”二÷谴J!!：J耍}r维昧骶陴片』：谜J!{：挡戏余碎片IjliJ“乍6,isJI』图2NASA填充式防护结构构型下，立足于现有条件，在大量填充层材料分析的基础上筛选出近十种填充层材料进行了超高速撞击试验对比研究，本文对试验结果进行了总结。2试验准备2．1材料准备填充式防护结构超高速撞击试验

7、设计有三个难点：第一个难点是准确表征防护结构超高速撞击特性非常困难，如碎片云的径向传播速度和横向扩展速度以及碎片云中的凝聚颗粒的数量等特性很难获得；二是测量填充式防护结构弹道极限非常困难，由于填充式防护结构弹道特性的复杂性，针对多种筛选材料同时获得其弹道极限的成本难以接受；三是保持填充层面密度的一致性非常困难，各种填充层材料来源复杂，规格多样，面密度不可控，这也给准确评估填充式防护结构的防护能力带来障碍。因此，设计了图3所示的对比试验构型，用lmm厚的LF6铝板作为缓冲屏，用1mm厚的LF6铝板作为验证板。缓冲屏

8、与填充层间距为3．5cm，填充层与验证板间间距为7．5cm，总间距为llcm。缓冲屏、填充层和验证板均加工成20cmx20cm的方形。用直径约5mm左右的弹丸以约6．0km／s的速度正撞击铝缓冲屏，验证板可能出现的损伤形式包括鼓包、层裂、成坑、微孔等，通过对穿透区、成坑区、层裂区和鼓包区的直径以及鼓包高度和微孑L分布情况的测量可实现对填充层防护性能的评估。通过改变对比试验