3D打印金属太空织物防护屏的超高速撞击响应

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Hypervelocity Impact Response of 3D-Printed Metallic Space Fabric Shields

　　

摘要翻译：
大型轨道平台和载人航天器的发展加剧了对轻量化、可部署防护系统的需求，以抵御微流星体和轨道碎片（MMOD）撞击。充气式栖息地是一种有前景的解决方案，但此类结构传统上使用的织物基防护屏因其低冲击阻抗而相较于金属缓冲屏提供较差的防护性能，并且在轨道中易受原子氧侵蚀。为解决这些限制，研究人员提出一种基于3D打印金属链甲的太空织物，作为用于微流星体和轨道碎片防护的柔性金属缓冲屏：该结构可像织物一样折叠，同时保留实体金属的冲击阻抗，其超高速撞击响应此前尚未被表征。光滑粒子流体动力学（SPH）模拟确定链甲单元胞之间的局部质量不连续性是此种脆弱性的主要来源，这促使研究人员开发倾斜金属太空织物几何结构，通过重新定向单元胞元件来重新分布投影质量并抑制这些不连续性。优化后的结构通过金属增材制造制成，并采用两级轻气炮撞击试验进行评估。倾斜金属太空织物产生了各向异性的碎片云，并且尽管其面密度较低，仍实现了比Nextel AF62织物更低的后墙最大穿透深度。在实验撞击条件下进行的补充模拟再现了观察到的碎片云形态和后墙损伤模式，且吻合良好。这些结果确立了倾斜金属太空织物作为一种新型柔性金属防护屏概念，适用于未来充气式空间结构。

**论文解读：3D打印金属太空织物防护屏的超高速撞击响应研究**

**一、研究背景与问题**

随着近地轨道（LEO）商业化和国际空间站（ISS）预计于2030年前后退役，新一代载人航天器和大型轨道平台的发展需求日益迫切。充气式栖息地因其发射时紧凑收纳、入轨后膨胀提供大体积居住空间的优势，成为未来LEO平台的重要结构方案。然而，充气结构面临的微流星体和轨道碎片（MMOD）超高速撞击威胁严重制约其应用。传统织物基防护屏（如Nextel、Vectran）虽然具有柔韧性和可折叠性，但其低冲击阻抗导致对弹丸的破碎能力不足，且有机纤维在LEO环境中易受原子氧（AO）侵蚀。金属缓冲屏虽具有优异防护性能，但刚性结构无法折叠，难以用于充气式可展开结构。因此，研发一种兼具金属高冲击阻抗与织物柔韧性的防护结构成为迫切需求。此前NASA喷气推进实验室开发了3D打印金属链甲结构（即“太空织物”），但其超高速撞击响应尚未被系统表征。本研究针对这一空白，将NASA太空织物概念拓展为基于金属链甲的柔性缓冲屏，并系统研究其超高速撞击防护性能。

**二、研究内容与主要方法**

研究人员采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法建立超高速撞击数值模型，使用Mie-Grüneisen状态方程、Steinberg-Guinan强度模型和Grady层裂失效模型描述材料行为。经过网格收敛性研究，确定0.1 mm的SPH粒子尺寸可在精度与效率间取得最佳平衡，并通过与Piekutowski的X射线实验图像对比验证了模型有效性。基于该模型，研究人员首先分析了2 mm、4 mm和8 mm三种单元胞尺寸的常规金属太空织物在不同撞击位置（中点、间隙、交叉）下的防护性能，发现单元胞大于弹丸直径时性能对撞击位置高度敏感，而小单元胞虽降低位置敏感性，但局部质量不连续性仍导致性能低于同等面密度的实体铝板。为解决此问题，研究人员提出倾斜金属太空织物设计，将平板单元替换为两个45°倾斜的平行六面体元件，通过正交投影质量分布图证实该设计有效填充了单元间的质量空白区域。随后采用激光粉末床熔融（L-PBF）技术以AlSi10Mg粉末制备倾斜金属太空织物试样，并使用两级轻气炮开展超高速撞击实验，撞击速度范围5.3–5.5 km/s，弹丸为6.35 mm直径Al2017-T4球体，后墙为10 mm厚铝板，同时使用高速摄像系统记录碎片云演化。实验中将倾斜金属太空织物与2 mm Al6061-T6平板和六层Nextel AF62织物缓冲屏进行对比，三者面密度相近。样本无队列来源说明，为实验室制备。

**三、研究结果**

**3.1 超高速撞击实验结果**
实验观察到三种缓冲屏产生明显不同的碎片云形态：Al6061-T6平板产生对称的蘑菇状碎片云，而倾斜金属太空织物产生高度各向异性的羽状碎片云，且碎片更为细小；Nextel AF62织物也产生细小碎片但无显著方向性。后墙损伤方面，Al6061-T6平板产生圆形对称损伤，倾斜金属太空织物产生十字形损伤，Nextel AF62织物产生中心凹陷伴径向分布的坑蚀。最大穿透深度测量结果显示，Al6061-T6平板最小（1.83 mm），倾斜金属太空织物为4.78 mm，Nextel AF62织物最大（6.49 mm），表明倾斜金属太空织物尽管面密度更低，防护性能优于Nextel AF62。

**3.2 实验条件下的超高速撞击模拟**
采用与实验相同的条件（6.35 mm弹丸、相同速度、100 mm间距）进行SPH模拟。对Al6061-T6平板，模拟准确再现了对称碎片云和圆形损伤，穿透深度模拟值1.69 mm与实验值1.83 mm高度吻合。对倾斜金属太空织物，模拟复现了各向异性羽状碎片云和十字形损伤分布，中点撞击场景与实验最接近，模拟穿透深度3.51 mm较实验值4.78 mm低估约27%，但损伤形态高度相似。此外，7 km/s速度下的模拟显示倾斜金属太空织物穿透深度（3.46 mm）低于Al6061-T6平板（4.41 mm），提示相对防护性能可能随速度变化。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，倾斜金属太空织物优于Nextel AF62的性能归因于其金属高冲击阻抗促进弹丸高效破碎，十字形损伤模式与链甲固有间隙导致的定向碎片输运有关。模拟低估穿透深度可能源于多个因素：Al6061-T6材料参数替代增材制造AlSi10Mg的固有误差；L-PBF材料的各向异性导致层裂强度随加载方向变化；SLM内部孔隙（微CT观察证实孔隙集中在激光扫描路径边缘，即单元间质量不连续区域）作为应力集中源改变碎片化过程；以及实验残余气体（约10 Torr）与真空模拟的差异。尽管存在定量偏差，倾斜金属太空织物与Nextel AF62之间的实验差异远大于模拟中不同撞击位置间的差异，且Nextel AF62面密度更高，因此其性能优势结论稳健。研究人员还通过欧拉角投影分析发现某些斜撞击角度使有效厚度从法向入射的1.399 mm降至0.979 mm，提示斜撞击是未来设计需考虑的关键因素。

研究结论：本研究验证了3D打印倾斜金属太空织物作为充气式空间结构柔性金属缓冲屏的可行性。该设计通过倾斜单元胞排布减少局部质量不连续，降低了撞击位置敏感性。实验证明其防护性能优于Nextel AF62织物，数值模拟成功再现主要撞击特征。7 km/s模拟预示其在更接近实际MMOD速度条件下可能优于连续铝板，但需实验验证。未来需优化单元胞几何、开展更高速度和斜撞击实验、改进材料模型与碎片诊断技术、评估多层防护系统集成及空间环境耐久性。该研究为未来空间站、月球栖息地及可展开结构提供了一种新颖的柔性金属防护概念。