柔性多层冲击空间碎片防护结构设计与试验
王巍*, 郑世贵, 常洁
【摘 要】充气展开密封结构是未来空间站以及大型空间居住舱的理想构建形式，其外蒙皮由气密层、增强层、微流星体和空间碎片防护层、辐射保护层以及热控层组成。为了既满足对空间碎片的防护,又满足折叠、收纳以及展开的要求，空间碎片防护层需要采用多层冲击防护结构设计。基于多层冲击防护结构，采用国产的玄武岩纤维材料和芳纶织物的特性参数，根据弹道极限方程设定了柔性空间碎片防护层的设计参数，并通过高速撞击试验对根据设计参数生产的试验件进行了试验验证，试验结果与柔性多层冲击防护结构的弹道极限方程吻合较好。
【期刊名称】中国空间科学技术 【年(卷),期】2024(039)004 【总页数】5
【关键词】多层冲击结构; 空间碎片; 防护层; 柔性防护结构；充气展开密封结构
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http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20240428.1626.012.html 基金项目：国防科工局空间碎片专项(KJSP2016030101)
引用格式：王巍, 郑世贵, 常洁.柔性多层冲击空间碎片防护结构设计与试验[J].中国空间科学技术, 2024,39(4):82-86. WANG W,
ZHEGN S G,CHANG J.Design and high velocity impact test verification of
flexible space debris protection shield[J].Chinese Space Science and Technology, 2024,39(4):82-86(in Chinese).
未来空间站、载人登月、月面居住舱等重大专项对大型扩展舱段的需求日益突出，而大型刚性密封舱结构(一般为铝合金材质)由于质量大、体积大、发射成本高、在轨组装难度大，将难以满足未来航天发展的需要。充气展开密封结构具有质量轻、折叠效率高、展开可靠、工程实施方便等优点，是未来空间站扩展舱体、大型空间居住舱建造的有效途径之一。
充气展开密封结构外蒙皮由多层材料构成，分别表示为气密层、增强层、微流星体和空间碎片防护层、辐射防护层以及热控层等，其中微流星体和空间碎片防护层(以下简称空间碎片防护层)为其中最厚的一层，对整个结构的折叠设计及展开方案设计均有重大影响。
空间碎片撞击航天器的平均相对速度可达10 km/s，微流星体撞击航天器的平均相对速度可达19～22 km/s，空间碎片严重威胁着在轨航天器的安全。 对空间碎片的防护得到了航天业界的重视。目前在空间站舱体上大多采用Whipple结构对舱体进行被动防护。而对于充气展开密封舱体来说，空间碎片防护层需要同时具备防护与折叠、展开的功能，现有的基于Whipple结构的刚性防护结构无法满足上述要求。
关于充气展开密封舱体，美国NASA启动了大型充气太空舱TransHab的研究，旨在为空间站提供廉价且大型化的空间舱体结构[1]，并有关于空间碎片防护设计的专利发表[2]。此后，美国的Bigelow公司自行研究了类似的充气式太空舱，并于2016年发射了BEAM充气舱，与国际空间站对接。同时，NASA还进行了充气式火星探测基地的研究。
在国内，对于充气展开密封舱体的研究开展较晚，主要的研究单位有哈尔滨工业大学、浙江大学、上海交通大学、北京航空航天大学以及中国空间技术研究院等[3-6]。
本文针对充气展开密封舱体对于空间碎片的防护需求，基于多层冲击结构设计了充气展开密封结构的柔性空间碎片防护层，利用国产的玄武岩织物和芳纶织物代替Nextel陶瓷纤维和Kavlar高强度纤维，代入弹道极限方程，计算出了空间碎片柔性防护层的各设计参数，并利用试验结果对空间碎片防护层的设计进行了检验。试验结果表明，柔性多层冲击空间碎片防护结构及其弹道极限方程可作为充气舱室对空间碎片防护结构的设计参考。
1 多层冲击防护结构
现在常用的Whipple防护结构是在主结构前一定距离上布置单层缓冲层。Whipple防护结构构型简单，制造安装方便，但对弹丸形状比较敏感。而在国际空间站上使用的填充式防护结构主要是在最外层铝缓冲屏与后墙之间填充Nextel陶瓷纤维以及Kavlar高强度纤维组成的复合材料层。
多层冲击防护结构主要是指由多层Nextel陶瓷纤维层构成缓冲屏的防护结构，如图1所示。和传统的铝缓冲屏相比，陶瓷纤维缓冲屏可以在粒子内产生更强烈的冲击压力，从而更充分地破碎弹丸;而且Nextel陶瓷纤维本身形成的碎片非常小，几乎没有反溅效应。
2 弹道极限方程
根据Eric L. Cheristiansen等人[7-9]的研究成果，当入射角为90°时，柔性多层冲击防护结构的弹道极限方程可以表示为： Vn>6.4 km/s时：
柔性多层冲击空间碎片防护结构设计与试验
