空間碎片防護需求與防護材料進展

鄭世貴 閆軍（中國空間技術研究院總體部）

1 引言

當前，我國航天事業蓬勃發展，載人航天器、通信衛星、導航衛星、遙感衛星、深空探測器、科學衛星等各種航天器呈現快速發展態勢，航天器的壽命越來越長、可靠性越來越高、穩定度越來越高。而隨著空間碎片環境的日益惡劣，空間碎片已成為影響航天器長壽命、高可靠性、高穩定度的重要因素之一。2013年1月22日，俄羅斯的小型激光測距衛星 (BLITS)遭到小碎片撞擊，并釋放出一塊碎片；2013年5月24日，發射不足1個月的厄瓜多爾“飛馬座”（Pegaso）衛星在印度洋上空與一枚由蘇聯1985年發射升空的火箭燃料箱殘骸發生側面撞擊，導致太陽電池翼受損，天線無法定向，衛星圍繞兩根軸狂轉，失去了聯系；“國際空間站”供航天員出艙活動的扶手遭到多次小碎片撞擊，撞擊形成的鋒利唇緣割破了航天員的手套，導致多次艙外活動提前終止；2002年3月16日，美法聯合研制的賈森－1（Jason－1）衛星遭到小碎片撞擊，導致其軌道高度明顯提升和隨后幾小時的電流波動，并釋放出兩塊碎片；2011年，我國某衛星遭到小碎片撞擊，導致姿態瞬時跳變，并永久失去了部分發電能力。

針對大碎片，航天器發射預警和在軌預警已成為常態性工作。針對數量巨大的小碎片，我國載人航天器已成功進行了首次空間碎片防護工程應用，后續載人航天器的空間碎片防護已成為型號工程的重要項目之一；而對于數量眾多的非載人航天器，由于其遭受空間碎片撞擊的特性復雜、失效模式多樣、失效評價難度大，空間碎片防護基本處于起步階段，非載人航天器多采用防護增強材料達到防護目的。

2 防護需求

以低軌大平臺為例進行空間碎片風險評估，平臺軌道為太陽同步軌道，運行參數為：軌道高度630km、傾角97°，發射時間2010年，在軌5年。采用了軌道碎片工程模型（ORDEM2000）和微流星體模型 (SSP 30425)。低軌大平臺遭受0.1mm級粒子和毫米級粒子的撞擊概率都為100%，即這兩個量級粒子的撞擊無法避免，而且ORDEM2000低估了2010年以后的碎片環境。因此低軌衛星將要面對微小碎片的巨大撞擊威脅，采取防護措施提高衛星在空間碎片環境中的安全性和可靠性已成為必然選擇。

試驗表明直徑3.6mm的鋁彈丸在6.22km/s左右的速度下就能擊穿50mm厚的鋁蜂窩板。我國衛星的鋁蜂窩板厚度一般不超過30mm，而且空間碎片撞擊衛星的平均速度可達10km/s，最高撞擊速度可達15km/s，因此，毫米級碎片不但對星外設備構成重大威脅，還對星內設備造成威脅，特別是一些對撞擊敏感的電子設備、儲能設備等。毫米級以下的粒子一般不會對星內設備造成威脅，但對星外設備（數據總線、電源總線、多層隔熱材料、管路、太陽翼等）能造成不同程度損傷，進而造成分系統、甚至整星功能的散失。

低軌大平臺空間碎片風險評估

衛星遭受碎片撞擊的影響

衛星的空間碎片防護與載人航天器的防護有很大不同，具體體現：①空間碎片撞擊導致的失效模式不同，載人航天器結構板為鋁板，結構板穿透就可以認為航天器失效，而衛星的結構板一般為鋁蜂窩板或碳纖維蜂窩板，其超高速撞擊特性比鋁板要復雜的多，更重要的是蜂窩板的穿透并不意味著衛星或設備的失效；②空間碎片超高速撞擊特性不同，載人航天器結構板為連續介質，其超高速撞擊特性較簡單，而衛星結構板為復合材料，其超高速撞擊特性要復雜的多；③空間碎片防護手段不同，載人航天器的防護措施一般是在結構板外一定距離安裝一個或幾個防護屏來提高航天器抗撞擊能力，而衛星的防護措施一般不采取增加防護屏的做法，而是采用調整衛星飛行姿態、調整設備布局、采用防護性能強的材料等方法提高衛星抗撞擊能力；④衛星的質量約束相比載人航天器要苛刻的多，這決定了在衛星上要采取更加經濟更有效率的防護手段。

衛星的飛行姿態、總體構型布局由衛星任務、設備功能等約束條件確定，一般不考慮空間碎片的影響，根據國際經驗，衛星的防護設計一般采用防護增強材料或包覆復合材料以達到防護目的。

3 防護材料

國際上，在航天器的空間碎片防護中采用的防護材料有鋁板、Nextel纖維布、凱夫拉（Kevlar）纖維布、Beta布，如“國際空間站”大量采用了Nextel纖維布/凱夫拉纖維布為填充物的填充式防護結構，在1553數據線和不銹鋼管路上包覆了Beta布，使1553數據線的臨界彈丸直徑從0.35mm提高到2.0mm、不銹鋼管路的臨界彈丸直徑從0.35mm提高到1.0mm。除了這些已應用的材料外，還在研發各種高性能的防護材料。

聚亞安酯泡沫

聚亞安酯是由異氰酸酯與多元醇反應制成的一種具有氨基甲酸酯鏈段重復結構單元的聚合物。聚亞安酯泡沫密度低、比強度高、吸能性能優異、阻燃性高、絕熱性能優越。

聚亞安酯泡沫作為新型結構填充材料得到廣泛應用。美國把聚亞安酯泡沫作為可展開式防護結構的填充材料開展超高速撞擊特性研究，并將在“國際空間站”的“畢格羅”可膨脹式運輸居住艙上得到應用。運輸居住艙在軌展開后長為10m、直徑約8m，提供大容積的空間操作環境，其在軌10年的空間碎片非穿透概率為0.985。運輸居住艙采用多沖擊防護結構抵御空間碎片的撞擊，防護結構由Nextel緩沖屏、凱夫拉后墻和聚亞安酯泡沫填充層組成，聚亞安酯泡沫起到支撐緩沖屏和在軌膨脹展開作用。防護結構對其后的一層約束隔離層和多層球膽（三冗余系統）起到很好的保護作用。縮比實驗和全尺寸試驗表明運輸居住艙的防護結構能夠抵御直徑為1.8cm的鋁彈丸以5.8 km/s、45°角的撞擊。

未來對接在“國際空間站”上的“畢格羅”可膨脹式運輸居住艙

“畢格羅”防護結構的性能，1.8cm鋁彈丸、5.8 km/s、45°

試驗表明（速度6.3～6.4km/s，彈丸直徑6.9～7.0mm）：Nextel和多層聚亞安酯泡沫復合填充層構成的防護結構防護能力遠遠優于單緩沖屏防護結構，甚至略優于Nextel/凱夫拉填充式防護結構，可見聚亞安酯泡沫提供了很好的彈道阻抗。

Nextel312填充式防護結構

可膨脹多緩沖屏防護結構最外邊的緩沖屏為鋁薄板，其后的多個緩沖屏為多層高強度纖維材料Vectran（Vectran產于日本，其防護能力與凱夫拉相當）制成的薄板，板間填充可膨脹的聚亞安酯泡沫。對該防護結構進行的實驗結果顯示：結構的防護能力并不正比于聚亞安酯泡沫的面密度；聚亞安酯泡沫有效地捕獲了二次碎片云；具有較大動能的質量超過100mg的大碎片會穿透緩沖屏；防護能力和Vectran板間距離成正比，各Vectran板間二次碎片云在第二層Vectran板上擴散最大。

可膨脹多緩沖屏防護結構（面密度2.1g/cm2）

泡沫鋁

泡沫鋁是一種鋁或鋁合金基體中含有大量結構及分布可控的孔洞，以孔洞作為復合相的新型復合材料。泡沫鋁的低密度、高剛度、沖擊吸能性、低導熱率、低磁導率和良好阻尼等特性使得泡沫鋁在近10年來受到廣泛關注。目前許多航天國家已將泡沫鋁作為潛在的重要的結構材料和防護材料，開展了多項科學和工程應用研究。

蜂窩夾層板（上）和泡沫鋁夾層板（下）撞擊特性（3.6mm鋁球，上6.22km/s，下6.76km/s）

蜂窩夾層板（上）和泡沫鋁夾層板（下）撞擊特性（0.833mm鋁球，6.9km/s）

泡沫鋁可以作為航天器主結構夾層的填充材料，泡沫鋁夾層結構的物理性能、機械性能、熱性能、電性能、聲學性能等能都優于傳統的蜂窩夾層板，更重要的是在超高速撞擊下其沒有傳統蜂窩夾層板的通道效應。

泡沫鋁作為航天器空間碎片的防護結構和材料，相比傳統的防護結構，在同等防護性能下，可以節省大約30%的防護質量。

在以鋁、鎂等作為泡沫鋁基材料設計的泡沫鋁緩沖屏防護結構進行的實驗證明，該防護結構有良好的彈道特性，在實驗的速度范圍內泡沫鋁能顯著引起對彈丸的多次沖擊，使速度約為6km/s、4km/s的彈丸完全熔化（所有的實驗都說明此結果），并使碎片云完全消散；甚至使速度約2.6km/s的彈丸完全熔化。泡沫鋁緩沖屏具有良好的機械性能，因此可以減小附加在后墻上的質量（支撐緩沖屏的結構，用于增加剛度、降低彎曲、提供連接面、局部加強等）。如果泡沫鋁前面的防護屏尺寸設計合理，材料選擇恰當，防護效果會很好，能破碎速度為6.3km/s、直徑為13mm的彈丸；但是泡沫鋁后面的鋁板并不能增加防護效果。

泡沫鋁緩沖屏防護結構

美國蘭利研究中心提出的新型防護結構

目前，哈爾濱工業大學、太原理工大學等多個高校開展了泡沫鋁超高速撞擊特性研究，并提出了一些防護構型，但國內泡沫鋁制備工藝相比國際水平還不成熟不穩定，制備的泡沫鋁性能相差較大。

聚烯烴類化合物

有機聚合物，如聚乙烯、聚丙烯等，作為新一代的空間碎片防護結構材料正受到國際重視，該防護材料不但能滿足航天器的空間碎片防護要求，還能滿足航天器的結構要求和抗空間輻射要求。目前“國際空間站”采用聚乙烯作為附加防護材料以減少航天員的空間輻射，而聚乙烯的其他應用正在進行空間驗證。

美國蘭利研究中心提出的新型防護結構由高強度纖維織物、蜂窩聚乙烯或聚丙烯填充層和內膽組成，填充層的厚度根據力學性能要求、需防護的粒子直徑和熱控要求確定。最外層的薄板粉碎粒子、緩沖碎片云和抵御空間輻照，最里層的薄板攔截殘余碎片。除了空間碎片防護功能以外，填充層還能增強金屬性材料的絕緣性能、降低結構溫度梯度；從而減輕航天器內部濕氣在結構上的附著聚集及其腐蝕以及航天器內部微生物的生長；進而降低空氣過濾系統的要求，降低航天器內部的噪聲強度，最終改善航天器內部的生活舒適度。

4 結束語

非載人航天器遭受空間碎片撞擊的概率很大，部件/設備受撞擊后的影響復雜，失效評價困難；非載人航天器的空間碎片防護與載人航天器的防護有很大不同，非載人航天器的防護設計一般采用防護增強材料或包覆復合材料以達到防護目的。

國外新型防護材料及防護結構的防護性能不但逐步增強，而且朝著多功能化方向發展，如可展開、結構化、抗空間輻射等。

結合我國航天實踐，可把聚亞安酯泡沫及其防護結構的發展和工程應用作為近期發展目標，把泡沫鋁及其防護結構的發展和工程應用作為中長期發展目標。