高速撞击对弯曲航天器缓冲装置的影响：方法优化与碎片云不对称性分析

《Advances in Space Research》：Hypervelocity impact on curved spacecraft bumpers: Method optimization and debris cloud asymmetry analysis

　　•(1) 优化的FEM-SPH方法能够准确模拟非对称碎片云的动力学行为。•(2) 可以定量分离撞击倾角与表面曲率的影响。•(3) 高曲率会导致弹体滑动效应以及几何约束效应。•(4) 在大倾角下发生滑动会显著增强动能耗散。•(5) 曲面防护结构具有固有的几何优势。

引言
随着商业卫星数量的迅猛增长以及航天器解体事件的不断增加，近地轨道中的碎片数量呈指数级上升趋势（Adushkin等人，2016年；Liu等人，2025年），这大大增加了在轨航天器遭受碎片撞击的风险（Huang等人，2013年）。高速碎片所携带的巨大动能足以导致航天器关键结构失效，甚至引发灾难性的解体事故（Wen等人，2021年）。虽然直径大于10厘米的大型碎片可以通过地面监测网络进行识别并采取应对措施，但对于大量存在的厘米级微小碎片，目前仍缺乏有效的跟踪方法（Furumoto和Hanada，2018年）。因此，被动物理防护仍是确保航天器安全的唯一手段（Smirnov和Kondratyev，2009年）。作为最具代表性的防护结构，惠普尔盾牌（Xuezhong等人，2019年）通过前置缓冲装置使碎片发生破碎、熔化或气化，从而将集中的撞击动能转化为分散的碎片云，进而有效保护后壁（Bergh和Garcia，2017年；Zhang等人，2021年）。需要指出的是，碎片云的致命性本质上取决于其面密度变化、径向扩散速率以及物态。因此，深入研究碎片云的形成机制、形态演化规律以及能量耗散特性，对于提升航天器的防护性能具有重要意义（Adushkin等人，2016年；Francesconi等人，2015年）。

除了机械破碎之外，高速撞击还会产生一系列复杂的物理现象，包括致密等离子体膨胀、电离效应以及电磁脉冲（EMP）。近年来，学者们对这些现象进行了广泛的研究，比如撞击产生的等离子体的热力学和化学动力学特性（Dong等人，2025年；Nuttall和Close，2020年）、静电膨胀建模（Tarantino等人，2018年）、射频波辐射（Fereydooni等人，2023年），以及目标充电产生的EMP现象证据（Estacio等人，2023年）。尘埃和大气环境也会影响这些等离子体的性质（Estacio等人，2021年），此外，对微小喷射物的测量对于了解细小颗粒的产生过程也至关重要（Shohet等人，2021年）。尽管本研究主要关注碎片云的宏观形态特征以及机械能耗散机制，但了解这些电磁和电离效应对于全面评估航天器的生存能力仍然十分重要。

长期以来，实验一直是研究高速撞击问题的基本方法（An等人，2025年；Hanada和Liou，2008年；Huang等人，2020年；Wen等人，2016年；Zhang等人，2019年）。Piekutowski等人（1993年；2015年）所做的经典实验为碎片云形态分析奠定了基础。然而，地面实验受到发射能力限制以及瞬态观测手段不足的制约，难以完整再现结构内部的介观尺度破碎演化过程（Watson等人，2019年）。因此，高精度数值模拟已成为不可或缺的研究工具（Zhang等人，2020年）。早期的数值研究大多采用拉格朗日有限元法（FEM）（Buslov等人，2019年）。但在处理大变形问题时，网格畸变以及元素删除技术往往会导致质量和能量出现非物理性的损失（He等人，2020年）。基于欧拉描述的方法（如欧拉法或ALE法）虽然可以避免网格畸变，但在追踪多材料界面以及离散碎片云时，会面临界面模糊以及计算成本过高的问题（Han等人，2023年；Horner，2008年；Smirnov等人，2019年）。相比之下，作为一种无网格方法（Liu和Liu，2010年），平滑粒子流体动力学（SPH）在模拟严重破碎和碎片散射现象方面具有天然优势（Watson等人，2017年）。不过，在处理固体壁面边界条件时，SPH仍存在固有的数值缺陷。此外，为捕捉冲击波而引入的人工粘性会影响冲击波的厚度，而用于抑制拉伸不稳定性（TI）的数值算法则可能改变宏观断裂的统计特性（Liu和Liu，2006年；Sun等人，2018年）。

为克服单一算法的局限性，近年来人们广泛发展了FEM-SPH耦合技术（Gudisey和Cherniaev，2026年；He等人，2022年；He和Chen，2023年）。该方法利用SPH处理大变形和破碎区域，同时借助FEM精确描述材料边界（Liu等人，2018年）。He等人（2020年）以及Ceri等人（2024年）的最新研究表明，该技术能够在兼顾计算效率的同时，准确捕捉复杂的材料界面行为以及碎片云的演化过程。尽管数值模拟技术日益成熟，但目前的研究在数值实现的稳健性以及应对复杂工况的适用性方面仍存在明显不足。

首先，在数值层面，绝大多数基于商业软件（如LS-DYNA）的研究往往直接采用默认的控制参数。对于涉及极高应变率的极端高速撞击场景，目前还缺乏针对关键参数（如人工粘性系数、粒子失效准则以及接触算法）的系统性敏感性分析。不恰当的参数选择很容易引发非物理性的数值振荡或接触穿透现象，从而严重削弱模拟结果的可靠性。

其次，更为关键的是，现有的大多数实验和模拟研究都将防护结构简化为平板模型，并通常假设弹体为垂直撞击（Liu等人，2019年；Wu等人，2024年；Yu等人，2022年）。尽管Zhang等人（2019年）以及Wu等人（2024年、2023年）深入研究了圆柱形弹体的偏航撞击现象以及非理想碎片云的分布特征，但他们的研究对象仍局限于平板靶标。而实际上，航天器（如加压模块和燃料箱）通常采用曲面结构，且碎片的撞击方向也是随机的。目前，曲面结构与撞击角度之间的耦合效应仍是研究中的空白点。与平板不同，曲面结构的存在使得弹体接触点处的局部法线会随位置不断变化。这种几何非线性以及其与撞击角度的相互作用，不仅会导致碎片云出现非对称扩散，还会在倾斜撞击条件下，尤其是在大倾角情况下，显著加剧弹体与缓冲装置之间的“滑动效应”。目前的平板理论无法准确描述由防护结构曲率与撞击角度共同作用所引发的复杂碎片云动力学及能量耗散机制。

为填补上述研究空白，本文采用优化的FEM-SPH耦合算法，系统研究并分离表面曲率与撞击倾角对碎片云动力学的协同影响。本研究的主要贡献如下：首先，针对标准SPH在极端高速撞击条件下的固有不稳定性，系统优化了关键数值参数，构建了一个稳健的模拟框架。其次，该优化模型通过对比经典的实验射线照片数据（Piekutowski，1993年）进行了严格验证，以确保其在形态和运动学方面的高精度。最后，将该经过验证的框架应用于不同曲率半径以及0°–45°不同撞击角度下的全面耦合分析。通过分析参数变化规律以及能量转换过程，本研究明确了“弹体滑动效应”以及随之产生的动能耗散机制。本研究旨在量化曲面防护结构因角度差异而具有的几何优势，为评估航天器的易损性以及优化针对倾斜轨道碎片威胁的防护结构提供理论依据。

章节片段

几何构型与混合离散化
如图1所示，本文建立了用于重现Piekutowski（1993年）实验的数值模型。该模型包含一个直径为9.53毫米的球形弹体，以及一个尺寸为50×50×0.8毫米的缓冲装置。为在计算效率与形态精度之间取得最佳平衡，本研究采用了混合离散化策略：缓冲装置与弹体的中心撞击区域采用SPH粒子进行建模，以便捕捉严重的破碎现象，而缓冲装置的周边区域则采用其他离散化方法。

关键数值参数的优化
现有的商业软件通常采用为低速结构动力学优化的默认参数。但在存在强烈冲击间断面以及极高应变率（>105s-1）的高速撞击场景中，这些默认设置往往无法提供足够的数值耗散能力，从而导致非物理性的振荡现象。因此，本节系统优化了体积粘性、粒子失效处理规则以及接触算法等关键控制参数，以确保模拟结果的合理性。

模型验证与网格收敛性
本节对比了使用四种不同粒子间距（分别为0.15毫米、0.12毫米、0.10毫米和0.08毫米）所得到的模拟结果。在每种情况下，弹体与缓冲装置的中心区域都采用相同的粒子间距。对比重点在于分析所得碎片云的形态特征以及运动学行为。同时，还通过对比Piekutowski（1993年）的实验结果，验证了数值模型的准确性。

几何形状与撞击倾角对碎片云动力学的耦合效应
基于经过验证的数值框架，本节系统分析了曲面航天器缓冲装置在倾斜撞击条件下的响应特性。为彻底分离驱动碎片云演化的各种协同作用机制，本研究采用了逐步分离策略：首先通过倾斜撞击平板缓冲装置建立纯粹的运动学基准，接着引入高度弯曲的缓冲装置，以探究表面几何形状的调控作用，最终量化相关影响规律。

结论
本研究采用优化的FEM-SPH耦合方法，研究了曲面惠普尔盾牌在高速撞击下的响应特性。通过系统分离表面曲率与撞击倾角的单独作用及其协同作用，得出了以下结论：
(1) 数值稳定性：通过优化参数组合——包括设定Monaghan体积粘性值为α=1.0、β=1.0，以及采用偏差侵蚀模型——有效抑制了标准SPH在极端高速撞击条件下的固有不稳定性。

未引用参考文献
Ceri和Khodaei，2024年；Piekutowski和Poormon，2015年；Wu等人，2023年。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFB2503505）、上海汽车工业科技发展基金会（2501项目）以及国家自然科学基金（12302259）的支持。

赵翔|曹行刚|王飞岐|刘振辉|胡欣|崔向阳