[发明专利]应用于低轨载人航天器的M/OD防护方法

说明书

本发明涉及应用于低轨载人航天器的M/OD防护方法，包括：(a)确定航天器用M/OD防护结构和防护材料；(b)根据包络及防护重量限制要求，确定航天器各舱段M/OD防护方案；(c)航天器在轨M/OD理论撞击失效风险仿真分析，初判指标满足情况；(d)进行防护结构和防护材料的超高速撞击试验，获得弹道极限方程；(e)根据试验得到的弹道极限方程修正撞击失效风险仿真分析结果；(f)评价防护方案的PNP指标及重量指标满足情况；(g)确定最终防护方案。本发明可以保障航天器10年在轨寿命；采用新防护方案，利用辐射器兼作防护板的基础上，在其中填加复合材料填充层，减少资源浪费；有效利用包络空间，节约重量，防护效果大大提高。

技术领域

本发明涉及应用于低轨载人航天器的M/OD防护方法。

背景技术

随着载人航天的快速发展，低轨载人航天器长期在轨运行，航天员在轨中长期驻留成为载人航天器发展的必然方向。

载人航天器运行在低轨近圆轨道，其设备需适应太阳辐射、大气、地球磁场、失重、真空、高能带电粒子、电离层、微流星体及空间碎片等空间环境，相应要求开展单机设备的空间环境适应性设计与验证。此外，低轨载人航天器长期在轨运行及航天员中长期驻留所需要的资源类配置，如空气、推进剂、环热控的内外回路工质、氧气、食物等都需要满足长期在轨飞行的要求。同时，低轨载人航天器平台功能要进行冗余或故障重构等长寿命措施设计，满足“一度故障工作，二度故障安全”的要求，提高长期在轨飞行期间的可靠性。

自阿波罗探月计划启动开始，美国便开始了微流星体防护问题的研究，随着航天探索规模的日益扩大，空间碎片环境逐渐变得恶劣，航天器防护结构设计研究已成为刻不容缓的研究主题。微流星体及空间碎片(M/OD，Meteoroid/Orbital Debris)防护技术是一项多学科交叉综合的大型系统工程，美国从国际航天器(ISS)设计一开始就非常重视M/OD防护问题，并成立了专门的管理机构，负责ISS的M/OD环境模型建立、风险评估、地面试验、防护设计及仿真评价等相关事务。在ISS设计任务书给出的风险排名中，M/OD撞击风险列前15位；在ISS安全办公室独立给出的风险排名中，M/OD撞击风险列第6位。

国际航天器各舱的M/OD防护方案主要是应用先进填充式Whipple防护结构来满足长期在轨要求。例如，哥伦布舱微流星体和空间碎片防护系统由81块两种不同类型的防护板组成，分别是单板和双板，单板为1.6mm厚的铝板，主要用于舱段侧面和内锥；双板由2.5mm厚的铝板和18层树脂增强Kevlar和4层Nextel，铝板与填充层之间几厘米的间距，主要用于舱段正面和外锥。美国通用实验舱(CM)柱段采用了与舱壁间距为10.7cm的2mm厚Al6061T6板进行防护，并将处在飞行方向正面的锥段防护间距增加至22.2cm，而对于柱段侧面空间碎片高风险区则采用了更为先进的填充式Whipple防护结构。

航天器作为长期在轨运行的大规模舱体载人航天器，将在350～400km的近地轨道运行10年以上。这种载人航天器的研制工作分为飞行验证阶段，建造阶段和长期运营阶段，进入长期运营阶段。采用2人长期驻留为主，3人长期为辅的驻留方式，至少需要货运飞船和载人飞船共38艘。在此阶段，航天器必然会面临碎片撞击风险，简单延用前期型号的经验方法已不能满足航天器长期在轨PNP指标要求，直接采用现有的M/OD防护方法又受到材料和防护重量的限制，需要重新研究适用于航天器的新型防护方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于低轨载人航天器的M/OD防护方法，解决由于长期在轨载人航天器受到空间M/OD碰撞损害而影响航天员安全及航天器在轨寿命的问题。

为实现上述发明目的，本发明提供应用于低轨载人航天器的M/OD防护方法，包括：

(a)确定航天器用M/OD防护结构和防护材料；

(b)根据包络及防护重量限制要求，确定航天器各舱段M/OD防护方案；