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微小空间碎片非破坏性撞击对低轨道载人航天器结构影响研究

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空间碎片正在逐渐成为威胁航天器在轨安全运行的隐患，且空间密度分布在逐年增长，空间碎片对航天器在轨运行影响问题已备受人们关注。厘米级及以上尺度的空间碎片撞击，其事件发生概率极其小，对航天器结构的影响往往是致命的，可通过天/地基雷达、天文望远镜等探测跟踪，并采取有效措施予以规避；毫米级尺度的空间碎片撞击，其事件发生概率非常小，主要采用有效的设计措施予以感知、定位和防护；而微小空间碎片撞击发生概率较大，其单次撞击事件对航天器的影响往往可忽略，但较长期的累积效应会对航天器结构造成的不可忽略潜在影响。已有的空间碎片观测与探测经验表明，空间碎片数量随尺寸减少成倍增加，绝大多数碎片为来自直径1-100微米尺度的微小碎片，小于1微米尺度的空间碎片更是难以计数[1]，文献[2-3]研究表明，微小空间碎片已成为影响航天器在轨服役安全可靠性的重要因素。对绝大多数运行于低轨道的航天器，其速度约10km/h的微小空间碎片环境是潜在威胁其运行安全的重要环境因素。
航天器结构研制过程中，采取的空间碎片撞击防护措施不可能是全覆盖的，一般都会存在部分较大面积、界面之间空隙区暴露在空间环境中，在轨运行时上述区域势必会受到空间微小碎片环境的长期累积作用。文献[4]对地面卫星解体试验产生碎片形状统计表明，约72%的碎片形状为立方体状粒子或片状粒子，立方体状粒子占半数以上。文献[5]针对对不同尺寸空间碎片超高速撞击航天器结构的损伤效应研究表明，微小碎片撞击航天器结构主要表现为表面状态退化（如砂蚀）、表面形成撞击坑、划伤和裂纹等缺陷。本文针对低轨道载人航天器结构受微小碎片作用导致的表面宏细观状态退化，及后续长期运行重复载荷作用导致的损伤加剧问题进行研究，该研究结论对提高低轨道载人航天器结构抵抗微小碎片撞击影响能力的健壮性设计具有重要的指导意义和工程价值。