超高速撞击试验新进展：轻气炮与空间碎片防护研究动态

为什么关注超高速撞击

近地轨道是空间碎片最密集的区域。毫米级碎片在轨道速度下即可能对航天器造成严重甚至灾难性损伤——公开资料显示，微小漆片在轨道速度下曾造成国际空间站舷窗开裂。由于尺寸小于 10 厘米的碎片难以追踪、更无法清理，被动防护设计成为主要应对手段。

要在实验室研究这一问题，就需要把弹丸加速到轨道速度量级，这正是轻气炮的核心用途。

轻气炮如何复现轨道速度

两级轻气炮先压缩氦气、再压缩氢气，逐级提升驱动气体声速，从而把毫米级弹丸加速到数千米每秒。公开报道中的典型指标包括：

• 美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校新建的两级轻气炮设施可将数毫米级弹丸加速至最高 7.5 km/s，该速度对应典型的近地轨道撞击条件；

• 得克萨斯 A&M 大学超高速撞击实验室在一项实验活动中，借助速度放大器实现了弹丸速度超过 12 km/s 的发射，进一步扩展了实验室可复现的撞击速度区间；

• Sierra Space 在 NASA 白沙试验设施使用 .50 口径两级轻气炮，将近 7 km/s 的弹丸射入真空舱，为其充气式空间站舱体的防护屏蔽开展了数十次发射试验。

防护构型的研究方向

当前航天器的主流防护方案是 Whipple 防护屏：外层薄板在撞击时使弹丸破碎、气化并形成扩散的碎片云，与舱体之间留出间隙让碎片云充分膨胀，从而降低传递到后板的能量密度。研究重点集中在如何以最小的质量代价提高防护阈值。

公开报道中的新进展包括：大连理工大学团队提出的一种注水铝制仿蛋壳阵列结构，在 7.5 km/s 的轻气炮试验中使弹丸速度降低接近 65%，优于纯铝板的 51%；该研究通过几何协同变形与内部液体的冲击波抑制两种机制实现能量耗散，属于实验室阶段的结构验证，距离工程应用仍需解决轻量化、密封与在轨验证等环节。

对工程实践的启示

这类研究的共性价值在于：实验室能够复现轨道级撞击条件，是防护构型快速迭代的前提。防护设计的评价指标不能只看速度衰减比例，更应关注碎片云形态、后板损伤程度与临界穿透阈值等可直接转化为设计裕度的数据。

同时需要注意，实验室试验属于地面等效模拟，受真空度、重力与样品尺寸限制，其数据主要用于构型筛选与数值模型验证，替代不了在轨验证。

资料来源：本文内容整理自公开报道（含 Tech Times、Texas A&M Engineering Experiment Station、University of Illinois Urbana-Champaign、SpaceMart 等媒体的公开文章），由九问试验编辑整理。文中数据为公开报道指标，不代表九问试验设备参数。