第1章空间碎片超高速撞击概述
　　超高速撞击现象广泛存在于宇宙之中。从早期宇宙形成过程中大量的天体撞击事件，到20世纪50～60年代人类开始关注的微流星体对航天器的撞击损伤，乃至20世纪80年代美国“星球大战”计划开始的动能武器，以及21世纪初开始受到重视的空间碎片对航天器和舱外活动航天员的撞击问题等都属于超高速撞击现象。
　　在天体撞击事件的研究中，早期的关注点在于太阳系形成过程的撞击事件，例如对柯伊伯带成因的研究。近些年来的天体撞击研究热点有：月球形成的超高速撞击说、小行星超高速撞击现象等。过去20余年中，除了自然天体之间的超高速撞击问题，人造航天器与小天体之间的超高速撞击问题也成为研究的重要内容。例如美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的“深度撞击”（Deep Impact）计划，利用人造航天器对小天体实施超高速撞击来研究小天体的材料组成、构造形式等;NASA的“双小行星重定向测试”（Double Asteroid Redirection Test，DART）计划，利用人造航天器对潜在威胁小行星（potentially hazardous asteroid，PHA）进行超高速撞击来改变其运行轨道等。
　　在超高速动能武器的研制中，主要关心的是目标弹头或卫星在动能战斗部超高速撞击下的材料与结构响应。美国开展了大量的超高速撞击试验和数值仿真计算，研究不同弹丸/动能战斗部质量、长径比、脱靶距离等参数对毁伤效果的影响规律，改进完善超高速动能武器的设计。为了对动能反导毁伤效果进行实时准确的评估，美国在过去的十几年中一直在进行动能反导超高速撞击过程中的光辐射效应研究，并将由此发展的天基毁伤评估系统（Space-baed Kill Assessment，SKA）搭载在“铱星”上开展了试验。20世纪80～90年代，NASA联合美国空军阿诺德工程发展中心（Arnold Engineering Development Center，AEDC）实施了卫星-空间碎片撞击测试（Satellite Orbital Debris Characterization Impact Test，SOCIT）计划，在AEDC的超高速弹道靶G靶上针对模拟/真实的卫星构型靶标开展超高速撞击试验。该计划建立了目前广泛使用的NASA航天器撞击解体模型，模型包括40J/g的灾难性解体阈值和解体碎片尺寸-数量等关系。随着卫星结构形式的不断改进和复合材料的大量应用，原NASA撞击解体模型逐渐显露出其在描述卫星构型和材料影响方面的不足。为此，NASA联合AEDC和其他单位实施了“碎片星”（DebriSat）计划，于2014年在G靶上再次开展了针对高仿真卫星的超高速撞击试验，以对原解体模型进行改进[2]。与SOCIT计划相比，DebriSat计划在靶标和弹丸尺寸、撞击速度，以及撞击过程的测量、碎片数据处理，都得到大幅度拓展。
　　在空间碎片的超高速撞击问题中，最初关心的是航天器防护屏能否抵御典型轨道环境中空间碎片的撞击。1947年，美国天文学家F.L.Whipple（图1-1）提出防护屏概念，即在航天器舱壁外面一定距离放置一块薄板做成的防护屏（Whipple防护屏或Whipple屏）。对Whipple屏的改善包括把简单的单层铝板厚度减薄、层数增加，以及更进一步地把中间层的铝板换成复合材料或其他材料织物（图1-2），这些手段都提高了结构的防护效果。在空间碎片超撞击防护的研究中，主要采用超高速撞击试验和数值仿真方法，研究各种构型的防护性能，力争从材料、几何构型等方面设计出满足重量和尺寸要求的先进防护结构。随着工作的不断深入，逐步开始研究防护屏以外的航天器部件超高速撞击损伤和失效问题，空间碎片超高速撞击研究对象已经从防护屏拓展到太阳能帆板、多层隔热材料（multi-layer insulation，MLI）、单机盒、电池、燃料储箱等[3]。在过去几十年里，航天器的空间碎片在轨撞击感知技术也得到重视和发展，并逐步开展了空间应用试验。
　　1.1超高速撞击现象的本质和特点
　　超高速撞击本质的特征是撞击所产生的冲击压力远大于弹丸和靶材的强度，在撞击过程最初阶段，材料的性态类似于可压缩流体。超高速撞击现象的本质是由于极高的冲击压力导致弹/靶材料遵从流体力学而非固体力学的规律。
　　一般来说，在低速撞击时，研究的问题属于结构动力学问题。此时，局部侵彻与结构的总体变形效应紧密地耦合在一起。在稍高撞击速度下，撞击点附近区域材料性质是密度和强度起主要作用，结构效应退居次要地位。撞击速度继续提高到超高速范围时，材料的惯性效应、可压缩性效应和相变效应开始发挥主导作用，弹-靶接触部位及其附近的材料将发生形变、成坑、贯穿、熔化甚至气化等过程，撞击产生超高速时特有的碎片云，材料内部冲击波、稀疏波所引起的冲击-卸载作用也成为材料和结构宏观损伤的主要因素。
　　以铝弹丸撞击厚铝板为例，铝球中心压力和温度随撞击速度的提高而不断升高，如图1-3所示。当撞击速度低于3km/s时，撞击效应由材料强度主导，主要表现为弹性和塑性变形，且随着撞击速度的提高，撞击产生的冲击压力逐步逼近材料强度极限;当撞击速度超过3km/s后，冲击导致铝球中心温度超过其熔点，流体动力学机制主导撞击过程，表现为压缩性、破碎和部分液化;当速度提高到7.5km/s以上时，冲击导致铝球中心温度超过其沸点，流体动力学效应进一步强化，将包含相变、完全液化，甚至气化现象。
　　按照弹丸和受撞击靶体的相对尺寸大小，超高速碰撞问题可以抽象为三类:半无限靶超高速撞击、薄靶超高速撞击、中厚靶超高速撞击。
　　半无限靶指靶体尺寸和厚度远大于弹丸，其超高速撞击现象有两大特点：是半球形弹坑，其形成过程包括瞬态接触阶段、稳定侵彻阶段、成坑阶段和恢复阶段;二是伴随撞击过程形成的反溅碎片云。图1-4（a）是半无限靶成坑过程仿真结果。流星体、小行星对地球的撞击属于典型的半无限靶超高速撞击问题。
　　薄靶指厚度小于弹体特征尺寸的靶件，在入射波和稀疏波的共同作用下，弹体和靶板碎裂成固体颗粒，部分材料甚至熔融/气化，以“碎片云”的形式拋出，如图1-4（b）所示[5]。图中正撞击速度5.52krn/s、斜撞击速度6.02krn/s。空间碎片撞击Whipple屏就是典型的薄靶超高速撞击问题。
　　中厚靶的靶体厚度介于半无限靶和薄靶之间，撞击面的损伤形貌与半无限靶类似，同时靶板背侧存在变形、龟裂或剥落损伤，图1-4（c）即为典型的中厚靶超高速撞击实例[4]。
　　超高速撞击现象与低速撞击有本质的差别。对于不同的弹丸和靶材，其达到超高速撞击现象的速度是不同的，很难有一个普适的速度阈值来区别超高速撞击与高速/低速撞击。在以撞击速度来确定一个撞击是否为超高速撞击时，必须考虑参与撞击的具体物质。对于空间碎片撞击现象中常见的铝质弹丸撞击铝质靶材问题，在速度约3km/s时会出现超高速撞击的特征。而如果是铅质弹丸撞击铅质靶材，则在相对较低的1km/s速度时就会呈现超高速撞击的典型特征。
　　在过去的航天飞行任务中，已收集到大量航天器遭受超高速撞击的明确证据，例如在欧洲可回收载具（European Retrievable Carrier，EURECA）任务、NASA长时间暴露设施（long duration exposure facility，LDEF）、哈勃空间望远镜和航天飞机（图1-6）的表面都存在不同程度的撞击损伤。图1-6中显示了撞击损伤的位置和损伤直径。空间碎片撞击损伤会对航天器产生广泛的影响。对电子设备盒盖的撞击会产生内部碎片，从而导致敏感电子设备的致命损伤。压力容器可能泄漏或破裂，导致任务提前终止，并可能产生更多碎片。
　　国际空间站长期暴露在空间碎片环境中，相当好地经受住了考验，没有因空间碎片撞击而出现硬件故障的报告。但是，通过检查空间站硬件的表面，以及乘组人员的直接观察，已经发现了空间碎片对国际空间站外表面造成的超高速撞击损伤。例如，2002年2月20日，乘组人员报告了对DC-DC转换器装置上的撞击坑（直径3～5mm）。在微型加压后勤舱（mini-pressurized logistics module，MPLM）表面也发现了直接证据。图1-7（a）为工作人员在任务后对MPLM做撞击损伤检测。