防护结构设计和改进措施的优化方法

航天器被动防护结构中，后墙要求具有较高的抵抗碎片穿透及脉冲载荷撞击的能力，但后墙作为航天器舱体或部件/分系统，主要由航天器总体设计要求决定，改进余地不大。防护结构间距要求适中，如果过小，防护能力得不到充分发挥；间距过大会使空间受到限制，还会增加附加结构的质量，并且不能使防护能力有明显提高。防护性能优良的缓冲屏应该对弹丸具有良好的破碎、熔化或气化能力，具有高强度质量比，自身产生的碎片对后墙破坏威胁小，使碎片云有大的扩散角^[3]。由以上分析可以看出，只有防护屏的改进潜力最大。通过上文对各类防护结构的分析，对提高防护性能有如下措施：

（1）在连续缓冲屏前增加网状缓冲屏，以有效提高对弹丸的破碎能力，并增大碎片云的扩散面。此外，网丝自身受撞击产生的二次碎屑尺寸较小，可减少对后墙的破坏。

（2）增加泡沫铝缓冲屏。泡沫铝缓冲屏具有良好的弹道特性，可以极大地提高弹丸碎片的融化程度及扩散角度。

（3）选用高纤维的防护材料。选用弹性模量高、强度质量比大的纤维材料可以有效提高防护结构的防护性能，并且受弹丸撞击产生的二次碎屑尺寸小，对后墙的破坏也会较小。

（4）使后墙材料与防护结构相匹配。在允许的情况下，应该将后墙材料进行适当调整，使其与所选的防护结构相匹配。比如对于小间距的Whipple防护结构，后墙的主要破坏形式为层裂破坏，此情况下后墙可以增加防层裂内衬，或者选用蜂窝板、层压板等抗层裂材料作为后墙。

（5）对后墙进行相关处理。对后墙进行纹理加工，可以在一定程度上防止层裂的发生。

（6）适当增加防护结构的总间距。一般在弹丸高速碰撞时，防护机构的防护能力会随结构的总间距增加而增大，但是也会造成质量的增加，故需要使用优化技术进行综合设计与考虑。(www.xing528.com)

在航天器的主动防护机构设计中，要求主动防护机构具有快速布置展开及可回收再展开能力，因此，在机构设计中，对柔性防护层材料的选择设计、折叠机构的设计、快速充气机构设计等需要综合考虑。首先，柔性气囊织物决定充气结构能否迅速膨胀展开而不发生破裂、能否承受快速充气展开时的巨大压强，以及在碎片入射瞬间，使弹丸破碎而自身不发生爆炸，要求防护层材料必须具备足够的强度，同时也要易于折叠和缝纫。此外，柔性防护层的折叠与展开结构也需要特殊设计，使得充气结构能按工程需求快速可靠展开，并且也能可靠回收。最后，主动防护系统能否快速展开，充气机构的设计至关重要，需要综合考虑充气结构的气体质量、气体源、输出压力等因素，在保证快速充气的同时，还具有较小的体积，以及稳定可靠，不会发生漏气、炸裂等情况。

【注释】

[1]李明.空间碎片环境治理前沿与展望[C].第十届全国空间碎片学术交流会，2019.

[2]韩增尧，蔡震波，刘正山.航天器空间环境效应的若干问题[C].第十四届全国物理力学学术会议.

[3]袁俊刚，曲广吉，闫军.空间碎片防护结构设计技术研究进展[C].2007全国结构动力学学术研讨会.