5.3　防护原理

广义的航天器空间碎片防护是指提高航天器在空间碎片环境中生存能力的措施，具体包括：①航天器在空间碎片撞击下的易损性；②基于空间碎片环境模型的航天器碰撞风险评估；③基于撞击风险评估的航天器设备布局优化设计；④在航天器的高撞击风险部位和易损部组件加装防护屏。对于空间碎片的防护，从主动性上分为被动防护和主动防护两部分。

航天器的被动防护主要是针对1 cm以下的毫米级和微米级M/OD超高速碰撞采取的一种结构防护措施，对于不同的任务使命的航天器，同一航天器不同分系统，因遭到的破坏和失效模式不同而有着不同的被动防护需求。对于载人航天器，如空间站等，需要较高的安全概率（国际空间站为0.998），防护的重点是乘员的安全和避免系统级失效的产生。因此，载人航天器防护结构设计的重点集中于压力舱等关键舱段和大部分敏感设备按防护等级要求进行有效且巧妙的屏蔽防护，主要为防护屏防护；对于非载人航天器，例如卫星等，由于其失效模式的复杂性及质量上的严格要求，通常应尽量避免采用专用防护墙，而是对其外露结构和关键部件进行防护结构设计，主要为非防护屏防护，可大致分为主结构防护、复合材料防护和结构遮挡防护。

被动防护的基本原理就是通过在航天器舱壁外部设置防护屏的方法，使初始入射碎片先与防护屏发生超高速碰撞，使之碎裂、熔化甚至气化形成二次碎片云，最大限度地减小和分散入射碎片的动能，显著减小作用于航天器舱壁的碰撞能流密度，从而达到减轻对航天器舱壁破坏作用的目的。另外，如果防护屏与航天器舱壁之间的间距不足，即使入射碎片与防护屏碰撞形成了二次碎片云，但由于碎片云在碰撞舱壁之前没有形成有效的扩散，仍有可能对舱壁造成穿孔、层裂、剥落、成坑等破坏。

航天器空间碎片的主动防护是利用侦测机构对抵近航天器的碎片等进行监控，提前估计碎片撞击的位置及时间，通过控制系统提前将防护屏障在撞击点处快速释放并快速展开，以实现在撞击威胁下将碎片“拒之门外”。与被动防护机构相同，主动防护也是使用多层防护屏，与入射碎片进行碰撞减速，以减小其对航天器舱壁的伤害，不同的是，主动防护由于要满足可折叠展开的条件，所用为多层柔性防护层，其中填充泡沫或者气体，来达到对航天器防护的目的。主动防护机构可以定向释放，回收使用，在日常不用时可以折叠收回，相较被动防护机构具有体积小、质量小、效费比高的优点。但相对被动防护机构，主动防护由于概念比较新，仍有很多工程问题需要解决，还未大范围普及，因此在未来的研究及应用上具有重要意义。

由此可见，在防护结构设计上，虽然各种防护结构在具体形式上会有所不同，但都遵循由防护屏、舱壁和间距构成这一共性设计思想，防护材料性能及防护结构参数则决定着其防护性能的优劣。一个性能优良的防护结构，除了需要满足质量小的要求外，还要使入射的空间碎片在碰撞防护屏后能尽可能发生熔化或气化，产生的反溅粒子要尽可能小而少，二次碎片云在碰撞到航天器本体之前能得到充分的扩散，同时还要求航天器本体材料应具有较强的吸收微碎片粒子的能力。