相关地面撞击试验的优化与改进

ESA利用二级轻气炮针对欧洲新型太阳能电池阵的失效模式开展了地面模拟试验研究，分析了撞击失效的阈值，研究了撞击产生等离子体的程度及其云团扩展对电池阵性能的影响。此外，针对电缆束、电子设备单元、流体管路等易损航天器部件开展了超高速撞击损伤特性试验研究。在试验中，电缆束处于加电状态；电子设备单元处于工作状态，内含处理单元和内存芯片；流体管路处于受压状态。

ASI下属的意大利帕多瓦大学利用地面加速设备开展了空间碎片超高速正/斜撞击太阳能硅电池、铝合金板、卫星表面隔热多层反溅特性地面模拟试验研究，并采用Autodyn软件进行了数值模拟，最终获取反溅碎片的分布特性。在该系列试验的所有工况中，靶板结构有三种，分别为厚度为3～10 mm的Al-6082-T6板、厚度为3 mm的Al-6082-T6表面覆盖隔热材料的复合靶板、太阳能硅电池单元；试验弹丸直径有1.0 mm、1.5 mm、2.3 mm三种，撞击角度包含0°、45°、60°、80°四种，撞击速度有4.0～4.5 km/s及5.0～5.5 km/s两个区段；试验采用的观察板为2 mm厚的铜板。图6-6显示了部分正撞击、斜撞击试验中观察板上撞击坑的分布。

图6-6　观察板上的撞击坑（见彩插）

另外，德国EMI利用试验与数值仿真方法对大尺寸碎片碰撞整体卫星所生成碎片的分布规律进行了初步研究^[2]，初步量化了碰撞产生碎片的尺寸、位置分布。试验中，撞击弹丸为铝柱，其长度与横截面直径均为12 mm，撞击速度为1.9 km/s；试验靶为参照CubeSat卫星的铝架结构，尺寸为10 cm×10 cm×10 cm，弹体撞击靶的方位有沿边缘撞击、沿边角撞击、沿侧面撞击3种，同时，利用EMI编译的SOPHIA软件对模拟卫星的撞击试验进行了仿真计算，并与实际撞击试验进行了对比分析，如图6-7所示。

美国Dayton大学对不同形状弹丸超高速撞击形成的碎片云特性进行了试验研究，如图6-8所示。结果显示，弹丸形状和撞击角度对于弹丸破碎及碎片云分散特性具有重要影响。非球形弹丸更容易在边缘产生一个或者更多的大尺寸碎片，使得碎片云对后板造成严重威胁。柱形弹丸倾斜时，对后板的破坏能力增强。当倾斜角约为45°时，这种破坏能力最强。圆盘状弹丸形成的碎片云内部有一个类柱状结构，由弹丸和防护屏材料共同构成。随着碎片云的运动，中间柱状结构几乎不发生扩散，形状变化不大，所以对防护间距不敏感，后板的破坏主要来自碎片云中间的柱状部分。

图6-7　地面撞击试验与数值仿真结果对比（见彩插）(www.xing528.com)

图6-8　不同形状弹丸超高速撞击形成碎片云形状

（a）短圆柱；（b）圆盘；（c）长圆柱；（d）球形

2003年“哥伦比亚号”航天飞机失事，NASA约翰逊空间中心防护分析部门研究了多种可能引起失效的危险源，其中之一就是空间碎片撞击失效。调查报告中明确指出，当前风险评估模型缺乏对非球形弹丸撞击损伤评价的能力，导致在轨航天器存在不确定风险。最终，防护分析部门强烈要求在未来空间碎片风险评估模型中建立与弹丸形状相关的参数，从而实现对形状效应损伤特性的预测。