CN109455315B - 一种空间碎片及弹丸拦阻防护装置及系统 - Google Patents

Abstract

一种空间碎片及弹丸拦阻防护系统，包括空间碎片及弹丸拦阻防护装置和充气装置，所述充气装置用于对空间碎片及弹丸拦阻防护装置的充气管进行充气；所述空间碎片及弹丸拦阻防护装置包括前屏、中屏、后屏和充气管；所述前屏、中屏和后屏均采用玄武岩纤维布和芳纶纤维布制成；所述前屏、中屏和后屏分别与充气管连接；所述充气管在充气后使前屏、中屏和后屏均展开。本发明采用柔性可展开拦阻防护装置，占用飞行器的体积重量小，既可以根据使用需要灵活展开应用，又可以配合柔性可展开舱体的工作过程实现展开防护功能，满足空间碎片及弹丸防护应用需求。

Description

一种空间碎片及弹丸拦阻防护装置及系统

技术领域

本发明涉及一种空间碎片及弹丸拦阻防护装置及系统，属于空间飞行器被动防护与安全领域。

背景技术

为提高空间飞行器的安全和生存能力，必须增加空间飞行器的碰撞防护能力，抵挡空间碎片及弹丸的碰撞。目前，高价值的卫星、飞船、空间站等空间飞行器基本都配置了碎片、弹丸碰撞防护结构。

当前空间飞行器碰撞防护技术还是以传统的Whipple刚性防护结构技术为主。Whipple防护构型是空间碎片和弹丸防护方案的最基本形式，Whipple防护结构由两层铝合金防护屏组成，两层防护屏保持一定距离，使入射的空间碎片和弹丸的撞击动能在碰撞Whipple防护屏后被部分吸收和高度分散，从而实现对航天器舱壁的有效防护。在Whipple防护方案基础上，又发展了多种改进的Whipple防护方案，如波纹屏Whipple防护方案、加强肋Whipple防护方案、多层冲击防护方案以及铝网双层缓冲防护方案等，都是刚性防护结构。

刚性防护结构的缺点是占用空间的体积和重量大，在飞行器上的安装位置固定，无法灵活配置。此外，对于大型空间柔性充气压力舱等空间结构，在发射时折叠包装，入轨后充气展开，无法采用刚性防护结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间碎片及弹丸拦阻防护装置及系统，采用柔性可展开拦阻防护装置，占用飞行器的体积重量小，既可以根据使用需要灵活展开应用，又可以配合柔性可展开舱体的工作过程实现展开防护功能，满足空间碎片及弹丸防护应用需求。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种空间碎片及弹丸拦阻防护装置，包括柔性防护屏和充气管；

所述柔性防护屏采用玄武岩纤维布和芳纶纤维布制成；所述柔性防护屏与充气管连接；所述充气管在充气后使柔性防护屏展开。

上述空间碎片及弹丸拦阻防护装置，所述柔性防护屏包括前屏、中屏、后屏；

所述前屏、中屏和后屏均采用玄武岩纤维布和芳纶纤维布制成；所述前屏、中屏和后屏分别与充气管连接；所述充气管在充气后使前屏、中屏和后屏均展开。

上述空间碎片及弹丸拦阻防护装置，所述前屏采用至少两层玄武岩纤维布和至少一层芳纶纤维布；所述中屏采用至少两层玄武岩纤维布和至少七层芳纶纤维布；所述后屏采用至少两层玄武岩纤维布和至少五层芳纶纤维布。

上述空间碎片及弹丸拦阻防护装置，所述前屏、中屏和后屏均展开后，前屏与中屏的间距不小于50cm，中屏与后屏的间距不小于30cm。

上述空间碎片及弹丸拦阻防护装置，所述前屏、中屏和后屏均由玄武岩纤维布和芳纶纤维布层叠制成，其中芳纶纤维布位于层叠的中间，玄武岩纤维布位于层叠的两个表面。

上述空间碎片及弹丸拦阻防护装置，所述充气管为层合的铝薄膜结构。

上述空间碎片及弹丸拦阻防护装置，所述充气管采用聚酰亚胺薄膜和铝薄膜层叠制成。

上述空间碎片及弹丸拦阻防护装置，所述空间碎片及弹丸拦阻防护装置能够拦阻动能不大于1800J且最大外形尺寸不大于4mm的空间碎片或弹丸。

上述空间碎片及弹丸拦阻防护装置，所述空间碎片及弹丸拦阻防护装置能够在-60℃～60℃的环境下工作。

一种空间碎片及弹丸拦阻防护系统，包括空间碎片及弹丸拦阻防护装置和充气装置，所述充气装置用于对空间碎片及弹丸拦阻防护装置的充气管进行充气；

所述空间碎片及弹丸拦阻防护装置包括前屏、中屏、后屏和充气管；

所述前屏、中屏和后屏均采用玄武岩纤维布和芳纶纤维布制成；所述前屏、中屏和后屏分别与充气管连接；所述充气管在充气后使前屏、中屏和后屏均展开。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明在同等质量下，撞击防护效果较等面密度Whipple防护结构提高40％以上，可以取代传统Whipple防护结构；

(2)本发明具有发射封装体积重量小、展开防护面积大、应用灵活方便的特点，可以为多种不同的航天器提供可靠的空间碎片及弹丸冲击防护；

(3)本发明可以根据不同卫星及航天器的构型与轨道运行特点，对防护屏间距参数进行调节，可以获得最优保护效果；

(4)本发明适用于空间柔性展开充气舱体的碎片及弹丸碰撞防护，为充气式空间舱体提供可靠保护，保障人员安全；

(5)高价值航天器可以携带多个本发明柔性可展开拦阻防护装置，不断用新的防护装置替换损伤的防护装置，有效延长了防护装置的保护使用期限；

(6)本发明使用方式灵活方便。柔性可展开拦阻防护装置可以根据需要布置在航天器的任意位置，安装接口简单，极大增强了航天器的碰撞安全防卫能力；

(7)本发明在发射时包装体积小，重量轻，节省宝贵的运载资源。

附图说明

图1为本发明空间碎片及弹丸拦阻防护装置的展开示意图；

图2为本发明前屏或中屏或后屏的组成示意图；

图3为本发明空间碎片及弹丸拦阻防护装置折叠后示意图；

图4为本发明的充气装置组成示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种空间碎片及弹丸拦阻防护系统，包括空间碎片及弹丸拦阻防护装置和充气装置，所述充气装置用于对空间碎片及弹丸拦阻防护装置的充气管进行充气。

所述空间碎片及弹丸拦阻防护装置包括柔性防护屏和充气管，所述柔性防护屏包括前屏、中屏、后屏，如图1所示。所述前屏、中屏和后屏均由玄武岩纤维布和芳纶纤维布层叠制成，如图2所示，各层纤维布之间采用粘接或缝合连接，其中芳纶纤维布位于层叠的中间，玄武岩纤维布位于层叠的两个表面。所述前屏采用至少两层玄武岩纤维布和至少一层芳纶纤维布；所述中屏采用至少两层玄武岩纤维布和至少七层芳纶纤维布；所述后屏采用至少两层玄武岩纤维布和至少五层芳纶纤维布。

所述前屏、中屏和后屏分别与充气管连接；所述充气管在充气后使前屏、中屏和后屏均展开。所述前屏、中屏和后屏均展开后，前屏与中屏的间距不小于50cm，中屏与后屏的间距不小于30cm。所述充气管为层合的铝薄膜结构，采用聚酰亚胺薄膜和铝薄膜层叠制成。空间碎片及弹丸拦阻防护装置展开前的折叠状态如图3所示。充气装置的出气孔与充气管连接，充气装置如图4所示。

所述空间碎片及弹丸拦阻防护装置能够拦阻动能不大于1800J且最大外形尺寸不大于4mm的空间碎片或弹丸。所述空间碎片及弹丸拦阻防护装置能够在-60℃～60℃的环境下工作。

实施例：

一种空间碎片及弹丸拦阻防护系统，涉及可为在轨高价值航天器提供灵活可靠的空间碎片及弹丸碰撞防护。其具体包括柔性防护屏(含前屏、中屏、后屏)、可刚化充气管和充气装置，柔性防护屏通过充气管固定空间位置，并与航天器固连。柔性防护屏各层均由玄武岩纤维布与芳纶纤维布材料按一定顺序排列组成，玄武岩纤维布位于两侧，芳纶纤维布位于中间。充气管材料选用聚酰亚胺和铝薄膜层叠结构，两侧为聚酰亚胺薄膜，中间为铝薄膜，充气管具有展开后刚化功能，充气管自设折痕，便于展开前的折叠。充气装置由气瓶、阀门和管路组成，承担充气展开的功能。该防护装置安装在航天器特定部位，在发射阶段呈包装状态，入轨到达预定点后，装置解锁，充气装置给柔性充气管充气，充气管展开，同时将防护屏展开并支撑到预定位置，充气装置提供的最大气压为10Kpa，充气管随后刚化，使整个结构保持一定刚度，从而达到工作防护状态。

该装置用于空间飞行器在轨碎片及弹丸的高速碰撞防护，保证空间飞行器结构安全。

空间碎片及弹丸拦阻防护装置由柔性防护屏、可刚化充气管和充气装置组成。根据防护使用需要设置柔性防护屏排列及层间距；柔性防护屏通过周围可刚化充气管固定，保证柔性防护屏之间的距离以及防护装置与空间飞行器的位置关系；充气装置提供充气管刚化成形所需初始动力。

柔性防护屏由前屏、中屏和后屏组成，各层防护屏结构均由数层玄武岩纤维布与芳纶纤维布材料按一定顺序排列组成。前屏主要起到分化能量分布的作用，中屏主要承担动能衰减拦阻的功能，后屏提供最终的拦阻防护功能。柔性防护屏的材料组成和层间距等结构参数，需要根据需防护碎片的动能与柔性防护结构的撞击极限方程进行设计。

在大量的实验数据分析和数值仿真分析的基础上，国外已经建立了多种刚性防护结构的撞击极限方程。而柔性防护屏在高速碰撞过程中的机理和计算较为复杂，需要通过工程计算-仿真分析-模拟试验来进行迭代验证。以典型玄武岩纤维布和芳纶纤维布为防护结构的撞击极限方程和曲线作为参考依据，以弹丸动能作为输入条件，初步计算柔性防护屏的分层布局结构。然后通过数值仿真分析，确定合适的参数设计方案。最后通过模拟高速撞击试验结果得到柔性防护结构的撞击极限方程。

可刚化充气管包括4根，位于柔性防护屏的四角。充气管材料采用层合的铝薄膜结构(具体为聚酰亚胺/Al/聚酰亚胺)，采用粘接工艺成型，具有折叠展开与刚化功能。当在外力的作用下达到铝薄膜的屈服点后，聚酰亚胺薄膜和铝薄膜将会被强化，这样刚度将会得到一定的增强。同时该种材料还有较好的环境适应性，适合在空间环境下使用。

充气装置采用落压式方案，通过小孔限流方式控制气体的瞬时流量，工作介质为氮气。整体充气装置包括气瓶、电爆阀、充气阀、流量控制器。

空间碎片及弹丸拦阻防护装置工作原理：充气装置工作所需高压气体被预先充注在气瓶内，空间碎片及弹丸拦阻防护装置在发射阶段呈包装状态贮存在舱中。入轨到达预定点后，控制系统给电爆管通电，打开电爆阀，充气管不断充气，直至完全展开，同时将柔性防护屏展开并支撑到预定位置，充气管随后刚化，使整个结构保持一定刚度，从而达到工作防护状态。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种空间碎片及弹丸拦阻防护装置，其特征在于：包括柔性防护屏和充气管；

所述柔性防护屏采用玄武岩纤维布和芳纶纤维布制成；所述柔性防护屏与充气管连接；所述充气管在充气后使柔性防护屏展开；

所述柔性防护屏包括前屏、中屏、后屏；

所述前屏、中屏和后屏均采用玄武岩纤维布和芳纶纤维布制成；所述前屏、中屏和后屏分别与充气管连接；所述充气管在充气后使前屏、中屏和后屏均展开；

所述前屏、中屏和后屏均由玄武岩纤维布和芳纶纤维布层叠制成，其中芳纶纤维布位于层叠的中间，玄武岩纤维布位于层叠的两个表面；

所述前屏、中屏和后屏均展开后，前屏与中屏的间距不小于50cm，中屏与后屏的间距不小于30cm；前屏用于分化能量，中屏用于动能衰减拦阻，后屏用于拦阻防护；

所述前屏采用至少两层玄武岩纤维布和至少一层芳纶纤维布；所述中屏采用至少两层玄武岩纤维布和至少七层芳纶纤维布；所述后屏采用至少两层玄武岩纤维布和至少五层芳纶纤维布；

所述充气管为层合的铝薄膜结构；所述充气管采用聚酰亚胺薄膜和铝薄膜层叠制成；

所述空间碎片及弹丸拦阻防护装置能够在-60℃～60℃的环境下工作；

所述空间碎片及弹丸拦阻防护装置能够拦阻动能不大于1800J且最大外形尺寸不大于4mm的空间碎片或弹丸。

2.一种空间碎片及弹丸拦阻防护系统，其特征在于：包括权利要求1所述的空间碎片及弹丸拦阻防护装置和充气装置，所述充气装置用于对空间碎片及弹丸拦阻防护装置的充气管进行充气；

所述空间碎片及弹丸拦阻防护装置包括前屏、中屏、后屏和充气管；

所述前屏、中屏和后屏均采用玄武岩纤维布和芳纶纤维布制成；所述前屏、中屏和后屏分别与充气管连接；所述充气管在充气后使前屏、中屏和后屏均展开；

所述前屏、中屏和后屏均由玄武岩纤维布和芳纶纤维布层叠制成，其中芳纶纤维布位于层叠的中间，玄武岩纤维布位于层叠的两个表面。

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