郑世贵,张帅,宫伟伟

(中国空间技术研究院总体部,北京100094)

1 引言

作为空间碎片防护成果集大成者的国际空间站,采用了Whipple和填充式防护结构,填充式防护结构用于高风险区,Whipple用于其它区域,超高速撞击试验表明最大可以抵御1.35cm直径的铝弹丸撞击,依据试验结果建立了撞击极限方程,风险评估表明,单舱非击穿概率PNP(Probability of No Penetration)达到0.98以上,整体PNP 达到0.81[1～4]。

我国空间站作为中国正在研制的大型长寿命载人航天器,由三个主要舱段在轨对接组装形成,其在轨寿命将达到10年以上,期间还会进行多次货运飞船、载人飞船的交会对接组合飞行。空间站运行在高度为400km左右的轨道上,空间碎片环境恶劣,其遭受空间碎片撞击而失效的风险远远超过之前中国的任一航天器[5～6]。风险评估表明,如果不采取任何防护措施,空间站的PNP几乎为零;而全部采用 Whipple防护,其PNP仅为0.3左右,因此必须采用先进防护结构进行空间碎片防护才能达到防护要求。

根据空间站的功能要求以及重量、空间等约束,设计有三类填充式防护构型。针对三类填充式防护结构开展了超高速撞击试验,获取了0°3.1km/s、30°3.1km/s、 0°6.4km/s、 30°6.4km/s 四类状态的撞击极限。并建立了三类填充式防护结构的撞击极限方程,为后续空间站的空间碎片风险评估奠定了基础。

2 填充式防护构型

空间站采用的填充式防护构型如图1所示。图中V是弹丸速度,S为缓冲屏与舱壁的间距,S1是缓冲屏与填充层的间距,S2是填充层与舱壁的间距。

图1 填充式防护构型图Fig.1 The stuffed Whipple structure