飛矛清除空間碎片過程中的侵徹分析

王 丹 ，邱興浩

（沈陽建筑大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110623）

0 引言

在蘇聯1957年發射第一顆衛星之后，人類便進入了太空時代，地球軌道空間已經成為人類探索研究的一個重要領域。半個世紀以來，人類已進行了超過5 000次的空間發射活動，發射入軌的航天器有6 000多個，總量超過3萬t[1]。除了巨大數量的空間碎片對在軌有人和無人航天器構成顯見的威脅以外，還存在一種潛在的不受控制的連鎖碰撞反應，通常被稱為“凱斯勒效應（Kessler Syndrome）”。Kessler指出，在未來，近地軌道空間碎片的濃度可能會達到一個臨界水平，這將會產生一種級聯效應，其中一些主要的碰撞可能導致大宗碎片群的發展[2-3]。

空間碎片種類豐富多樣，包括失效的有效載荷、運營碎片、解體碎片和微粒物質等[4-5]，其尺寸也橫跨多個數量級，從微米到米不等。這些空間碎片對航天器造成的危害也是多種多樣的，主要包括以下幾個方面[6]：表面性能的改變、撞擊形成凹坑、等離子體云效應、動量傳遞、表面穿孔、容器破裂和結構碎裂等。統計模型預測，目前在軌的直徑大于10 cm的大碎片的數量約為34 000個，直徑在1 cm～10 cm之間的中等碎片的數量約為90萬個，直徑在1 mm～1 cm之間的小碎片的數量則超過1.2億個[7]。空間碎片對航天器的直接危害來自其超高的速度，一個厘米級尺寸大小的空間碎片，看似不起眼，但在地球外太空軌道上能達到7.5 km/s的速度，在與高速運動的航天器碰撞的過程中，能產生巨大的動能，這足以摧毀整個衛星[8-9]。近年來，各個主要的航天國家紛紛意識到空間碎片對空間活動的切實威脅，僅僅依賴空間碎片自然衰減或者采取空間碎片減緩措施是遠遠不夠的，因此主動進行空間碎片清除任務是必要且迫切的[10]。

1 侵徹分析

為了驗證飛矛穿透目標靶板的性能，分別對不同入射角度的飛矛侵徹靶板的過程用ANSYS Workbench軟件中的Explicit Dynamics模塊進行顯式動力學仿真模擬。用軟件顯式動力學模塊對三維模型進行網格劃分，靶體模型設定為正方體，材料選用牌號2024-T4的鋁合金，考慮計算結果的準確性以及網格劃分粗細程度對仿真時長的影響，選擇在靶體中心半徑為20 mm的球形區域內更加密集地劃分網格，區域外側則比較稀疏地劃分網格，同時加快計算速度。為保證飛矛侵徹靶板過程中靶板位置不發生偏移，在靶板四周添加固定約束。飛矛本體與靶板之間采用侵徹接觸，由于飛矛在飛行過程中可能會受到未知環境因素的影響，在與目標靶體接觸時不一定能達到理想的垂直侵徹狀態，而入射角度又會影響飛矛的侵徹能力，本文針對飛矛在入射角為30°、45°、60°和垂直四種狀態下進行侵徹仿真。在以上假設情況下建立侵徹有限元模型。

傾斜侵徹是飛矛撞擊目標靶體時不可避免會出現的一種運動狀態，飛矛在撞擊前的飛行過程中由于受復雜空間環境的影響，可能會產生一定的偏斜角度，這種情況下飛矛在穿透目標靶板時會產生不對稱阻力，從而在侵徹過程中產生偏差，靶體材料參數如表1所示，仿真結果如圖1所示。

表1 靶體材料參數表

仿真過程中，所有飛矛采用統一初速度，從仿真結果可以看出，飛矛侵徹靶板之后，靶板會發生不同程度的形變，形變程度由飛矛撞擊靶板位置向邊緣遞減，碰撞中心區域靶板發生穿孔形變。隨著飛矛入射角度的增加，飛矛對靶板的侵徹效果越來越弱，但在一定范圍內，飛矛仍可以穿透靶板。如圖1所示，當入射角為30°時，飛矛穿入靶板之后位置相對而言發生較大變化；入射角繼續增大，對比圖1（b）和（c），入射角為45°時，靶板穿孔變形大于入射角為60°時的變形，可以推測當入射角繼續增大，飛矛將不能侵徹穿入靶板，飛矛碰到靶板之后會被彈開，即發生跳彈現象；但當飛矛垂直侵徹靶板時，飛矛軌跡幾乎是一條直線，侵徹穿入的深度也最大。

圖1 不同入射角飛矛侵徹靶板變形云圖

2 飛矛發射裝置的結構設計

在設計發射結構時，考慮到是進行發射原理驗證，結構要簡單緊湊可靠，且飛矛發射過程中要盡可能減少能量消耗，因此選擇彈簧作為動力來源，飛矛尖端采用高強度材料，發射機體和套筒選用耐磨材料，整體裝置能夠重復使用。其各部分結構如圖2所示，每個序號對應的零件名稱如下：1為飛矛；2為直線軸承；3為套筒；4為動力彈簧；5為前支架；6為發射機體；7為后支架；8為螺旋傳動機構。

該裝置的工作原理為：飛矛發射裝置采用的動力源為一根圓柱壓縮螺旋彈簧，發射機體是連接彈丸與后部的彈簧的中間裝置。在發射時，彈簧推動發射機體向前運動，同時發射機體推動飛矛向前運動。外部套筒前端安裝直線軸承，軸承內安裝飛矛，這樣可以減少因摩擦產生的能量損失；套筒后端內安裝發射機體與彈簧，為其提供導軌作用。發射機體中間的通孔穿入尼龍線繩通過彈簧內部與安裝在尾部的螺旋傳動機構相連，當尾部的螺旋傳動機構轉動，尼龍繩帶動發射機體壓縮彈簧，當轉到預定位置后，斷開尼龍繩，釋放彈簧，從而將飛矛發射出去。飛矛裝置整體實物圖如圖3所示。

圖2 飛矛裝置整體結構示意圖

圖3 飛矛裝置結構實物圖

對飛矛裝置進行測試，實驗對各部分功能進行了驗證。發現對于飛矛發射過程中摩擦力帶來的能量損失，通過直線軸承可以減少；傳動機構也能實現帶動發射機體來壓縮彈簧的功能。釋放彈簧后飛矛成功發射，實驗結果表明裝置完成了發射原理驗證。

3 結論

本研究針對飛矛侵徹空間碎片進行了仿真分析，并對如何發射飛矛進行了原理驗證。在相同撞擊速度的條件下，飛矛垂直侵徹靶板的深度大于傾斜侵徹的深度，且傾斜的角度越大，飛矛越難侵徹靶板，所以要使飛矛有效地侵徹靶板，應盡量減小侵徹時的入射角度；設計的飛矛發射裝置能成功發射飛矛，這為后續飛矛裝置的設計奠定了基礎。