3-8、高性能空间碎片防护材料的多尺度高通量研究进展

龚自正

中国空间技术研究院，北京卫星环境工程研究所，

可靠性与环境工程技术国防科技重点实验室，北京 100094

摘要:从1957年第一颗人造地球卫星升空以来, 截至2016年底, 人类共进行了近5000余次航天器发射活动, 把6700余颗航天器送入地球轨道, 在所有发射的航天器中只有近1400个航天器在有效服役, 而其他航天器因丧失功能而变成了空间垃圾. 同时, 已发生过260余次在轨航天器或火箭解体/爆炸/撞击(破碎)事件, 产生了数量众多的太空垃圾, 形成了唯一一个人为的外层空间环境—空间碎片环境。

截至2018年9月底, 美国空间监测网(US Space Surveillance Network, SSN)在地球轨道已经跟踪到42000个空间物体, 空间碎片的总质量达到了7400 t。地球轨道中尺度在10 cm以上的空间碎片数量已达23000个; 尺度在1-10 cm的碎片数量约为50万个; 尺度在1-10 mm的碎片数量约为1亿个, 1 mm以下的碎片数量数以百亿计。低地球轨道(LEO)上, 碎片运行速度为7.8 km/s (第一宇宙速度), 它们与航天器发生超高速撞击, 其相对撞击速度范围在0-15 km/s, 平均撞击速度为10 km/s。空间碎片撞击航天器，轻则导致航天器外露敏感表面性能衰退、功能丧失, 重则对结构和载荷造成严重的机械损伤甚至使整个航天器彻底爆炸解体, 对航天器安全和航天员生命造成巨大潜在威胁。为此，世界各航天国家都持续开展了航天器空间碎片防护研究，而国外的先进防护材料对我国严格禁运。随着我国航天事业的迅猛发展，长寿命、高可靠的大型航天器特别是载人航天器对空间碎片防护的需求日益迫切。研发自主国产的高性能空间碎片防护材料，对高航天器在空间碎片环境中的生存能力，保障重大航天工程成功至关重要。

本文介绍了在材料基因组计划支持下，我国自主创新的空间碎片防护材料性能的多尺度高通量研究进展，包括：1.新概念高性能波阻抗梯度防护结构的提出，2.高性能波阻抗梯度防护材料的多尺度设计，3.高性能波阻抗梯度防护材料的高通量制备，4.高性能波阻抗梯度防护材料性能的超高速撞击验证等。

关键词：航天器空间碎片超高速撞击防护；高性能波阻抗梯度防护材料；多尺度设计；高通量制备；防护性能评价

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.309