空間站的碎片防護設(shè)計與實踐

閆軍,鄭世貴,于偉,宮偉偉

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

1 引言

近年來空間碎片環(huán)境加速惡化,截至2021年7月28日,已編目的在軌空間碎片已達23513個,而無法編目的碎片質(zhì)量已達幾千噸,數(shù)量超過200億個[1],可造成航天器不同程度的損傷甚至功能失效。根據(jù)航天器可靠性設(shè)計要求以及空間碎片風險評估結(jié)果,可以確定我國載人航天二期工程的天宮一號、二號和載人航天三期工程的天宮空間站均屬于必須進行空間碎片防護設(shè)計的對象。

天宮一號全長10.4m,最大直徑3.35m,由實驗艙和資源艙構(gòu)成,于2011年9月29日在酒泉發(fā)射中心發(fā)射,是我國第一個長期在軌載人航天器,也是我國第一個系統(tǒng)地開展了空間碎片防護設(shè)計的在軌航天器。經(jīng)防護設(shè)計后的天宮一號采用了Whipple防護結(jié)構(gòu)進行高風險區(qū)重點防護,使得天宮一號實驗艙的非失效概率達到0.6995,滿足了設(shè)計指標。后續(xù)一系列自動交會對接及多名宇航員入內(nèi)工作等在軌活動的正常開展,驗證了該防護方案的有效性[2]。

天宮空間站運行于傾角41°～42°、軌道高度340～450km的近圓低地球軌道,約90min繞地球一圈。空間站主體包括核心艙、實驗艙I和實驗艙II,采用水平對稱T字構(gòu)型。2021年4月29日成功發(fā)射的 “天和”核心艙用于統(tǒng)一控制和管理空間站組合體、提供航天員生活和工作場所,同時支持部分學科的科學研究,后續(xù)將發(fā)射的 “夢天”實驗艙和 “問天”實驗艙主要用于支持開展空間科學與應(yīng)用研究[3]。

天宮空間站單艙規(guī)模遠超天宮一號,核心艙全長達18.1m,最大直徑4.2m,且在軌壽命長達15年,受到空間碎片的威脅大得多。空間碎片風險評估結(jié)果表明,采用Whipple防護結(jié)構(gòu)進行防護無法令空間站滿足總體指標,對此北京空間飛行器總體設(shè)計部采用玄武巖填充式防護結(jié)構(gòu)進行防護,開展了大量數(shù)值仿真和超高速撞擊試驗,完成了填充層材料篩選、復合材料賦形設(shè)計以及熱循環(huán)試驗和熱真空試驗等;同時也繼承了天宮一號的成果針對輻射器開展了部件級防護設(shè)計,減少了單點失效的概率,從而使防護性能滿足了總體設(shè)計指標。以下對空間站的風險評估和防護設(shè)計過程進行簡述。

2 空間站空間碎片環(huán)境

2.1 空間站空間碎片環(huán)境

設(shè)定空間站的軌道為圓軌道,平均軌道高度為393km,傾角42 °～43°,在軌壽命15年。空間站空間碎片環(huán)境采用國際通用的ORDEM2000描述[4],其平均密度為2.8g/cm3。微流星體模型采用國際通用的NASA SSP 30425[5],其平均密度為1.0g/cm3。空間碎片環(huán)境見表1,典型分布特點見圖1-圖3。

通過表1和圖1可知,空間站遭受厘米級空間碎片和微流星體的威脅較小,遭受毫米級空間物體的威脅較大,后者是空間站在軌威脅的主要來源。由圖2和圖3可知,對空間站構(gòu)成威脅的空間碎片主要來自空間站前方兩翼,相對速度不均勻分布于3～10km/s。

圖1 空間站運行軌道的空間碎片通量Fig.1 Flux of space debris in the orbit of the space station

圖2 空間站運行軌道的空間碎片通量-速度分布Fig.2 Flux of space debris in the orbit of the space station—velocity distribution

圖3 空間站運行軌道的空間碎片通量-方向分布 (0°為飛行方向)Fig.3 Flux of space debris in the orbit of the space station—directional distribution

2.2 空間站空間碎片風險評估

撞擊風險評估采用的評估工具為空間碎片防護設(shè)計軟件包MODAOST[6],采用的空間碎片環(huán)境模型和微流星體環(huán)境模型分別為ORDEM 2000和NASA SSP 30425。撞擊風險評估的結(jié)果一般用非撞擊概率 (PNI)或非穿透概率 (PNP)來表示。

表2給出了空間站的撞擊風險評估結(jié)果,圖4給出了空間站的撞擊風險評估云圖。對于直徑大于1.0mm的撞擊粒子,撞擊概率為100%,即撞擊事件無法避免;對于直徑大于5.0mm的粒子,撞擊概率較小 (百年一遇);對于直徑大于10.0mm的粒子撞擊概率極小 (千年一遇)。因此,直徑為1.0～5.0mm的空間碎片,是空間站撞擊風險的主要來源。

圖4 空間站撞擊概率評估云圖 (d＞1.0mm,評估壽命15年)Fig.4 Space station impact probability evaluation cloud image(d＞1.0mm,lifetime of 15 years)

表2 空間站撞擊概率評估結(jié)果 (評估壽命15年)Table 2 Space station impact probability evaluation results(lifetime of 15 years)

2.3 國際空間站的應(yīng)對措施

國際空間站 (ISS)面對著和中國空間站類似的空間碎片環(huán)境,其針對有威脅的編目空間碎片采取規(guī)避機動措施,針對有威脅的未編目空間碎片采取防護設(shè)計措施。這對中國空間站的應(yīng)對策略有一定的借鑒意義。

ISS生命周期內(nèi)針對空間碎片撞擊威脅共開展過28次機動 (自1999年始),2020年內(nèi)就開展了3次機動,分別發(fā)生于4月19日、7月3日和9月22日,見圖5[7]。

圖5 ISS跟蹤碎片和機動數(shù)Fig.5 Tracked objects and maneuvers of ISS

眾所周知,ISS自設(shè)計之初便采用了多種防護措施進行全面防護,本文不再贅述,僅對其防護能力做簡要說明。

如果用PNP表示ISS防護能力,其10年P(guān)NP可達到0.81;如果用碎片直徑來表示ISS防護能力,文獻[7]給出的說法是:ISS可防護直徑約1cm及以下的碎片。

需要指出的是,由于航天器可抵御的粒子直徑與速度強烈相關(guān),用碎片直徑來表示防護能力是困難的。圖6為ISS采用的典型填充式Whipple防護結(jié)構(gòu)的撞擊極限方程,圖7為ISS采用的典型Whipple防護結(jié)構(gòu)的撞擊極限方程。對ISS采用的典型填充式Whipple防護結(jié)構(gòu)而言,歐空局(ESA)哥倫布艙 (防護間距13cm)可抵御1.42cm@7km/s的粒子,但僅能抵御0.81cm@3km/s的粒子;日本 JEM艙 (防護間距11cm)可抵御1.21cm@7km/s的粒子,但僅能抵御0.65cm@3km/s的粒子;對ISS采用的典型Whipple防護結(jié)構(gòu)而言,其可抵御0.89cm@7km/s的粒子,但僅能抵御0.53cm@3km/s的粒子[8]。

圖6 ISS使用的典型填充式Whipple防護結(jié)構(gòu)Fig.6 A typical filled Whipple protective structure used on the International Space Station

圖7 ISS使用的典型Whipple式防護結(jié)構(gòu)Fig.7 A typical Whipple protective structure used on the International Space Station

3 填充式防護結(jié)構(gòu)研制

3.1 兩種填充式防護結(jié)構(gòu)方案

早在中國空間站處于概念論證階段,北京空間飛行器總體設(shè)計部就嘗試了碳纖維織物、玻璃纖維織物、Kevlar纖維織物、二氧化硅纖維織物、玄武巖纖維織物、碳化硅纖維織物、碳化硅毯、PBO等十幾種材料,見圖8。對這些纖維織物進行了工程篩選,最終確定了碳化硅填充式防護結(jié)構(gòu) (見圖9)和玄武巖填充式防護結(jié)構(gòu) (見圖10)兩種工程方案[9]。

圖8 準備做拉伸斷裂強力試驗的部分纖維織物Fig.8 Selected fabrics to be tested for tensile breaking strength

圖9 碳化硅填充式防護結(jié)構(gòu)試件示意圖Fig.9 Schematic diagram of silicon carbide filled protective structure specimen

圖10 玄武巖填充式防護結(jié)構(gòu)試件示意圖Fig.10 Schematic diagram of basalt filled protective structure specimen

圖11給出碳化硅填充式防護結(jié)構(gòu)、玄武巖填充式防護結(jié)構(gòu)、Nextel填充式防護結(jié)構(gòu)以及三層鋁板防護結(jié)構(gòu)彈道特性的對比示意圖 (7km/s以上數(shù)據(jù)為擬合結(jié)果)。圖中可見,低速時玄武巖填充式防護結(jié)構(gòu)的彈道極限稍高,高速時碳化硅填充式防護結(jié)構(gòu)的彈道極限稍高,兩種填充式防護結(jié)構(gòu)的防護能力整體上與國際空間站采用的Nextel填充式防護結(jié)構(gòu)相當,遠好于等面密度的三層鋁板防護結(jié)構(gòu)。

圖11 填充式防護結(jié)構(gòu)彈道極限曲線對比Fig.11 Comparison of ballistic limit curves of filled protective structures

3.2 填充式防護結(jié)構(gòu)同三層鋁板防護結(jié)構(gòu)的對比

由圖11可見,上述兩種填充式防護的防護能力遠超過三層鋁板防護結(jié)構(gòu),這也是從NASA、ESA到國內(nèi)均采用填充式防護結(jié)構(gòu)作為空間站主要防護手段的直接原因。以下用超高速撞擊對比試驗對這種差別進行直觀性的說明。

用于對比試驗的三層鋁板防護結(jié)構(gòu)與兩種填充式防護結(jié)構(gòu)構(gòu)型類似,中間層為0.5mm厚2A12鋁合金板,面密度同兩種填充層保持一致。

圖12是直徑為4.22cm、速度為3.16km/s的彈丸撞擊碳化硅填充式防護結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果,圖13是直徑為4.22cm、速度為3.23km/s的彈丸撞擊三層鋁板防護結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果。圖中可見,在給定工況下,碳化硅填充式防護結(jié)構(gòu)和三層鋁板防護結(jié)構(gòu)均發(fā)生輕微損傷,前者后板損傷較后者小,但差別相對不顯著。

圖12 碳化硅填充結(jié)構(gòu)損傷照片(v=3.16km/s,d=4.22cm)Fig.12 Damage of silicon carbide filled structure(v=3.16km/s,d=4.22cm)

圖13 三層鋁板結(jié)構(gòu)損傷照片(v=3.23km/s,d=4.22cm)Fig.13 Structural damage of three-layer aluminum plate(v=3.23km/s,d=4.22cm)

圖14是直徑為6.50cm、速度為6.57km/s的彈丸撞擊碳化硅填充式防護結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果,圖15是直徑為6.50cm、速度為6.43km/s的彈丸撞擊三層鋁板防護結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果。圖中可見,在給定工況下,碳化硅填充式防護結(jié)構(gòu)僅發(fā)生輕微損傷,而三層鋁板防護結(jié)構(gòu)發(fā)生爆裂式嚴重損傷,差別非常顯著。

圖14 碳化硅填充結(jié)構(gòu)損傷照片(v=6.57km/s,d=6.50cm)Fig.14 Damage of silicon carbide filled structure(v=6.57km/s,d=6.50cm)

圖15 三層鋁板結(jié)構(gòu)損傷照片(v=6.43km/s,d=6.50cm)Fig.15 Structural damage of three-layer aluminum plate(v=6.43km/s,d=6.50cm)

4 空間站防護設(shè)計方案

4.1 空間站防護設(shè)計

考慮到成本、工藝等多種因素,最后選定玄武巖填充式防護結(jié)構(gòu)作為空間站的防護手段。

遵循 “充分利用艙外布局”,“專用防護重量最小”的設(shè)計原則,同時考慮外包絡(luò)限制以及防護結(jié)構(gòu)的重量代價,對空間站核心艙、實驗艙I和實驗艙II的密封艙進行了防護優(yōu)化設(shè)計。主體結(jié)構(gòu)采用圖10所示的玄武巖填充式防護結(jié)構(gòu),依據(jù)優(yōu)化結(jié)果,分別采用三類防護構(gòu)型SW1、SW2和SW3,對應(yīng)的總間距分別為 117.5mm、77.5mm和121.5mm,詳見表3和圖16。

表3 空間站防護構(gòu)型參數(shù)Table 3 Space station protection configuration parameters

圖16 空間站防護構(gòu)型分布示意圖Fig.16 Schematic diagram of space station protection configuration distribution

4.2 空間站防護試驗

針對上述三類防護結(jié)構(gòu)構(gòu)型,開展了上百發(fā)超高速撞擊試驗,表4給出典型試驗結(jié)果,表5給出撞擊極限。

表4 空間站防護結(jié)構(gòu)典型試驗結(jié)果Table 4 Typical test results of space station protective structure

續(xù)表4

表5 三類防護構(gòu)型撞擊極限Table 5 Impact limits of three types of protective configurations

4.3 空間站防護評估

采用Christiansen 2001填充式撞擊極限方程描述防護結(jié)構(gòu)性能[10],失效準則為艙壁穿透。三類防護結(jié)構(gòu)撞擊極限曲線與試驗結(jié)果對比見圖17-圖19。根據(jù)工程需求,試驗失效的數(shù)據(jù)全部位于撞擊極限曲線上方,即填充式撞擊極限方程預(yù)示的結(jié)果偏保守。

圖17 SW1試驗結(jié)果與評估曲線對比Fig.17 The test results compared with the evaluation curve of SW1

圖18 SW2試驗結(jié)果與評估曲線對比Fig.18 The test results compared with the evaluation curve of SW2

圖19 SW3試驗結(jié)果與評估曲線對比Fig.19 The test results compared with the evaluation curve of SW3

空間站最終的空間碎片評估結(jié)果見表6,空間站運行15年非擊穿概率為0.9397,相當于240年發(fā)生1次擊穿事件。

表6 空間站失效概率評估結(jié)果 (評估壽命15年)Table 6 Space Station failure probability evaluation results(lifetime of 15 years)

5 結(jié)論

我國空間站的規(guī)模和壽命遠超 “天宮一號”,直徑1.0～5.0mm的空間碎片造成的威脅極大,采用傳統(tǒng)的Whipple防護結(jié)構(gòu)已無法實現(xiàn)設(shè)計指標。在此需求下,北京空間飛行器總體設(shè)計部開發(fā)了填充式Whipple防護結(jié)構(gòu),并將其應(yīng)用到空間站的防護設(shè)計上,使其PNP值從未加防護的0.0000提高到防護后的0.9397,滿足了總體設(shè)計指標。