美国可靠性工程实践之微流星体防护

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多层隔离毡阻止航天器关键分系统损伤的效率取决于以下几个方面:

a.毡的材料、位置和层数;

b.流星体质量、碰撞速度、密度和碰撞角度;

c.被碰撞的结构材料、厚度、温度、应力大小,以及构成结构与分系统封装板的层数与间隔。多层隔离层的密度与一张薄纸相似但却能阻止大部分碰撞是因为一般的微流星体质量非常小。

由于多层隔离毡性能的确定首先要满足热控的要求,而流星体屏蔽只是次要的用途,所以用于流星体防护的多层隔离的技术要求通常并不总能实现。唯一的例外是专门在Cassini航天器上使用的屏蔽火箭喷管某些组件的多层隔离膜。尽管如此,一计划将航天器多层隔离与航天器结构进行综合设计,以提供最优的流星体防护。提供微流星体防护的多层隔离的主要设计变量是毡与结构间隔距离。

模拟和地面试验证明随着毡与航天器结构表面之间距离的增加,微流星体损伤航天器的可能性将减小。这主要是由于流星抛射体和防护层碎片随着距离增加扩散得更为稀疏。碰撞密集的地方将导致接近抛射体源头质量碎片对该处的刺穿,碎片的扩散将导致稀疏分离的凹坑、凸起或孔。穿透方程式可从建模以及用粒子加速器进行的试验中得到。此式可用于计算任何一个给定表面上导致失效(即穿透)所需的临界流星体质量(mc);有不同的分离方程式用于单面(例如航天器壁和附装的屏蔽层)和双面(例如航天器壁和毡之间的间隔)的情况。公式1用于计算对于几何形状为单面的流星体的临界穿透质量mc(以克为单位)。

公式2用于计算双面结构即膜屏蔽了航天器的结构(例如推进剂贮箱)或组件(例如沿着航天器支架上的电缆)的外部。

式2证明:随着毡与被屏蔽表面之间间隔的增加,流星体临界质量也随之增大,且失效率降低。例如,当应用于对火星探测器推进剂贮箱的检测时,式2表明在给出流星体流量的预计值情况下,每个贮箱表面和多层隔离毡之间5cm的间隔将使每个贮箱在任务期间的失效率降低6%。这意味着推进剂贮箱1的失效率将低于在无间隔情况下的30%,同理,贮箱2的失效率也将低于25%。图3描述了毡与贮箱壁之间的间距对MGS贮箱成功率的影响。

上述公式的适用性受到现有数据的限制。实践证明这些关于微流星体质量和速度的公式与航天器各任务时期情况基本相似。它们提供的最可信的穿透估计量是在0-10km/s速度范围内的。对于更高一些的碰撞速度还缺乏试验的充分验证,但这些公式已经应用于超过10km/s速度的计算。尽管如此,对于超过7km/s的碰撞速度,现有数据仍不足信。JPL目前正在致力于扩展穿透公式的适用范围于更高的速度,他们相信微流星体防护将会做得更好。

图3从发射到任务结束,毡与贮箱壁之间的间距为0、2.5和5cm时,MGS贮箱的成功率

4、技术依据:流星体能够穿透航天器表面层这一点已经被流星探测卫星和其它近地的航天器广泛地验证。可以推想,行星际微流星体也能毁坏航天器。近地和行星际空间特别是在火星与木星之间的小行星带状区域的流星体环境模型在不断地进行修正。尽管如此,由于流星体流量的绝大部分具有不规则分布,所以用统计学模型来确定航天器与一个给定临界质量的流星体碰撞的概率。流星体的破坏力取决于它的质量、速度、密度和碰撞角度。被碰撞结构的物理反应取决于材料、厚度、温度、应力量级和组成结构内的板(包括屏蔽层)的数日和间距。基于对可以导致失效的碰撞数据的计算和微流星体流量的模型,可以估算出损害程度,并且采用相应的设计或运行措施。

5、不使用该方法的后果:对航天器和任务设计如果不采取微流星体防护措施将会增加航天器遭受重大损伤的危险,特别是在流星体高流量区域和易受损伤的任务阶段。由于行星际飞行时实际的流星体损害数据的缺乏使得微流星体防护要求很难得到验证。尽管如此,在技术和经济制约条件下采用微流星体防护措施仍是谨慎的设计途径。

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