馬鑫，周琪，李明濤1,，張會(huì)鎖

1. 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 中國科學(xué)院復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100400 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 101408 3. 中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051

深空撞擊載荷是一種通過引爆自身攜帶火藥，將爆炸成型彈丸以超高速(2 km/s以上)射向被探測(cè)小天體表面，制造人造撞擊坑，暴露其表面風(fēng)化層以下物質(zhì)，為其他探測(cè)載荷開展探測(cè)或采樣提供作業(yè)環(huán)境的高效式動(dòng)能探測(cè)載荷。深空撞擊載荷對(duì)探測(cè)小天體內(nèi)部物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特性具有重要意義。

深空撞擊是進(jìn)行深空天體探測(cè)及行星防御的有效手段之一，目前世界航天強(qiáng)國均在此領(lǐng)域展開了相關(guān)技術(shù)研究及實(shí)際撞擊飛行任務(wù)。NASA于2005年開展了DEEP IMPACT(深度撞擊)任務(wù)[1]，通過一個(gè)較大的飛行器飛掠 Tempel 1彗星，釋放一個(gè)較小的撞擊器，直接撞擊 Tempel 1彗星的慧核，撞擊后飛行器對(duì)撞擊噴射物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)研究[2]，其中，撞擊速度約為10.2 km/s，撞擊能量約為19千兆焦耳(相當(dāng)于4.8噸TNT)[3-4]；近年來隨著小行星威脅地球事件的頻繁出現(xiàn)，NASA與ESA聯(lián)合提出了國際合作小行星撞擊防御(asteroid impact & deflection assessment，AIDA)任務(wù)[5]，任務(wù)的主要目標(biāo)是測(cè)試飛行器撞擊近地小行星任務(wù)的執(zhí)行能力，測(cè)試小行星撞擊后偏離特性測(cè)量任務(wù)的執(zhí)行能力，其中DART飛行器作為撞擊飛行器，撞擊雙小行星系統(tǒng)(Didymos)中的子行星(直徑160 m)，并由HERA飛行器對(duì)子行星環(huán)繞母行星的環(huán)繞軌道變化參量進(jìn)行撞擊效果測(cè)量[6]，DART飛行器的撞擊速度約為6.25 km/s。

2019年，備受世界矚目的日本JAXA隼鳥2號(hào)已經(jīng)順利完成了對(duì)龍宮小行星表面的撞擊任務(wù)[7]。2019年4月5日隼鳥2號(hào)在完成了一系列在軌準(zhǔn)備任務(wù)后，正式在龍宮開展制造人工撞擊坑的深空撞擊試驗(yàn)[8]：其把約2.5 kg的銅板以約為2 km/s的速度撞向龍宮小行星，并對(duì)撞擊瞬間進(jìn)行光學(xué)成像，撞擊作用將龍宮小行星受風(fēng)化以及太陽熱輻射影響的表面物質(zhì)撞開，露出內(nèi)層物質(zhì)結(jié)構(gòu)，以供取樣研究[9-10]。JAXA于4月29日公布了光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)在距離龍宮小行星表面撞擊位置1.7 km處飛掠成像與3月22日拍攝成像的對(duì)比圖，依據(jù)對(duì)比圖像，JAXA科學(xué)家發(fā)推文表示：“目前還無法確切給出撞擊坑的尺寸和形狀，但可以肯定的是至少20 m寬的地形存在明顯變化”[11]。隨著日本隼鳥2號(hào)任務(wù)的實(shí)施，深空撞擊載荷已經(jīng)得到實(shí)際飛行驗(yàn)證，在隼鳥2號(hào)成功地將小行星采樣物質(zhì)帶回地球后，深空撞擊載荷技術(shù)將成為深空探測(cè)的重要技術(shù)手段。

瞄準(zhǔn)中國未來針對(duì)近地小行星2016HO3的深空探測(cè)任務(wù)，本文深空撞擊載荷的科學(xué)目標(biāo)為：1)實(shí)施小天體內(nèi)部物質(zhì)成分探測(cè),撞擊載荷通過對(duì)2016HO3小行星表面風(fēng)化層的高速、高能物理撞擊，產(chǎn)生人造撞擊坑，實(shí)現(xiàn)2016HO3小行星內(nèi)部原始物質(zhì)的暴露，利用光譜儀等載荷對(duì)撞擊坑及濺射物進(jìn)行物質(zhì)成分探測(cè)，研究2016HO3小行星表面與內(nèi)部物質(zhì)的關(guān)聯(lián)性，為揭示空間環(huán)境與小天體相互作用提供依據(jù)；2)實(shí)現(xiàn)小行星結(jié)構(gòu)特性反演,通過對(duì)撞擊坑參數(shù)的測(cè)量(直徑、深度、撞擊坑形成邊緣厚度、濺射物的分布等)，結(jié)合撞擊動(dòng)力學(xué)仿真反演2016HO3小行星結(jié)構(gòu)特性，為小天體形成與演化提供研究依據(jù)，進(jìn)一步完善修正小天體撞擊數(shù)值仿真模型，天體撞擊的設(shè)計(jì)分析仿真計(jì)算技術(shù)將完全服務(wù)于小行星防御中的動(dòng)能撞擊技術(shù)，在此基礎(chǔ)之上，通過增加載荷質(zhì)量、適當(dāng)改進(jìn)構(gòu)型等手段，可應(yīng)用于小行星撞擊的安全防御。

本文通過對(duì)隼鳥2號(hào)任務(wù)公開資料的深入調(diào)研分析，針對(duì)基于聚能爆炸成型彈丸途徑的深空撞擊載荷總體技術(shù)，對(duì)其技術(shù)體系、技術(shù)內(nèi)涵、技術(shù)路線進(jìn)行了系統(tǒng)、詳細(xì)、深入的技術(shù)剖析，給出了部分相關(guān)技術(shù)的初步設(shè)計(jì)方案，并運(yùn)用撞擊仿真軟件對(duì)靶板為混凝土、撞擊彈丸為純銅半球殼的撞擊過程進(jìn)行了模擬仿真。

1 深空撞擊載荷技術(shù)體系解析

以隼鳥2號(hào)撞擊載荷為參考研究對(duì)象，深空撞擊載荷技術(shù)體系分解主要包括7個(gè)方面：聚能爆炸成型彈丸(EFP)、安全可靠爆炸、夾緊釋放裝置、撞擊效應(yīng)設(shè)計(jì)、載荷總體系統(tǒng)、撞擊任務(wù)設(shè)計(jì)、撞擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)。1)聚能爆炸成型彈丸主要涉及：炸藥選型及炸藥配比設(shè)計(jì)、藥型設(shè)計(jì)(錐角、高度等)、有效作用距離設(shè)計(jì)、銅板設(shè)計(jì)(直徑、厚度、材料)、爆炸仿真(銅板變形、速度、姿態(tài)等)。2)安全可靠爆炸主要涉及：爆炸安全啟動(dòng)(點(diǎn)燃信號(hào)定義及觸發(fā)等)、意外爆炸啟動(dòng)(物理層隔離意外爆炸等)、飛行器躲避爆炸碎片避險(xiǎn)策略、飛行器躲避撞擊噴射物避險(xiǎn)策略。3)夾緊釋放裝置主要涉及：載荷分離設(shè)計(jì)(速度、角度、自旋速度等)、夾緊釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真模擬分析、分離釋放驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)。4)撞擊效應(yīng)設(shè)計(jì)主要涉及：被撞擊目標(biāo)物質(zhì)特性設(shè)計(jì)、撞擊坑尺寸分析(不同撞擊角度)、撞擊坑深度分析(不同撞擊角度)、撞擊效果仿真模擬分析。5)載荷總體系統(tǒng)主要涉及：撞擊載荷總體結(jié)構(gòu)構(gòu)型、總體電路及控制、總體供電能源設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)、溫度控制設(shè)計(jì)。6)撞擊任務(wù)設(shè)計(jì)主要涉及：飛行器撞擊軌道及控制設(shè)計(jì)、撞擊載荷釋放時(shí)飛行器姿態(tài)控制及測(cè)量、撞擊載荷爆炸位置及撞擊坑位置確定與搜索、撞擊全程設(shè)計(jì)及撞擊精度仿真分析。7)撞擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要涉及：爆炸撞擊原理驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)、小尺寸規(guī)模撞擊試驗(yàn)(保持撞擊速度)、半尺寸/全尺寸規(guī)模撞擊試驗(yàn)。

2 技術(shù)內(nèi)涵、路線及初步設(shè)計(jì)

2.1 載荷總體方案

深空撞擊載荷主要由EFP與夾緊分離釋放裝置兩部分構(gòu)成。其中EFP又可分為：主裝藥、藥型罩、裝藥主結(jié)構(gòu)、密封板、承力主結(jié)構(gòu)、點(diǎn)火裝置、封閉板、雷管、電子學(xué)控制器、電池等部件。深空撞擊載荷總體初步設(shè)計(jì)如圖1所示。

為了更好地實(shí)現(xiàn)深空撞擊載荷的工程化，此處給出其對(duì)飛行器平臺(tái)相關(guān)資源需求的初步設(shè)計(jì)：載荷安裝位置位于主探測(cè)器艙外；外包絡(luò)體積為直徑200 mm×高度190 mm；總重10 kg；功耗方面，其在未分離時(shí)，需主探測(cè)器供電2 W(包含主動(dòng)熱控1 W)，分離后，載荷自帶電池供電(2 AH，15 W)；其與主探測(cè)器采用RS422串口數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)量約為1 kbit/s；熱控方面，其未分離時(shí)，由主星供電進(jìn)行主動(dòng)加熱熱控，分離后，載荷自身被動(dòng)隔熱熱控，兩個(gè)階段始終保障電池、電路溫度位于-40～55℃范圍內(nèi)；在與主探測(cè)器分離瞬間，要求主探測(cè)器姿態(tài)為三軸穩(wěn)定，指向精度優(yōu)于0.1°。

2.2 EFP方案

EFP(以下稱“戰(zhàn)斗部”)方案設(shè)計(jì)涉及：裝藥設(shè)計(jì)(主裝藥與輔助裝藥的火藥選型、配比及裝藥量設(shè)計(jì))，藥型罩設(shè)計(jì)(錐角、壁厚、材料等)，戰(zhàn)斗部外形設(shè)計(jì)(直徑、厚度、材料)，起爆方式設(shè)計(jì)(藥型罩變形、速度、姿態(tài))。

2.2.1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)總體方案

戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[12]采用具備較遠(yuǎn)有效作用距離和較大侵徹孔徑的聚能爆炸成型原理。戰(zhàn)斗部外形設(shè)計(jì)為圓錐形，內(nèi)含有強(qiáng)力火藥作為主裝藥，主裝藥被底火裝置引爆將藥型罩爆轟形變?yōu)樽矒羝?，藥型罩由韌性金屬純銅制成。在變形之前，藥型罩質(zhì)量約0.8 kg。爆炸產(chǎn)生的沖擊波首先到達(dá)藥型罩的錐角中心。然后藥型罩的錐角中心向前扭曲，藥型罩形變成半球形彈丸撞擊器。撞擊器的最終速度超過2 km/s，質(zhì)量約為0.75 kg。

2.2.2 主裝藥方案

在火藥選型、配比及藥量設(shè)計(jì)方面：選擇環(huán)三亞甲基四硝胺(HMX，奧克托金)作為戰(zhàn)斗部的主火藥。奧克托金是最強(qiáng)大的火藥之一。純奧克托金的爆炸速度達(dá)到9 km/s。此外，奧克托金穩(wěn)定，由于純奧克托金處于粉末狀態(tài)且難以處理，因此使用少量合成聚合物(PBX，聚合物粘合炸藥)將火藥粉末結(jié)合在一起。奧克托金的質(zhì)量百分比在主裝藥中約為86%，在輔助裝藥(底火)中約為95%。主裝藥為熔注裝藥方式，其質(zhì)量約為1.5 kg。輔助裝藥是壓裝藥，其質(zhì)量約為2.3 g。

在裝藥構(gòu)型設(shè)計(jì)方面：在藥型罩能夠形成符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的EFP并且能夠保障爆轟效能的條件下，要盡量減少火藥用量。依據(jù)EFP作用理論，其初始速度會(huì)隨著裝藥長徑比的增加而增加，因此裝藥長徑比一般取為0.5～1.5。為便于裝藥加工，本文方案在設(shè)計(jì)優(yōu)化階段將主裝藥藥柱設(shè)計(jì)成圓錐型，取裝藥直徑等于藥型罩直徑，取0.8、0.9、1.0、1.1作為裝藥長徑比設(shè)計(jì)選取值，經(jīng)過后續(xù)數(shù)值模擬與試驗(yàn)優(yōu)化后，再從中進(jìn)行擇優(yōu)。

2.2.3 藥型罩方案

在藥型罩材料設(shè)計(jì)方面：EFP的撞擊作用效果與藥型罩材料性能參數(shù)(密度、屈服強(qiáng)度、塑性性能狀態(tài)等)密切相關(guān)。藥型罩材料的高密度、優(yōu)良彈塑性性能必須與其材料強(qiáng)度、熔點(diǎn)等特性具備良好的匹配性。EFP藥型罩常見的選用材料有：工業(yè)純鐵、鉭、銀、純銅等單一金屬和合金金屬材料。其中，純銅材料具備較好的延展性能，有利于EFP藥型罩最終具有大炸高特性，且總體性價(jià)比優(yōu)良。本設(shè)計(jì)的藥型罩由純銅制成，同時(shí)考慮避免污染小行星土壤和礦物質(zhì)成分，銅易與小行星材質(zhì)區(qū)分開。

在藥型罩結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)方面：大錐角藥型罩和球缺形藥型罩是兩種常見的藥型罩構(gòu)型設(shè)計(jì)方案。EFP藥型罩設(shè)計(jì)必須滿足三個(gè)條件[13]：1)球缺形藥型罩的錐角設(shè)計(jì)范圍應(yīng)為130°～160°，本文球缺形藥型罩的錐角設(shè)計(jì)為150°；2)球缺形藥型罩的曲率半徑應(yīng)滿足R=l.0～1.36D，一般R取1.1D左右，D為裝藥直徑，對(duì)銅材料，R/D為1.4～1.5時(shí)，彈丸成型性好，本文取R/D=1.5；3)藥型罩厚度ξ一般選取為0.06～0.10D，但藥型罩不是等厚構(gòu)型，通常被設(shè)計(jì)為中間厚兩邊薄，其邊緣厚度與中間厚度比值通常大于0.6，如果選取的純銅材料具備很好的延展性，則此比值可取為0.8～1.0，本文取此比值為1.0。

綜合上述分析，為了最終得到具有很好構(gòu)型、長徑比較大的撞擊彈丸，需要將球缺構(gòu)型與大錐角構(gòu)型相結(jié)合，且頂部球缺為不等壁厚設(shè)計(jì)。藥型罩初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖2 藥型罩結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)尺寸Fig.2 Configuration design of the explosive cover

2.2.4 戰(zhàn)斗部外形方案

一般情況下，如果采用小直徑裝藥設(shè)計(jì)，那么其外形將對(duì)EFP最終速度與構(gòu)型產(chǎn)生較大影響。然而，當(dāng)直徑較大時(shí)，此種影響效果程度大為降低，其外形只對(duì)注藥模具、裝藥保護(hù)、藥型固定產(chǎn)生影響。

由于本文撞擊載荷的戰(zhàn)斗部裝藥量較大，故而戰(zhàn)斗部外形起注藥模具、保護(hù)裝藥和固定藥型罩的作用。戰(zhàn)斗部外形設(shè)計(jì)為圓錐型，與藥柱形狀一樣在尾部留有錐角，壁厚為2.5～5 mm。

2.2.5 起爆方案

目前，起爆方式主要有以下幾種形式：?jiǎn)吸c(diǎn)中心起爆、單點(diǎn)偏心起爆、多點(diǎn)起爆和平面起爆。

單點(diǎn)中心起爆，所得EFP為軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體；單點(diǎn)偏心起爆，所得EFP形態(tài)不對(duì)稱；多點(diǎn)起爆存在藥型罩設(shè)計(jì)難度大、爆轟波形復(fù)雜、起爆難以同步準(zhǔn)確控制的問題；平面起爆的起爆結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，成本高，可靠性差。

經(jīng)過以上分析，起爆最佳方式為單點(diǎn)中心起爆，主裝藥直徑設(shè)計(jì)為100 mm，底火藥直徑為20 mm，厚度為5 mm。

2.2.6 戰(zhàn)斗部工作原理

戰(zhàn)斗部工作原理為：首先，定序器倒數(shù)計(jì)時(shí)為零，向點(diǎn)火電路給出控制信號(hào)，同時(shí)向封閉板安全裝置給出解鎖信號(hào)，封閉板即刻滑移解鎖；點(diǎn)火電路工作起爆雷管，雷管火花觸發(fā)底火裝置，底火裝置點(diǎn)火傳爆將主裝藥引燃，火藥發(fā)生爆炸，將藥型罩爆炸射出。

其中，聚能炸藥填充在底部裝有球缺形大錐角復(fù)合藥型罩的戰(zhàn)斗部中，“空穴效應(yīng)”產(chǎn)生的巨大爆炸力使藥型罩形變成半球形彈丸。形成的彈丸速度超過2 km/s，且形變和加速時(shí)間小于1 ms，加速距離相對(duì)短，容易近距離撞擊小行星。

2.3 安全可靠爆炸方案

為了保證撞擊載荷在未分離時(shí)不會(huì)發(fā)生意外爆炸，采取兩項(xiàng)安全保障措施：1)采用高可靠的點(diǎn)然信號(hào)定義；2)采取物理層面的引燃爆炸隔離措施。

對(duì)于高可靠的點(diǎn)燃信號(hào)定義措施，擬通過表貼在承力主結(jié)構(gòu)上表面的太陽能電池貼片是否接收到光電能轉(zhuǎn)換信號(hào)的點(diǎn)燃信號(hào)定義，確保撞擊載荷在未分離時(shí)不會(huì)觸發(fā)點(diǎn)燃啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)撞擊載荷未分離時(shí)，貼在承力主結(jié)構(gòu)上表面的太陽能電池貼片藏在分離裝置內(nèi)部，絕對(duì)不會(huì)受到任何陽光照射，也就不會(huì)產(chǎn)生任何光電轉(zhuǎn)換信號(hào)，從而不可能產(chǎn)生點(diǎn)燃啟動(dòng)信號(hào)；當(dāng)撞擊載荷被分離釋放裝置分離后，承力主結(jié)構(gòu)上表面外露于空間中，貼在承力主結(jié)構(gòu)上表面的太陽能電池貼片受到陽光照射，產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換信號(hào)，進(jìn)而觸發(fā)點(diǎn)燃啟動(dòng)信號(hào)。

對(duì)于物理層面引燃爆炸隔離措施，是防止點(diǎn)火裝置在未收到點(diǎn)燃啟動(dòng)信號(hào)時(shí)意外啟動(dòng)，進(jìn)而點(diǎn)燃雷管發(fā)生意外起爆。為了防止意外啟動(dòng)的發(fā)生，在雷管與底火裝置之間設(shè)置封閉板，將雷管與底火裝置空間上實(shí)現(xiàn)物理隔絕，封閉板只有在確實(shí)收到點(diǎn)燃啟動(dòng)信號(hào)時(shí)才會(huì)由關(guān)閉狀態(tài)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)，雷管的火花才能接觸并引燃底火裝置；否則，即便雷管意外點(diǎn)燃，但未收到點(diǎn)燃啟動(dòng)信號(hào)的封閉板機(jī)構(gòu)不會(huì)開啟，雷管火花由于封閉板的存在不會(huì)引燃底火裝置，所以不會(huì)發(fā)生意外爆炸。

2.4 夾緊釋放裝置方案

夾緊釋放裝置具備兩種功能：1)在撞擊載荷未分離前，需要將撞擊載荷可靠穩(wěn)定夾緊，以承受發(fā)射運(yùn)載階段的振動(dòng)環(huán)境，為撞擊載荷尤其是其中的主裝藥部分提供良好的力學(xué)受力環(huán)境；2)在飛行器抵達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，能夠可靠、準(zhǔn)確的將撞擊載荷進(jìn)行彈射分離。為了使撞擊載荷被夾緊釋放裝置分離后能夠獲取穩(wěn)定的運(yùn)行姿態(tài)，夾緊釋放裝置不僅需要能夠提供一定的分離線速度，還要提供一定的自旋角速度，使載荷繞自身固定軸旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)自旋穩(wěn)定姿態(tài)運(yùn)行模式，并且保證其自旋軸指向角度滿足一定誤差范圍。夾緊釋放裝置初步設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 夾緊釋放裝置設(shè)計(jì)方案Fig.3 The design of the release device

夾緊釋放裝置采用彈簧作為分離驅(qū)動(dòng)部件，彈簧通過帶有大螺旋角凹槽式螺紋的分離罩內(nèi)柱面與撞擊載荷分離圓柱面的大螺旋角凸出式螺紋相匹配；夾緊釋放裝置通過對(duì)稱布置的兩個(gè)電磁式驅(qū)動(dòng)斜面接觸夾緊作用，與撞擊載荷承力主結(jié)構(gòu)外側(cè)斜面相配合，在電磁信號(hào)與電磁驅(qū)動(dòng)力的作用下，實(shí)現(xiàn)夾緊塊與承力主結(jié)構(gòu)外側(cè)斜面的緊密配合與解鎖脫離。此外，夾緊釋放裝置配置有線接口，包括外部電源線、與航天器母體及撞擊載荷的連接線，能夠提供通信線路，這些線路在微型撞擊載荷將要分離之前會(huì)被切斷。

2.5 載荷功能模塊方案

深空撞擊載荷屬于飛行器載荷分系統(tǒng)中的一員，除了其爆炸、撞擊的特殊功能外，與一般的有效載荷具有相似的功能模塊組成。

1)結(jié)構(gòu)構(gòu)型方案：撞擊載荷采用承力筒結(jié)構(gòu)承力形式，可以很好的適應(yīng)并利用裝藥主結(jié)構(gòu)的圓錐形構(gòu)型形式，在承力筒結(jié)構(gòu)與裝藥主結(jié)構(gòu)之間設(shè)置圓環(huán)平板形式的部件安裝支撐盤，不僅可以安裝電子學(xué)等部件，而且將承力筒外壁載荷傳遞到裝藥主結(jié)構(gòu)，成為承力一體式結(jié)構(gòu)，具有很好的穩(wěn)固性與結(jié)構(gòu)剛度，可以為主裝藥提供良好的力學(xué)環(huán)境。

2)總體電路、數(shù)據(jù)、能源方案：撞擊載荷在未分離前，飛行器通過有線接口向撞擊載荷提供電力，主要用于檢測(cè)載荷的電子學(xué)部件狀態(tài)。飛行器通過對(duì)檢測(cè)信號(hào)的獲取，判斷載荷數(shù)據(jù)接口、電氣控制以及溫度信息的正常狀態(tài)。當(dāng)載荷分離時(shí)，飛行器為夾緊釋放裝置的電磁閥供電；當(dāng)載荷分離釋放后，載荷由自身攜帶電池供電，電池電量足以維持其爆炸前所需功耗。在載荷分離之前，定時(shí)器值將從飛行器寫入時(shí)序器，時(shí)序器在分離時(shí)開始倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)為零時(shí)，點(diǎn)火電路接通，雷管被點(diǎn)燃。

3)溫度控制方案：為了減少星上資源的占用量，溫度控制采用被動(dòng)溫控手段。由于撞擊載荷需要布局在飛行器艙外，采用在承力筒主結(jié)構(gòu)圓柱筒壁外側(cè)包裹隔熱保溫星衣作為被動(dòng)溫控措施。

2.6 撞擊任務(wù)設(shè)計(jì)方案

撞擊任務(wù)大致可以分為5個(gè)階段：載荷釋放、狀態(tài)觀察、躲避飛行、爆炸撞擊、返回搜索。

第1階段：飛行器在距離小天體表面一定距離時(shí)，分離撞擊載荷，分離釋放裝置使得撞擊載荷獲得一定的分離速度與旋轉(zhuǎn)角速度，撞擊載荷分離后即在小天體引力作用下開始下降。

第2階段：飛行器保持在原分離位置一定時(shí)間，此時(shí)間段內(nèi)完成對(duì)撞擊載荷運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)(下落速度、水平移動(dòng)速度等)的觀測(cè)確定，用于后續(xù)對(duì)人造撞擊坑的搜尋工作。

第3階段：飛行器進(jìn)行爆炸撞擊躲避飛行。

第4階段：飛行器飛行至安全區(qū)域后，對(duì)爆炸、撞擊瞬間開始觀測(cè)，與此同時(shí)，撞擊載荷啟動(dòng)爆炸，彈出彈丸以超高速度撞擊小天體表面。

第5階段：撞擊過后，飛行器返回至小天體人造撞擊坑上方[14]，進(jìn)行搜尋并開展相關(guān)探測(cè)活動(dòng)。

深空撞擊載荷撞擊任務(wù)流程如圖4所示。

圖4 深空撞擊載荷撞擊任務(wù)流程Fig.4 The mission process of the deep space impactor

撞擊任務(wù)中涉及4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：飛行器撞擊軌道及控制、撞擊載荷釋放時(shí)飛行器姿態(tài)控制及測(cè)量、撞擊載荷爆炸位置及撞擊坑位置確定與搜索、撞擊精度預(yù)估。

飛行器撞擊軌道及控制包括：小天體交會(huì)軌道設(shè)計(jì)選擇、飛行器繞飛或懸停小天體軌道控制，此兩者需要針對(duì)具體目標(biāo)小天體展開計(jì)算；撞擊載荷釋放時(shí)飛行器的姿態(tài)控制及測(cè)量是指在撞擊載荷即將分離之時(shí)飛行器需要通過一定方法對(duì)其自身姿態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定控制，并且對(duì)實(shí)時(shí)姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)量后得到的飛行器在撞擊載荷分離瞬間的姿態(tài)，再加上夾緊釋放裝置的分離性能，兩者共同決定著撞擊載荷分離后的姿態(tài)穩(wěn)定性能；通過對(duì)撞擊載荷釋放時(shí)飛行器姿態(tài)誤差、夾緊釋放裝置分離釋放誤差、撞擊載荷爆炸位置誤差，以及載荷自身爆炸彈射精度誤差的綜合分析后，即可得出最終撞擊誤差范圍，飛行器即可根據(jù)分析結(jié)果在小天體表面通過光學(xué)成像比對(duì)搜尋撞擊坑。

2.7 撞擊驗(yàn)證試驗(yàn)方案

為了撞擊載荷能夠在實(shí)際任務(wù)中正常工作，以及為了得到載荷自身爆炸撞擊精度(爆炸撞擊速度誤差、爆炸撞擊射出方向誤差等)和撞擊坑制造能力，需要在地面開展爆炸撞擊試驗(yàn)。

爆炸撞擊試驗(yàn)分為兩個(gè)步驟實(shí)施：1)小尺寸縮比爆炸撞擊原理驗(yàn)證試驗(yàn)；2)半尺寸/全尺寸爆炸撞擊全物理模擬實(shí)驗(yàn)。

在小尺寸縮比爆炸撞擊原理驗(yàn)證試驗(yàn)中，只需要將EFP進(jìn)行縮比研制，載荷直徑可以減縮到幾十毫米量級(jí)，裝藥量可以減縮到百克量級(jí)，藥型罩質(zhì)量也可以減縮到幾十克量級(jí)，但要保證試驗(yàn)中藥型罩被爆炸射出的速度與實(shí)際任務(wù)需求一致，這就需要依據(jù)裝藥直徑、裝藥量、藥型罩質(zhì)量之間的理論關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算；在半尺寸/全尺寸爆炸撞擊全物理模擬實(shí)驗(yàn)中，需要完整的撞擊載荷進(jìn)行爆炸撞擊模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為：驗(yàn)證載荷各部件(電池供電、時(shí)序器計(jì)時(shí)信號(hào)、點(diǎn)火電路、雷管引燃、安全起爆裝置解鎖、底火觸發(fā)、炸藥爆炸等)的工作可靠性、測(cè)試出載荷自身爆炸撞擊速度及方向誤差、進(jìn)行藥型罩爆炸實(shí)際變形與模擬仿真的比對(duì)、撞擊坑試驗(yàn)尺寸效果與模擬仿真的比對(duì)。

3 撞擊模擬仿真

3.1 概述

對(duì)于金屬成形與超高速撞擊的數(shù)值模擬，為了能夠清楚地了解全變化過程,通常采用Lagrange方法，并選擇適當(dāng)?shù)慕佑|控制、沙漏和體積粘性控制、適當(dāng)?shù)臅r(shí)間刪除畸變單元，使仿真能夠順利地進(jìn)行。本文的仿真研究采用Lagrange方法。

生活會(huì)給你意想不到的禮物，或早或晚，直到你遇到那個(gè)人。丸子遇到了那個(gè)人，她覺得此刻，自己是世界上最幸運(yùn)的人。

針對(duì)小行星材質(zhì)，國外主要針對(duì)小行星組成成分開展研究，目前還沒有較為成熟的材料模型。根據(jù)小行星不同的反照率以及反照率與礦物種類之間的關(guān)聯(lián)性，科學(xué)家給出了不同反照率下小行星所含礦物的推測(cè)[15-19]：小行星組成成分的礦物學(xué)類似物主要有硅酸鹽、玄武巖、金屬、有機(jī)物、輝石等，且不同小行星的組成成分存在巨大差異。基于以上推測(cè)，本文針對(duì)EFP末端半球形彈丸高速撞擊混凝土靶材開展撞擊效能仿真。選取靶板密度、混凝土強(qiáng)度、靶板厚度和撞擊速度四項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，研究半球形彈丸撞擊效能和成坑直徑隨彈丸不同撞擊速度、靶板不同密度、不同強(qiáng)度和不同厚度的較高分辨率變化規(guī)律，為撞擊載荷總體優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了撞擊效能仿真技術(shù)支撐。

3.2 EFP形成過程數(shù)值仿真

首先，針對(duì)藥型罩的爆炸成型為近半球殼彈丸過程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真。

3.2.1 建模

考慮到藥型罩具有環(huán)形構(gòu)型圓對(duì)稱特性，因此只在橫豎對(duì)稱面上施加仿真約束。

3.2.2 網(wǎng)格劃分

由于本模型呈中心對(duì)稱，所以為了減少計(jì)算量，建立了實(shí)體模型。本文采用cm-g-μs單位制，運(yùn)用六面體八節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行劃分。

本文研究的模型選用Solid164，網(wǎng)格全部采用Mapped方式。

3.2.3 材料選擇

其它關(guān)鍵參數(shù)如下：1)PBX9010炸藥參數(shù)，爆速0.84 cm/μs，C-J壓力PCJ為34 GPa，方程系數(shù)A為581.4 GPa，方程系數(shù)B為6.801 GPa，方程系數(shù)R1為4.1，方程系數(shù)R2為1.0，方程系數(shù)ω為0.35；2)紫銅參數(shù)，彈性模量E為129 GPa，剪切模量G為46 GPa，泊松比μ為0.35，動(dòng)屈服強(qiáng)度σD為90 MPa，硬化系數(shù)β為1.0。

3.2.4 仿真結(jié)果分析

圖5 EFP成型過程Fig.5 The modification process of the explosive cover

在求解過程中，在20 μs時(shí)刪除火藥單元,使用小型重啟動(dòng)繼續(xù)計(jì)算。EFP仿真起爆點(diǎn)在藥柱頂部中心。圖5顯示了EFP成形變化過程，基本展現(xiàn)了藥型罩在爆轟波的壓力驅(qū)動(dòng)下從藥型罩頂部開始發(fā)生壓垮變形的情況：藥型罩受到爆轟波作用，凹凸形狀反向變形，并且在徑向壓縮和軸向拉伸作用下最終形成“近似液滴”構(gòu)型。彈丸前、中、后所取單元的速度時(shí)程如圖6所示。

仿真結(jié)果表明這類EFP的最終成型速度最大約為2.5 km/s，符合預(yù)期。

圖6 彈丸前、中、后部所取單元節(jié)點(diǎn)速度曲線Fig.6 The velocity curves of nodes from the top/middle/bottom part of the EFP

3.3 EFP半球形彈丸高速撞擊靶板數(shù)值仿真

數(shù)值模擬仿真有限元模型如圖7所示。

圖7 半球形彈丸撞擊混凝土靶板有限元模型Fig.7 The FEM of the EFP impacting the solid concrete target

半球形彈丸：外徑R=6.1 cm，內(nèi)徑r=5.75 cm，材料為紫銅，密度8.96 g/cm3。靶板：尺寸為60 cm×60 cm×10 cm，材料為混凝土。

因?yàn)橹豢紤]彈丸的垂直撞擊，所以利用無反射邊界條件建立1/4模型進(jìn)行計(jì)算。本文建立模型時(shí)基本單位取為cm，g，μs，彈丸及靶板均采用 SOLID164實(shí)體單元，網(wǎng)格全部采用Mapped方式。藥型罩與靶板有限元模型均采用Lagrange算法。靶板模型中心位置的網(wǎng)格劃分較密，在對(duì)稱面上施加節(jié)點(diǎn)平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)約束；靶板邊緣一周施加6自由度固定約束。

混凝土材料參數(shù)如下：材料模型為MAT_SOIL_CONCRETE，密度ρ為2.5 g/cm3，彈性模量E為30 GPa，剪切模量G為12.5 GPa，體積模量K為16.67 GPa，泊松比μ為0.2，殘余強(qiáng)度因子B為0.3。

仿真工況設(shè)置：本文采用9種工況模型設(shè)置：1個(gè)基本模型，根據(jù)靶板密度，混凝土強(qiáng)度，靶板厚度和彈丸著靶速度，定義了另外8種工況模型。其中基本模型取靶板密度ρ為2.5g/cm3，混凝土靶板厚H為10 cm，混凝土靶板彈性模量E為30×106N/cm2,半球形彈丸著靶速度V為2 km/s(即0.2 cm/μs)。其他八個(gè)模型中靶板密度分別取2.0 g/cm3和1.5 g/cm3，混凝土靶板彈性模量分別取E=20×106N/cm2和E=40×106N/cm2，混凝土靶板厚度分別取20 cm和30 cm，半球形彈丸著靶速度分別為3 km/s(0.3 cm/μs)和4 km/s(0.4 cm/μs)。

本文采用侵蝕接觸算法破壞單元并重建接觸面，破壞準(zhǔn)則基于壓縮時(shí)的有效塑性應(yīng)變和拉伸應(yīng)力，當(dāng)單元的有效塑性應(yīng)變或拉伸應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)，單元消去，不再為彈頭侵徹提供阻力。計(jì)算時(shí)間為600 μs，每2 μs 輸出一個(gè)結(jié)果數(shù)據(jù)文件，計(jì)算結(jié)束后，運(yùn)行后處理軟件查看計(jì)算結(jié)果，得到半球形彈丸的速度時(shí)程曲線和靶板破壞狀態(tài)圖，仿真結(jié)果如表1所示。

1)從表1第一部分中，可以初步得出：對(duì)靶板而言，隨著密度增大，彈丸撞擊靶板時(shí)彈丸速度損失越大，成坑直徑基本不變。

2)從表1第二部分中，可以初步得出：對(duì)靶板而言，隨著板厚增加，彈丸撞擊靶板時(shí)彈丸速度損失規(guī)律不明顯，成坑直徑變小。

3)從表1第三部分中，可以初步得出：對(duì)靶板而言，隨著彈性模量的增大，彈丸撞擊靶板時(shí)彈丸速度損失增加，成坑直徑變大。

4)從表1第四部分中，可以初步得出：對(duì)彈丸而言，初始速度增加導(dǎo)致的撞擊靶板時(shí)的速度損失規(guī)律不明顯，但導(dǎo)致的成坑直徑會(huì)逐漸增大。

3.4 EFP半球形彈丸高速撞擊靶球數(shù)值仿真

增加靶板改成靶球進(jìn)行數(shù)值仿真的考慮因素：1)研究靶的形狀對(duì)彈丸撞擊成坑規(guī)律的影響;2)為之后的小行星成坑變化規(guī)律數(shù)值仿真奠定基礎(chǔ)。本文在初步研究時(shí)，采用EFP末端半球形彈丸高速撞擊混凝土靶球做相關(guān)仿真，選取靶球密度、混凝土強(qiáng)度、靶球半徑和撞擊速度四項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，研究彈丸撞擊效能和成坑直徑隨不同彈丸撞擊速度、靶球不同密度、不同強(qiáng)度、不同大小的變化規(guī)律。其數(shù)值模擬仿真有限元模型如圖8所示。靶球半徑60 cm，材料為混凝土。

圖8 半球形彈丸撞擊混凝土靶板球有限元模型Fig.8 The FEM of the EFP impacting the spheroidal concrete target

其建模過程、材料參數(shù)、仿真工況、計(jì)算參數(shù)與3.3節(jié)EFP半球形彈丸高速撞擊靶板數(shù)值仿真算例一致，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 不同靶球密度、半徑、彈性模量、撞擊速度下的彈丸剩余速度與成坑直徑結(jié)果

從表2第一部分中，可以初步得出：對(duì)靶球而言，隨著密度增大，彈丸撞擊靶球時(shí)彈丸速度損失規(guī)律不明顯，成坑直徑變小，與靶板規(guī)律不一樣；從表2第二部分中，可以初步得出：對(duì)靶球而言，隨著靶球半徑增大，彈丸撞擊靶球時(shí)彈丸速度損失規(guī)律不明顯，成坑直徑變大，與靶板規(guī)律不一樣；從表2第三部分中，可以初步得出：對(duì)靶球而言，隨著彈性模量的增大，彈丸撞擊靶球時(shí)彈丸速度損失規(guī)律不明顯，成坑直徑變大，與靶板規(guī)律相似；從表2第四部分中，以初步得出：對(duì)彈丸而言，隨著初始速度增加，彈丸撞擊靶球時(shí)速度損失規(guī)律不明顯，成坑直徑變大，與靶板規(guī)律相似。

4 結(jié)束語

以隼鳥2號(hào)任務(wù)撞擊載荷為研究參考對(duì)象，對(duì)聚能爆炸成型彈丸(EFP)、安全可靠爆炸、夾緊釋放裝置、撞擊效應(yīng)設(shè)計(jì)、載荷總體系統(tǒng)、撞擊任務(wù)設(shè)計(jì)、撞擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)7個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)解析闡述，形成了體積為直徑200 mm×高度190 mm、總重為10 kg的深空撞擊載荷初步總體設(shè)計(jì)方案；通過撞擊模擬仿真，形成了撞擊速度、靶板強(qiáng)度、靶板密度、靶板體積不同參數(shù)條件下的撞擊坑坑徑變化規(guī)律。

發(fā)現(xiàn)撞擊速度在0.2～0.4 cm/μs變化范圍下，可以產(chǎn)生直徑為32～47 cm大小不同的撞擊坑，但是其中的變化規(guī)律不盡相同，例如：對(duì)靶板而言，隨著密度增大，彈丸撞擊靶板時(shí)彈丸速度損失越大，成坑直徑基本不變；然而對(duì)靶球而言，隨著密度增大，彈丸撞擊靶球時(shí)彈丸速度損失規(guī)律不明顯，成坑直徑變小，與靶板規(guī)律不一樣。后續(xù)需要設(shè)計(jì)并開展相應(yīng)半物理或全物理仿真試驗(yàn)，對(duì)高速瞬態(tài)撞擊機(jī)理進(jìn)行深入分析。