航天器熱控輻射器空間碎片防護設(shè)計及評估

韓海鷹 趙亮 鄭世貴 曹劍峰 付楊

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

隨著近年來在軌航天器數(shù)量變多,空間碎片數(shù)量急劇增加,并主要分布在軌道高度2000km以下的低地球軌道(LEO)區(qū)域,“國際空間站”、航天飛機、和平號空間站、哈勃望遠鏡、聯(lián)盟號飛船等航天器均位于該軌道。據(jù)報道,亞特蘭蒂斯(Atlantis)號航天飛機艙外管路、哈勃望遠鏡輻射器、和平號空間站隔熱層、“國際空間站”太陽翼和聯(lián)盟號外回路均發(fā)生過被撞擊或擊穿的情況[1-3]。2022年12月15日聯(lián)盟-22(MS-22)飛船遭受微流星體撞擊,輻射器出現(xiàn)不到1mm左右的小孔,導致冷卻劑泄漏和外回路失效。對于采用流體管熱控輻射器進行熱量排散的大型航天器,由于輻射器直接暴露在外太空,面積較大,設(shè)計壽命較長,熱控輻射器流體管遭受碎片撞擊的概率非常高。如果流體管被擊穿導致工質(zhì)泄漏,會造成散熱能力損失或回路系統(tǒng)失效,嚴重影響航天器的正常工作,甚至造成飛行任務(wù)的徹底失敗。因此必須開展專門的熱控輻射器碎片防護設(shè)計工作,提高熱控輻射器在軌的生存能力,保證航天器的安全。

目前,降低熱控輻射器流體管遭受碎片撞擊概率的措施有兩種:一種是減少流體管路的長度;一種是加強流體管路的防護。

本文基于我國航天器熱控輻射器布局,結(jié)合軌道碎片環(huán)境及撞擊評估結(jié)果,開展了輻射器流體管路的碎片防護研究,并通過超高速撞擊試驗獲得了改進后輻射器流體管的彈道極限數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上完成了熱控輻射器的擊穿失效風險評估。

1 熱控輻射器設(shè)計

傳統(tǒng)的流體管路熱控輻射器均是將流體管焊接到蒙皮上,工質(zhì)將熱量傳遞給管路,然后傳遞到輻射器蒙皮散掉,由于肋效率的緣故,流體管間的距離不能太大,一般不超過150mm,這導致暴露在空間的流體管長度較長,圖1為傳統(tǒng)航天器熱控輻射器照片。

圖1 傳統(tǒng)航天器熱控輻射器照片F(xiàn)ig.1 Photo of the thermal control radiator of traditional spacecraft

圖2為傳統(tǒng)航天器熱控輻射器管路截面圖,可以看出:航天器1輻射器流體管有一半的區(qū)域直接暴露;航天器2熱控輻射器流體管是在航天器1管路基礎(chǔ)上改造而來,通過Ω型管路設(shè)計,減少管路直接暴露在外的面積,同時利用蒙皮緩沖碎片對流體管2區(qū)的撞擊。

我國大型航天器設(shè)計壽命較長,熱控輻射器面積較大,因此受到空間碎片及微流星體撞擊的威脅也大,需減少熱控輻射器流體管路長度。為了減少流體管路長度,熱控輻射器形式改用熱管輻射器,利用熱管的擴熱作用減少熱控輻射器中流體管的長度。根據(jù)熱管輻射器蒙皮與熱傳輸液體回路的連接方式,熱管輻射器可分為兩種基本構(gòu)型,即直接接觸和非直接接觸形式,常用的結(jié)構(gòu)見圖3[4]。

圖3 熱管輻射器2種基本結(jié)構(gòu)形式Fig.3 Two configurations of HPR

考慮工藝性,選擇非直接接觸式熱管輻射器,同時考慮輻射器散熱面積的綜合利用及流體回路并聯(lián)設(shè)計,對圖3中非直接接觸熱管輻射器形式進行了改進,將流體管布置在熱管輻射器兩側(cè),流體管與熱管焊接,熱管再與蒙皮焊接。熱量首先通過工質(zhì)傳遞給流體管,然后流體管傳遞給熱管,最終利用熱管的擴熱作用傳遞給蒙皮。與傳統(tǒng)的熱控流體管輻射器相比,這樣選擇的熱管輻射器,流體管路長度下降了一半以上。

熱管輻射器蒙皮焊接有熱管,流體管再與熱管進行焊接。流體管路可分為與熱管耦合部分及懸空部分,分別稱為管路構(gòu)型I和構(gòu)型II,如圖4所示。

圖4 熱管輻射器流體管路狀態(tài)圖Fig.4 Fluid pipe status of HPR

(1)與圖2中航天2流體管路1區(qū)相比,熱控輻射器構(gòu)型I熱管耦合部分流體管路距離外側(cè)的距離變大,防護能力進一步提高,通過單墻彈道極限方程評估,熱管耦合部分1區(qū)的防護能力比圖2中航天器2輻射器1區(qū)的防護能力提高了4倍。

(2)圖2中航天器2輻射器2區(qū)由于流體管路與面板存在一定的距離,面板遮擋會提高該位置管路的碎片防護能力,且提高程度隨著兩者距離增加而變大,管路構(gòu)型II管路與面板的距離更大,防護效果更強。

（1）在“三控三管一協(xié)調(diào)”中協(xié)調(diào)工作是重要的組成部分，協(xié)調(diào)工作作為一個貫穿于整個建設(shè)中的重要工作，是監(jiān)理工作中的重點任務(wù)。加強監(jiān)理工程師在施工過程中的協(xié)調(diào)與組織能力，使參與工程的各方能夠認真的履行自己的職責，從而保證工程的順利實施，進而保證施工的工期與質(zhì)量。因為工程的施工是一個多方參與的過程（建設(shè)單位、設(shè)計單位、承包單位、監(jiān)理單位以及政府相關(guān)部門），這些參與方相互制約、相互聯(lián)系，要想使各參與方朝著統(tǒng)一的目標進行施工，就需要監(jiān)理單位做好組織協(xié)調(diào)等相關(guān)工作。

由于熱管成型及焊接的限制,開口較多的輻射器無法采用熱管輻射器,只能采用傳統(tǒng)的流體管輻射器。為了提高流體管輻射器的防護能力,在傳統(tǒng)的輻射器基礎(chǔ)上,通過增加流體管路管壁與翼面之間的距離,可以提高流體管路的碎片防護能力,管型見圖5,稱為管路構(gòu)型III。綜合了管路構(gòu)型I和II的改進措施,管路構(gòu)型III的1區(qū)增加了加厚部分的保護,2區(qū)流體管路遠離了輻射面板,比傳統(tǒng)的輻射器流體管路的防護能力顯著增加。

我國大型航天器熱控輻射器布置于艙外,采用熱管輻射器和流體管輻射器,類型見表1。

表1 輻射器類型Table 1 Type of radiator

2 軌道碎片環(huán)境及評估

大型航天器長期采用三軸穩(wěn)定對地飛行姿態(tài),運行于近圓低地球軌道。

2.1 軌道碎片環(huán)境

按照在軌飛行軌道及飛行姿態(tài),分析壽命期的碎片環(huán)境,軟件中空間碎片環(huán)境采用通用模型描述,其平均密度為2.8g/cm3,微流星體平均密度為1.0g/cm3,平均速度為17km/s[5-6]。分析結(jié)果將作為開展撞擊風險評估、碎片設(shè)計、超高速撞擊試驗及擊穿風險評估的基礎(chǔ)。

表2給出設(shè)計壽命期碎片通量分布,可看出空間碎片及微流星體通量隨著粒子直徑的增加而明顯降低,其中遭受厘米級空間碎片和微流星體的概率較小,遭受毫米級空間物體的概率較大,因此需要重點防護毫米級的空間碎片及微流星體。

表2 運行軌道的空間碎片通量Table 2 Flux of space debris in orbit

圖7給出碎片通量速度分布(0°為飛行方向),空間碎片及微流星體集中的飛行速度在3～10km/s,因此,超高速撞擊試驗速度范圍選擇3km/s以上。

2.2 撞擊風險評估

由于直徑10厘米級以上碎片的撞擊概率低、撞擊損害大,可以通過觀測、編目、預(yù)警、規(guī)避的方式降低風險;直徑微米級碎片撞擊概率高、撞擊損害小,可以忽略不計;而毫米級和厘米級碎片不可觀測和編目,需要通過風險評估和防護設(shè)計來降低風險?；谒谲壍浪槠h(huán)境,結(jié)合熱控輻射器流體管路分布,開展了熱控輻射器流體管路的撞擊風險評估[6]。評估中考慮了艙體對輻射器的遮擋,沒有考慮來訪飛行器的影響。

表3 熱控輻射器撞擊風險評估結(jié)果Table 3 Thermal control radiator impact probability evaluation results

3 超高速撞擊試驗

要開展熱控輻射器的擊穿失效評估,需要通過超高速撞擊試驗獲得流體管路的臨界直徑。超高速撞擊試驗[7]的試驗件包括3種輻射器流體管路構(gòu)型。實際輻射器流體管路之間相距較遠,為減少試驗次數(shù)提高試驗效率,正撞擊試驗中,把流體管路截成20cm長的10根,形成邊長20cm的正方形,并在端部側(cè)向開孔,通過螺桿將10根流體管路串連并緊密并排。在試驗件后方放置鋁板,捕捉試驗件被完全穿透后形成的彈丸和試驗件碎片。斜撞擊則只保留1根管路。通過工裝套筒、螺桿、螺母將其與觀測屏組裝在一起形成完整試驗件。

共開展了25發(fā)超高速撞擊試驗,包含5發(fā)管路構(gòu)型I正撞擊,6發(fā)管路構(gòu)型II正撞擊,7發(fā)管路構(gòu)型III正撞擊,7發(fā)管路構(gòu)型III 30°斜撞擊,試驗參數(shù)見表4。表4顯示撞擊速度2.75～6.47km/s,彈丸直徑1.5～5.75mm,彈丸和靶材的材料密度2.799g/cm3,屈服強度240MPa。流體管路被擊穿會導致工質(zhì)泄漏,因此試驗件的失效準則確定為流體管路擊穿。臨界直徑是指在某一撞擊速度、撞擊角度和撞擊體密度的條件下,某防護結(jié)構(gòu)能夠防護的臨界撞擊體直徑,如果撞擊體直徑超過臨界直徑,則會發(fā)生穿透,低于臨界直徑,則被防護結(jié)構(gòu)擋住。試驗中根據(jù)透光和透水方式判斷流體管路是否擊穿,試驗結(jié)果見表4。

表4 超高速撞擊試驗參數(shù)和結(jié)果Table 4 Hypervelocity impact test parameters and results

由表4可知:

(1)管路構(gòu)型I在3km/s正撞擊時的臨界試驗直徑為5.25～5.50mm,在6.3km/s正撞擊時的臨界試驗直徑為3.25～3.50mm;

(2)管路構(gòu)型II在3km/s正撞擊時的臨界試驗直徑為3.00～3.25mm,在6.3km/s正撞擊時的臨界試驗直徑為2.50～2.75mm;

(3)管路構(gòu)型III在3km/s正撞擊時的臨界試驗直徑為3.50～4.00mm,6.3km/s正撞擊時的臨界試驗直徑為1.50～1.75mm,在3km/s斜撞擊時的臨界試驗直徑為2.00～2.50mm,在6.3km/s斜撞擊時的臨界直徑為1.50～1.75mm。斜撞擊時管路的防護能力低于正撞擊。

某一撞擊速度下臨界直徑的計算方法就是取該速度下失效的最小彈丸直徑和未失效的最大彈丸直徑的平均值。按照失效準則,表5給出3類管路構(gòu)型的臨界直徑。按照防護能力排序,構(gòu)型I>構(gòu)型II>構(gòu)型III,正撞擊高于斜撞擊,3種構(gòu)型臨界直徑均滿足設(shè)計需求。

表5 不同管路構(gòu)型臨界直徑值Table 5 Ballistic limit diameters of different pipe configurations

4 擊穿失效風險評估

按照熱控輻射器流體管路的布局,進行了擊穿失效風險評估[7],輻射器非擊穿概率均高于設(shè)計要求,驗證了熱控輻射器防護設(shè)計的有效性。

5 結(jié)束語

本文通過系統(tǒng)開展熱控輻射器流體管路的軌道碎片環(huán)境分析及撞擊風險評估,獲得熱控輻射器流體管路的薄弱環(huán)節(jié),考慮到采用傳統(tǒng)的輻射器管路構(gòu)型無法滿足長壽命指標要求,在此需求下,完成了熱控輻射器流體管路的防護設(shè)計改進,開展了改進后管路的超高速撞擊試驗和輻射器碎片防護評估。經(jīng)評估,改進后熱控輻射器非擊穿概率均高于設(shè)計指標要求,保證了熱控輻射器的長壽命需求。