太空“反應裝甲”的誕生“惠普爾盾的多層防護”

關于是否應該當初放棄7.62毫米口徑改用5.45毫米口徑的爭論至今仍在繼續。許多人真心認為，改用更輕的子彈是一個錯誤，因為它殺傷力較低，飛行穩定性差，更容易受到外部因素影響。

但現在試想一下，如果把同樣的子彈不是加速到AK-74的910米/秒，而是……18,000米/秒，那么哪個防彈衣能承受得住？哪種裝甲能擋得住？

顯然，這種速度在地球環境下只能在特殊條件下實現，而為了普通子彈，沒有人會去制造這種條件。但在太空中，這類“物體”以驚人的速度飛行的情況卻非常普遍。而且，這些高速物體的大多數都是“微小物”，也就是微流星體（直徑從幾分之一毫米到1厘米不等）或航天器殘骸。

四年前，在各個近地軌道高度上存在超過1.3億個直徑為0.1-1厘米的物體。其中有2,000公里以下低地球軌道上約有2,000萬個。現在數量顯然更多。凱斯勒綜合癥的核心問題就在于：總有一天，人類將無法進入太空，因為我們的軌道將變成密密麻麻的太空垃圾，任何航天器幾乎都會被數十億飛行碎片中的任意一個碰撞摧毀。

鑒于這些碎片以極高的速度飛行，本身就具有巨大的動能，要想防護它們，唯一的辦法似乎是用超厚重的裝甲把航天器包起來，而把這種裝甲送入軌道則需要消耗成千上萬噸燃料。

但也可以換一種思路——大致就像現代軍事裝備的設計者們所做的那樣：他們并不依賴半米厚的整塊鋼板來防護坦克，而是采用多層鋼、鋁和陶瓷的組合，并在其間加入各種能夠分散、耗散彈丸能量的夾層材料。

正是在這樣的思路下，誕生了惠普爾防護盾（Whipple Shield）的概念，它以美國發明家弗雷德·惠普爾（Fred Whipple）的名字命名。更準確地說，這種“防護盾”并不是某一種具體的裝置，而是一整套防護理念：其核心在于，讓被保護的目標擁有多層防護屏障，并且這些防護層彼此之間保持一定的間距。

注：惠普爾盾（Whipple Shield）或稱惠普爾緩沖裝甲（Whipple bumper）是一種間隔裝甲防護，由弗雷德·惠普爾（Fred Whipple）發明，旨在保護載人或無人航天器免受微流星體和軌道碎片的超高速碰撞。地球軌道上物體的相對速度可高達每秒 18 公里（每秒 11.2 英里），即使是非常小的物體也可能對航天器造成損傷。據 NASA 介紹，惠普爾盾設計能夠承受直徑達 1 厘米的碎片碰撞。

這些防護層之間的空間可以填充氣凝膠、凱夫拉、防護用氧化鋁纖維或其他材料。這樣，當外來物體撞擊防護層時，它會被破壞并分裂成更多更小的碎片，而這些碎片則會被防護盾的其他層攔截。不過，即便沒有任何填充材料，僅靠這些防護層本身，也能按同樣的原理發揮作用。

當然，把整個航天器完全包裹在這種防護盾中是不可能的——成本太高。因此，通常只對關鍵部件和重要系統進行保護。據說在國際空間站上安裝了100多個不同配置的惠普爾防護盾。

即便如此，外來物體仍然會撞擊，留下穿孔。

不過，正如近年來的事件所顯示的，這些物體甚至可以從內部穿透航天器。在這種情況下，無論再多的惠普爾防護盾也無濟于事——如果一個物體想要鉆穿，它終究會做到！

于是就有一個問題：惠普爾設計的防護裝置能否保護飛行器免受更強大的攻擊，例如——“海因里希·里希特”的炮彈？有人認為不能，畢竟這不是“直徑不超過1厘米的物體”，而是體積和質量都大得多的東西。尤其是，如果不是一次射擊，而是幾十次連續射擊，更是難以防御。

弗雷德·勞倫斯·惠普爾（Fred Lawrence Whipple，1906年11月5日－2004年8月30日）是美國天文學家，美國國家科學院院士，同時也是多所學術機構和科學學會的成員。

他出生于愛荷華州的紅橡鎮（Red Oak），畢業于加州大學洛杉磯分校，曾在加州大學伯克利分校工作，隨后在哈佛大學及哈佛天文臺任職，并擔任史密森天體物理天文臺臺長。

惠普爾研究了彗星、流星和行星狀星云，研究恒星和太陽系的演化，發現了新的小行星和幾顆彗星。他提出了彗星核由冰和摻雜隕石物質顆粒混合而成的模型，這就是著名的“臟雪團理論”。

他還主持了NASA的流星攝影和隕石搜索項目，并擔任該機構許多其他項目的顧問和負責人。

惠普爾盾（Whipple Shield）在 NASA 的“星塵號”（Stardust）探測器上的應用。

防護設計應用

與早期航天器采用的整體防護相比，惠普爾盾由相對較薄的外部緩沖層組成，且與航天器主壁面保持一定間距。緩沖層并不期望完全阻止入射粒子或消耗其大量能量，而是將其擊碎并分散，使原始粒子的能量分散到緩沖層與壁面之間的多個碎片上。原始粒子的能量被更均勻地分布到更大的壁面區域，從而更有可能被主壁面承受。相比實心防護層，惠普爾盾可以降低航天器整體質量（在航天飛行中始終是理想的），但額外的間隔體積可能需要更大的有效載荷整流罩。

惠普爾盾有幾種變體。多沖擊盾（multi-shock shields），如“星塵號”航天器使用的，就采用多個緩沖層間隔排列，以增強保護能力。夾填充物的惠普爾盾被稱為填充式惠普爾盾（stuffed Whipple shields），填充物通常為高強度材料，如凱夫拉（Kevlar）或氧化鋁纖維（Nextel）。防護類型、材料、厚度和層間距離可根據需要調整，以設計出質量最小且穿透概率最小的防護盾。在國際空間站上，僅高風險和重要區域就配備了超過 100 種不同配置的惠普爾盾。

過去幾周，月球棲息地經歷了大幅度的改造。設計上的重大和細微變化都是基于工程需求、有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）以及在構建比例原型過程中學習到的制造技術進行的。一些較大的變化包括：骨架結構的重新設計、內部墻體的移除，以及惠普爾盾（Whipple shield）的重新設計。其余的設計修改屬于細微調整，主要是為了配合前述重大改動。一些設計修改還被直接應用到了團隊正在設計的物理原型上，以節約成本并使制造過程可行。

骨架結構進行了兩次關鍵的設計迭代。第一次迭代涉及骨架結構的截面設計。最初，骨架結構被設計為矩形梁。然而，在壓力壁實施后，板狀結構承受的重量過大。為此，結構被改為圓形管材，這樣不僅更容易焊接，也能減少應力集中。下圖展示了前后兩種設計。

圖 1 & 2：骨架結構設計

除了截面形狀之外，骨架的六邊形結構也進行了分析，以提高整體完整性。一個關鍵假設是焊接材料的性能與金屬本身相同。下圖 30 展示了對骨架結構某一子區域進行的分析。所選擇的力是根據內部壓力計算得出的，即 101300 N/m2 × 梁表面積的一半。該力的計算屬于初步估算，用于選擇更合適的厚度進行深入分析。然而，由于 Solidworks 仍然無法對全尺寸模型進行良好網格劃分，因此無法進行全面深入分析。因此模型被拆分，僅對六邊形區域進行分析。隨后按照上述方法計算作用力。

使用上述力值，每個梁部分施加了四個力，以形成關鍵應力集中點，從而更清楚地分析載荷路徑。然而，結構表現良好，可能仍需要支撐件以確保系統正常工作。該研究針對鈦和鋁材料進行了分析，但在規定厚度下，最終選擇了 6061 T6 鋁合金。下圖展示了對六邊形區域的分析。

圖 3：骨架結構六邊形截面

窗戶也進行了改造，窗框現在焊接在骨架結構的末端。棲息地上的 ISS 風格窗戶在最新迭代中進行了小幅重新設計。使用 Solidworks 的焊接特性（weldments）重新設計，意味著新窗框直接構建在骨架結構中。這一改動節省了 164.88 公斤重量。

惠普爾盾（Whipple Shield）

惠普爾盾是月球棲息地的最外層，用于保護宇航員免受微隕石的撞擊。該盾進行了多次設計修改，目前由 6 層交替的凱夫拉（Kevlar）和 Nextel 層構成，夾在兩塊鋁板之間，并在后部緩沖板底部附加了 3 層多層絕熱層（MLI, Multi-Layer Insulation）。惠普爾盾子組件通過 ANSI 公制 M24x3.0 螺栓和墊圈組合固定；最小的鋁板上有螺紋孔，而 MLI、凱夫拉和 Nextel 層上則有通孔。每個惠普爾盾的方形截面尺寸為 400mm × 400mm。附錄圖 12 展示了定制圓柱形緊固件組件的尺寸。

圖 5：惠普爾盾設計及緊固件（頂視圖與側視圖）

圖 6：添加材料后的惠普爾盾

壓力壁（Pressure Wall）

第二次應力分析是在骨架結構內部的壓力壁上進行的。如果壓力壁能夠很好地承受作用力，就能幫助緩解骨架結構上的力。因此，對比了 2.54mm 和 25.4mm 的厚度。結果顯示，25.4mm 的厚度效果比預期更好。研究結果如圖所示。

圖 7：壓力壁的位移-變形結果

第二次研究還對比了鋁和鈦材料。鈦和鋁的應力和撓曲參數相似，但鈦重量超過 7000 公斤。因此，鋁被選為進一步分析的理想材料。

圖 8：壓力壁應力研究結果

圖 9：壓力壁隱藏線等軸測圖

氣閘室（AirLock Room）

棲息地中最關鍵的部分之一是將氣閘門整合進整體結構設計中。研究包括減壓與棲息地內的適當壓力值、材料選擇、尺寸、CAD 模型，以及艙外活動（EVA）的細節。棲息地將設有氣閘室，宇航員將在此進入、更換航天服、減壓，然后通過加壓門離開建筑。加壓艙與自然棲息地之間的墻體將采用航天服口氣閘（suitport-airlock）概念，并配有內部艙門，供宇航員在兩個艙室之間移動。

圖 10：航天服口氣閘概念

為了準備艙外活動，在穿脫航天服時，氣閘環境的壓力將降低至約 8.2 psia，氧氣濃度約為 34%。環境加壓值對于限制航天服的壓力差至關重要。在自然棲息地內，通過環境控制與生命維持系統（ECLSS）將保持 14.7 psia 的正常氣壓。該設計帶來多個長期可持續和高效益：減少氣體損失、降低有害輻射、塵埃和顆粒對航天服及關鍵系統的影響。氣閘室的尺寸、進出方式及穿脫航天服方法均基于深空旅行研究選擇。氣閘室總直徑約 3.5 米，高于之前的 3.0 米，以容納兩座航天服口之間的艙門。內部空間約 11 立方米，為幫助宇航員更輕松穿脫航天服，航天服口傾斜約 20 度。下圖顯示氣閘門和航天服口的尺寸示意。

圖 11：后入式氣閘尺寸

縮放原型說明（Scaled Prototype）

骨架結構使用 #3 3/8” 鋼筋通過切割、焊接和噴漆構建。骨架結構采用更新后的設計，包括新的橫梁。壓力壁由 24 號鍍鋅鋼板制成，通過等離子切割、卷曲和點焊形成所需圓柱形狀，成品直徑 13”，適合放入骨架結構內。

圖 12：壓力壁與骨架結構

多層絕熱層（MLI）通過在雙層反射絕熱材料上包裹鋁化聚酯薄膜（Aluminized Mylar）制成。Mylar 顯示外層，DRI 顯示內層。絕熱層厚度約 10mm，與全尺寸原型艙的厚度相似。

圖 13：MLI

地板采用 PLA 材料 3D 打印，填充率 15%。模型按實際設計縮小并略作修改以適配 13” 直徑壓力壁內。

圖 14：概念地板

惠普爾盾由 27 塊 1 英尺 × 8 英寸的板材切割制成，每三塊疊放組成盾牌組件，用 ?-20 螺紋螺栓與墊圈固定，板材間使用不銹鋼間隔片。

圖 15：惠普爾盾

窗戶采用 PLA 3D 打印，填充率 15%，用強力膠粘合。窗戶專為原型設計，以便與平面側面接口并固定在框架上。

圖 16：窗戶組件