專利名稱：用于包封天基動能物體的催化分解泡沫材料的制作方法
技術領域：
本發明總地涉及包括當發射入太空或在太空進入軌道時有效載荷 (payload)內，在受控動能環嫂中的擴散，更^K地，涉及JM可分解的結 構有效栽荷泡;^H"料來包封和支持有效栽荷，從而減小重量，隔離振動，^# 關鍵有效載荷元件的排列，同時防iL^效栽荷內a的過早擴散(縱向的g 向的)。
背景技術：
過去20年包括美國在內的國家設計、制#部署了防御性動能殺傷武器 (KW， Kill Weapon)，以緩和世界上日益增長的洲際彈道導彈(ICBM)威脅。 許多這種反武器武器采用動態實時受控閉環搜索器/跟蹤器，以捕獲、識別、跟 蹤并摧毀ICBM。這種閉環需要有效技術來熟練完成任務。
為了替代這種困難的方法，科學家們想出可稱作"霰彈法(shot-gun approach)"的方法。il種方法朝ii^目標發iil"^布范圍(pattern)的動能介 質(kinetic media)，賄了iM]單個加速彈頭打擊加速iiA的彈頭的問題， 該問^Ji^"技術水平的單個、受控攔截器UV， Kill Vehicle)方法所固有 的。分布這種介質的霰彈法具有它的局限性，即禍長布范圍的擴散限制于直到 接近于撞擊和"fe^^夠的榴霰彈到目標上以保iiE^^目標。
興趣目標包括M限于ICBM, ICBM假目標，遙控飛行器，衛星，不希望 的太空碎片(包括用于使退;&i艦離^il)。
需^""種將允if^能介質的有效載荷在太空^ii的裝置，它肯yC^l輕重 量的、適合于艦向多個目標^ii擴散受控的動能介質的裝置。
發明內容
根據本發明的一個方面，包括M、或至少部分被可由高能電磁輻射分解的泡沫材料包圍的動能介質的有效載荷通過運載器被發射進入太空以攔截導 彈。一旦進入太空，該泡沫材料通過暴露于高能電磁輻射而被分解，其將釋放 動能介質以攔截導彈或其它目標(一個或多個)。這項技術是一種控制針對目 標的擴散散布范圍的低成本方法，從而保證更好的目標攔截可能性，此外不產生可探測的或危險的軌道碎片。
進一步根據本發明的一個方面，提供一種用于發射包括動能介質的有效栽 荷進入太空以攔截導彈的運載器，其中動能介質被至少部分地包圍它的可分解 泡糾料容納。
更進一步根據本發明的一個方面，提^-種用于在發射ii^太空以攔截導 彈的過程中保護有效栽荷的方法。該方法包括
通過采用可由高能電,i^j"分解的可分解泡沐材^分地包圍所述有效栽
荷來保護有效栽荷；
發射有效栽荷，同時4緣其結構完整f紳排列；和 一對效栽荷處于太空中，通過露于高能電^^分解泡'^t料。
圖1是示意圖，表示才M居本發明的一個實施方案，采用包封在可分解泡沫 材料內的動能介質才誠目標并將^^爻的兩^^射順序；和 圖1A是圖1的部分放大大圖。
具體實施例方式
包封著待推入太空的動能介質有效載荷的紫外線(UV)催化升華的泡沫 材料提供了 一種超輕重量的、適合于M向多個目標投放散受控的動能介質 的裝置，所述目標例如但不限于ICBM， ICBM假目標，遙控飛行器，衛星，不希 望的太空碎片(包括用于使退役衛星脫離歸)。"動能介質"是指具有使得 所選擇的目標失效的臨界量的動能的任何材料。動能介質的例子包括但不限于， 硅(元素)粒子，硅#，和氧化勿，以及高射炮彈片(flak),鐵和非鐵榴 霰彈，塑料，長鏈聚合物，炸藥，以及任何可具有足以完成所述任務(即摧毀目 標)的設定密度的有機物，或者能摧毀目標、或者使目標無害、或者使目標更 容易識別或更容易辨別的活性介質。
通過可分解泡沫材料內嵌入能動介質，可以控制動能介質的擴散，以用 于反制太空物質(counter space-asset)摧毀(例如將大的軌道碎片分解成更
小的、破壞性更小的尺寸)，或者用于AUt^的彈道導彈有效栽荷的假目標中 識別出彈頭。
紫外線催化升華的介質J^地,氐了重量、結構、和用于向目標^^t動能 介質的傳統方法(如^l^^^文機構)的復雜性。由于它斷氐的重量和復雜性， 這種^^文介質對于需要多個或者甚至數百個衛星的星座防御系統將特別有利。 除了節省重量和成本，這種泡沫材料的優點有很多，它適于任何有效栽荷形狀,
因為它能注射、噴射、成形、模塑、容易切割或者加工以支持^f可需要的;u可 形狀。
為了成功地支持被推進入軌道的動能介質，對有機合/或無機泡沫材料進行摻雜(機械地和升華)以減輕和削弱特定的環境頻率。一旦進入軌道，有效栽 荷外殼打開，從而使這種結構介質暴露在太空強紫外線環境中。這種紫外線能量催化(摻雜的)泡沫材料的分解，從而使待投放到目標的動能介質暴露。泡沫材料設計成使輻射,反應的自然趨勢強化在太空容易獲得的并由臭氧自然過濾的低波紫外線(〈290nrn)作用下^發生，具有最強揮發性。這種自然特 性增加的價值在于當在地面上生產和加工時該材^Nt、定，而當它暴露于太空 紫外線環境時就會升華。
如本文所述，該泡沫材料在高能電輻射， 優選是紫外線輻射下，尤其是 在小于約1000nm(lum或者l(T米)時, 優選是l小于約100nm (10—7米)時可以 分解。優選實施方案中，所述高能包括小于290nrn的低波紫外線。盡管本說明 書是用紫外線輻射進行描述本領域技術人員將更懂得更高能量的光子，包括但 不限于X射線、伽馬射線、宇宙射線，也可以用來分解泡沫材料。
為了紫外線催化升華的介質的發泉，可以獲得一些材料M中進行選擇。 當前工業使用短鏈(塑料)和長鏈(橡膠)聚合物、氯乙烯、以及聚碳 (poly-carbon)作為紫外^JSM。這些材料的獨特屬性如強度、初度和抗 撕強度得到提升，&由于分子的非常高的分子量，這些分子通過原子之間的 化學鍵(共價鍵)結合。輛聚乙烯膜襯量在300， 000左右。作為比較，二氧化碳和水的用量分別為44和18。才 定義，聚合物如聚乙烯的降解源于每 個襯中碳鍵的斷裂，同時斷氐了襯量和損失了機械性能，如拉伸強度、韌 度、和伸長百分比。因此包含可分解添加劑的產品由此呈現出分子量的劇烈下 降，從25萬到平均小于4000，導致該材料的艦分解。這種襯分解雌是放熱反應，從而保持了科學上"fi4遵循的質量和能量守恒。合適的有才/W包i^N"料 糾的例子包括但不限于，發泡或擠出的絲乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯共 聚物和聚氨酯。
許多因素能夠引發可降解聚乙烯g物的降解，如紫外線、熱量、氧# 麟力(如拉伸和撕裂)。降解一S^皮引發就將繼續。"""fe^，該催化過程中 需要氧；但最近科學家們采用包含在泡沫材料物質內的過氧化物來替代大氣以 不依賴大氣而加速該過程。降解的最終結果是#^丈醇、二氧^^和水(反應后 副產物)。
這樣的反應的簡單例子可以用臭氧的生成例子加以說明。臭舉是優秀的氧 化劑，^HtoM曼賄才;W包'^t料。當02和N(U^^暴露于亮光時可形成臭氧
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這個過程中作為中間體的單氧原子o。非常有反應性，容易附著到任何清除 襯上。在大氣的情況下，它附著到容易獲得的02上形成臭氧03。 這是化學反應的一個簡單例子。同樣簡單和直接可適用的是在低頻波長下臭氧和二
氧化物分子分解的紫外線合合成反應。這一基本的化學準則是釋放將侵蝕和分解
泡-;W料的氧分子的關鍵。在一個實施方案中，泡沫材料^viu匕劑，或者自
由基引發劑，M通過低波長(小于290nm)紫外線輻樸激發。 一旦紫外線能量 釋改自由基形式的氧化劑，太空中02或其它清除劑的缺乏^f呆iiil些自由基將 繼續侵蝕唯一肖^l得的可清除分子，即泡沫材料。
泡沫材料從而希望嵌入由低波長(。90nm到240nm)紫外W^激發的氧化
有效棒改以破壞省4;w包';W料的氧化劑；這些是^氟。所棒化學化^7(即
自由基引發劑，可以用于分解泡沫材料)的例子，包^r但不限于氧4匕鋁， 化氫，三氧化硫，氟^^L， 一氧化二氮，苯偶亂二曱基縮酮，三曱J^i苯曱酮， cc-羥基酮，二苯曱酮，itfU體曱酰，二-異丙基-itlu^酸酯，二-仲丁基 itlU^酸酯，叔丁Ut^新戊酸酯，it^化辛酰，itlL化月桂酰，it^化乙 酰，叔丁J^異丁酸酯，ii!U樹-絲甲酰，羥^it^f德，二叔丁扭 過鄰^J1曱酸酯，叔丁M乙酸酯，叔丁^itlL異丙M酸酯，叔丁^it^曱
酸酯、^古Jdt^^緣、叔丁基氬it^^緣、it^化曱乙酮，二叔丁JdtlU匕
物，p-薄荷烷氫過氧化物,蒎烷氫過氧化物，枯烯氫過氧化物，2， 5-二甲基-2， 5-二氫過氧化物,叔丁基氫過氧化物-90，過硫酸銨，過硫酸鉀，偶氮化合物,如2， 2'-偶氮二異丁腈、4，4'-偶氮二(環己腈)、4，4'-偶氮二(4-氰基-戊酸)和2，2'-偶氮二(2-曱基丙烷)，TRIG0N0X21 (叔丁基過氧-2-乙基己酸酯，可從Akzoft & Nobel獲得)，和PERKAD0X16 (二 (叔丁基環己基)過氧碳酸酯，可從Akzo & Nobel 獲得)，以及有機過氧化物如二枯基過氧化物,過氧化二辛酰，二肉豆 蔻過氧化物，過氧化月桂酰，l，1-二 (叔丁基過氧環己烷)，叔丁過氧 二乙基乙酸酯，以及枯基氫過氧化物。某些實施例中，因為它們的高反應性， 優選過氧化苯甲酰用于提供自由基引發劑的釋放。
泡沫材料被摻雜以減棘削弱特定的環境頻率，以便成功支持被推入軌 道的太空硬件。一旦進入軌道,有效載荷外殼打開，從而使泡沫材料暴露在太 空強紫外環境下。該紫外能量催化泡沫材料分解，從而使嵌入泡沫材料內的動 能介質暴露出來。如前所述，伽馬、X射線和宇宙射線可以用于催化泡沫材料分 解。
合適的有機泡沫材料基料是發泡或擠出的聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、
丙烯共聚物和聚氨酯。
現有技術
當前，選擇單元件直接碰撞殺傷(hit-to-kill)動能武器優于上面概述的
霰彈法。這些元件復雜且需精確搜索、跟蹤、導航和控制以運行。霰彈法存
在的問題有控制動能介質經過長彈道行程時間向目標的擴散，以賦予足夠的 能量確保它的摧毀，和投放機構足夠輕質和簡單以與現省技術竟爭。
當前，升華泡沫材料工業被限制于分解以下包裝材料用于保護限于地面 的有效栽荷，使其不受運輸物理環境的影響。現在，環境壓力要求如聚苯乙烯 之類的有機泡沫材料不僅在大氣中，而且在水和土壤下分解，那里可獲得的氧分子有限。為此，最近已經嘗朋氧化劑涂布包裝材料，這些氧化劑需要很 少的光或熱就能釋放并對泡沫材料行侵蝕。
圖1表示典型航天任務的一個實施方案，其中泡沫材料介質包封動能介質 (包4封留霰彈彈頭)。任務是向任何期望目標發射留霰彈彈頭。一旦泡沫材料暴露于低波長紫外能量，紫外能量使包封用泡沫材料升華、或分解，從而將 待撞擊目標的動能介質暴露。該包封不需要任何移動部件，并且起到擴散控制
裝置的作用，從而使動能介質能夠保持"緊密填充"，以向目#^^文盡可能多 的能量。在上面方案中，包封介質的發射是二次發射(shoot-shoot)策略的第 一次發射，起到清除機構的作用來消PHt人ICBM經常采用的假目標。這些假目 標的消除使第二次發射取消了識別工作，從而大大減小了任務的復雜性并因此 增加了成功的可能性。
如圖1所示，第一狄射100包括火箭推進運栽器110,它敘內有效載荷 120，有效載荷包括擴散在可分解泡沫材料24中的動能介質122。有效栽荷120被容納缺殼式外殼130內直到需要釋放有效栽荷，需要時蛤殼式外殼打開， 釋放有效載荷。希望動能介質122在位于基本上是類空間的高度的位置140上， 拉截伴伴隨著進入導彈(未示出)的假目標(未示出)，在所述位置紫外線和其 它合適的輻射可以分解泡沫材料。圖1A表示泡沫材料分解之前和泡沫材料包解之后的有效栽荷120，其中動能介質122當泡沫材料124分解錄小的尺寸時(在 124')釋放，這樣減小了有效栽荷的尺寸(在120')。最后泡沫材料124'完全分 解，有效栽荷120'消失，只剩下動能介質122。
第二次發射150包括火箭4，逸載器160，所逸逸載器敘內最初受蛤殼式 外殼180保護的沖誠動能彈頭170。 一旦假目標在位置140被動能介質122清除， 拉截彈頭170。 一旦假目標在位置142瞄準和摧毀進入的導彈。
圖1和圖1A表示的方案涉及一個實施方案，即二次發射方案，其中泡M 料包封的介質(有效栽荷120 )是發射的兩個運載器中的一個，第-運載器(容 納泡沫材料包封的介質)目的在于摧毀假目標(一個或多個)，第二運栽器目 的在于摧毀進入的導彈。在另一實施方案中，只發射敘內泡沫材料包封的介質 的運載器，其目的在于艮雄毀假目標(一個或多個)又摧毀進入的導彈。這一 實施方案中有足夠質量的動能介質122來完成任務。決定使用哪個方案留給防御系統，基于i^的教導防御系統可以構思最好的策略以及有效載荷120的尺 寸和動能介質122的數量，以防御進入的導彈和一個或多個可能的假目標。
許多情況下，泡沫材料以預^1率分解以保持動能介質對目標而言所需的 密度。知道高能輻射的波長范圍和它的強度、以及使用的特定泡沫材料當暴露 于高負^Of時的分解速率，使設計者能夠配置有效栽荷使得當泡i^料分解， 動能介質的所需密足以完成任務。
在太空應用中使用升華結構有效栽荷泡沫材料的優點包括
重量目前的衛星和太空有效載荷材料的重量大約是發泡的有機泡沫材料 的30倍。重量與向軌道投放硬件的成本成正比。目前，將硬件放入同步軌 道的花費大約為$20， 000/磅到$100， 000/磅。
成本粗略估計釆用包封的動能介質防御KV的鉢為目前采用兩次主動搜索直接磁撞射童殺傷KV的五分之一。轉換為每次任務數百萬美元。
增加殺傷可能性通過設計用于撞擊"真正"目標的動能彈頭的任務簡 化，IC服假目標的消除大大增加了成功對抗進入的ICBM的可能性。真正目標的 識別被廣泛認為是打敗進入的ICBM的最困難的問題。這里的教導為有效中段防 御系系統提供了幫助。
太空碎片升華泡沫材料不會留下硬的太空碎片，該M實施方案可用于 清除存在的太空碎片。
可能的目標包括，但不限于，ICBM、 ICBM假目標、遙控飛行器、衛星和不 希望的太空碎片(包括用于使退役衛星脫離軌道) 。具體應用涉及摧毀假目標 和衛星，因為它們需，少的動能來摧毀。
這里公開的反武器武器技術可以是針對進入的采用假目標的remote buss 或遙控飛行器(RV)的"預發射"。通過作識別工作，通過在位置140摧毀任 何假目標和假的進入導彈并且使得KV在位置142只處理真正的進入導彈，這種 預配置或者預發射將幫助隨后的攔截器(KV) 170。
這里公開了有機泡沫材料。但無機泡沫材料也可以制、使用，或者將其用 于含有有枳射料的摻雜結合物，以改變/控制/泡沫復合材料的分解速率和強度。
實施例
將聚苯乙烯擠出塊放置在大氣受控和光受控的帶搶窗的保護搶內。該搶回填有氬氣以吹掃球大氣。將絲乙烯與氧化物，如過氧化氬，氧化鋁，或三 氧化硫注射。檢驗材料的穩定性。抽貼空以才對以太空。再次檢驗材辨惑 定性。德窗暴露于高頻紫外線(汞蒸，模擬低波紫外線)。再次檢驗材 辨穩定性。微窗暴露于低頻紫外線。，膝到泡沫材料的升華。
以上實驗在負真空下進行。使用過氧化氫浴。使用mercad-蒸汽燈。材料 在汞光源下幾秒內分解。工業實用性
預期可分解泡沫材料可在以下方面中發現用途提供用于推進動能介質進 入太空以攔截進入的導彈和其它目標(例如衛星和太空碎片)的輕質機構。
權利要求
1、一種用于通過運載器(110)發射進入太空以攔截目標(140，142)的動能介質有效載荷(120)，所述動能介質有效載荷包括動能介質(122)，該動能介質至少部分地被可由高能電磁輻射分解的泡沫材料(124)包圍。
2、 如權利要求1所述的動能介質有效載荷(120) ， 其特征在于所述高 能電磁輻射小于ten to podwer of nagtive six meter.
3、 如權利要求2所述的動能介質有效載荷(120) , 其特征在于所述高 能電磁輻射是紫外輻射。
4、 如權利要求l所述的動能介質有效載荷(120),其特征在于所述可 分解泡沫料(124)包括聚合物，所述聚合物選自發泡聚苯乙烯、擠出聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯共聚物和聚氨酯。
5、 如權利要求l所述的動能介質有效載荷(120) ， 其特征在于所述可 分解泡沫料(124)包括自由基引發劑。
6、 如權利要求5所述的動能介質有效載荷(120),其特征在于所述自 由基引發劑以當所述可分解泡材料(124 )暴露于所述高能缺時足夠引發其 分解的數量存在。
7、 如權利要求l所述的動能介質有效載荷(120)，其特征在于所述動 能介質(122 ) 被嵌入再可分解泡沫料(124 )內。
8、 如權利要求7所述的動能介質有效載荷(120) ， 其特征在于所述動 能介質(122)選自砂、高射炮彈片、鐵榴霰彈、非鐵榴霰彈、塑料、長鏈聚合 物、炸藥、以及密足以摧毀所述目標的有機物。
9、 如權利要求l所述的動能介質有效載荷(120) , 其特征在于所述目 標(140, 142 )選自洲際彈道導彈、洲際彈道導彈假目標、遙控飛行器、衛星 和不希望的太空碎片。
10、 用于將權矛決求1所述的有效載荷(120 )發射ii7v太空以攔截所述目 標(140, 142 )的運栽器(110)，所述有效載#^，內在所述至少部分地包圍 所述有效載荷的可分解泡沫料(124 )內。
11、 用于投放權利要求l所述的有效載荷(120)以攔截所述目標(140，142)的方法，所述方法包括通過用所述可分解泡沫材料(124)至少部分地包圍所述動能介質(122) 提供所述有效載荷；發射所述有效載荷；和一旦所述有效載荷處于太空中，通暴露于所述高能電磁輻射分解所泡沫材料.
全文摘要
一種高能例如紫外線(UV)催化分解的、包封動能介質(122)的泡沫材料(124)形成了待推進入太空的有效載荷(120)，并提供了一種超輕重量的裝置用于攔截進入的導彈或其它目標(140，142)。分解的泡沫材料釋放動能介質(以設定速率分解以保持所述介質對于目標而言所需的密度)，以攔截目標并摧毀它。分解泡沫材料的使用顯著降低重量和成本，并提高成功摧毀目標的可能性。
文檔編號B64G1/00GK101175668SQ200580035928
公開日2008年5月7日 申請日期2005年10月19日 優先權日2004年10月20日
發明者A·T·曼瑟, Q·E·杜頓 申請人:雷斯昂公司