飞矛清除空间碎片过程中的侵彻分析

王 丹 ，邱兴浩

（沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110623）

0 引言

在苏联1957年发射第一颗卫星之后，人类便进入了太空时代，地球轨道空间已经成为人类探索研究的一个重要领域。半个世纪以来，人类已进行了超过5 000次的空间发射活动，发射入轨的航天器有6 000多个，总量超过3万t[1]。除了巨大数量的空间碎片对在轨有人和无人航天器构成显见的威胁以外，还存在一种潜在的不受控制的连锁碰撞反应，通常被称为“凯斯勒效应（Kessler Syndrome）”。Kessler指出，在未来，近地轨道空间碎片的浓度可能会达到一个临界水平，这将会产生一种级联效应，其中一些主要的碰撞可能导致大宗碎片群的发展[2-3]。

空间碎片种类丰富多样，包括失效的有效载荷、运营碎片、解体碎片和微粒物质等[4-5]，其尺寸也横跨多个数量级，从微米到米不等。这些空间碎片对航天器造成的危害也是多种多样的，主要包括以下几个方面[6]：表面性能的改变、撞击形成凹坑、等离子体云效应、动量传递、表面穿孔、容器破裂和结构碎裂等。统计模型预测，目前在轨的直径大于10 cm的大碎片的数量约为34 000个，直径在1 cm～10 cm之间的中等碎片的数量约为90万个，直径在1 mm～1 cm之间的小碎片的数量则超过1.2亿个[7]。空间碎片对航天器的直接危害来自其超高的速度，一个厘米级尺寸大小的空间碎片，看似不起眼，但在地球外太空轨道上能达到7.5 km/s的速度，在与高速运动的航天器碰撞的过程中，能产生巨大的动能，这足以摧毁整个卫星[8-9]。近年来，各个主要的航天国家纷纷意识到空间碎片对空间活动的切实威胁，仅仅依赖空间碎片自然衰减或者采取空间碎片减缓措施是远远不够的，因此主动进行空间碎片清除任务是必要且迫切的[10]。

1 侵彻分析

为了验证飞矛穿透目标靶板的性能，分别对不同入射角度的飞矛侵彻靶板的过程用ANSYS Workbench软件中的Explicit Dynamics模块进行显式动力学仿真模拟。用软件显式动力学模块对三维模型进行网格划分，靶体模型设定为正方体，材料选用牌号2024-T4的铝合金，考虑计算结果的准确性以及网格划分粗细程度对仿真时长的影响，选择在靶体中心半径为20 mm的球形区域内更加密集地划分网格，区域外侧则比较稀疏地划分网格，同时加快计算速度。为保证飞矛侵彻靶板过程中靶板位置不发生偏移，在靶板四周添加固定约束。飞矛本体与靶板之间采用侵彻接触，由于飞矛在飞行过程中可能会受到未知环境因素的影响，在与目标靶体接触时不一定能达到理想的垂直侵彻状态，而入射角度又会影响飞矛的侵彻能力，本文针对飞矛在入射角为30°、45°、60°和垂直四种状态下进行侵彻仿真。在以上假设情况下建立侵彻有限元模型。

倾斜侵彻是飞矛撞击目标靶体时不可避免会出现的一种运动状态，飞矛在撞击前的飞行过程中由于受复杂空间环境的影响，可能会产生一定的偏斜角度，这种情况下飞矛在穿透目标靶板时会产生不对称阻力，从而在侵彻过程中产生偏差，靶体材料参数如表1所示，仿真结果如图1所示。

表1 靶体材料参数表

仿真过程中，所有飞矛采用统一初速度，从仿真结果可以看出，飞矛侵彻靶板之后，靶板会发生不同程度的形变，形变程度由飞矛撞击靶板位置向边缘递减，碰撞中心区域靶板发生穿孔形变。随着飞矛入射角度的增加，飞矛对靶板的侵彻效果越来越弱，但在一定范围内，飞矛仍可以穿透靶板。如图1所示，当入射角为30°时，飞矛穿入靶板之后位置相对而言发生较大变化；入射角继续增大，对比图1（b）和（c），入射角为45°时，靶板穿孔变形大于入射角为60°时的变形，可以推测当入射角继续增大，飞矛将不能侵彻穿入靶板，飞矛碰到靶板之后会被弹开，即发生跳弹现象；但当飞矛垂直侵彻靶板时，飞矛轨迹几乎是一条直线，侵彻穿入的深度也最大。

图1 不同入射角飞矛侵彻靶板变形云图

2 飞矛发射装置的结构设计

在设计发射结构时，考虑到是进行发射原理验证，结构要简单紧凑可靠，且飞矛发射过程中要尽可能减少能量消耗，因此选择弹簧作为动力来源，飞矛尖端采用高强度材料，发射机体和套筒选用耐磨材料，整体装置能够重复使用。其各部分结构如图2所示，每个序号对应的零件名称如下：1为飞矛；2为直线轴承；3为套筒；4为动力弹簧；5为前支架；6为发射机体；7为后支架；8为螺旋传动机构。

该装置的工作原理为：飞矛发射装置采用的动力源为一根圆柱压缩螺旋弹簧，发射机体是连接弹丸与后部的弹簧的中间装置。在发射时，弹簧推动发射机体向前运动，同时发射机体推动飞矛向前运动。外部套筒前端安装直线轴承，轴承内安装飞矛，这样可以减少因摩擦产生的能量损失；套筒后端内安装发射机体与弹簧，为其提供导轨作用。发射机体中间的通孔穿入尼龙线绳通过弹簧内部与安装在尾部的螺旋传动机构相连，当尾部的螺旋传动机构转动，尼龙绳带动发射机体压缩弹簧，当转到预定位置后，断开尼龙绳，释放弹簧，从而将飞矛发射出去。飞矛装置整体实物图如图3所示。

图2 飞矛装置整体结构示意图

图3 飞矛装置结构实物图

对飞矛装置进行测试，实验对各部分功能进行了验证。发现对于飞矛发射过程中摩擦力带来的能量损失，通过直线轴承可以减少；传动机构也能实现带动发射机体来压缩弹簧的功能。释放弹簧后飞矛成功发射，实验结果表明装置完成了发射原理验证。

3 结论

本研究针对飞矛侵彻空间碎片进行了仿真分析，并对如何发射飞矛进行了原理验证。在相同撞击速度的条件下，飞矛垂直侵彻靶板的深度大于倾斜侵彻的深度，且倾斜的角度越大，飞矛越难侵彻靶板，所以要使飞矛有效地侵彻靶板，应尽量减小侵彻时的入射角度；设计的飞矛发射装置能成功发射飞矛，这为后续飞矛装置的设计奠定了基础。