关于是否应该当初放弃7.62毫米口径改用5.45毫米口径的争论至今仍在继续。许多人真心认为，改用更轻的子弹是一个错误，因为它杀伤力较低，飞行稳定性差，更容易受到外部因素影响。

但现在试想一下，如果把同样的子弹不是加速到AK-74的910米/秒，而是……18,000米/秒，那么哪个防弹衣能承受得住？哪种装甲能挡得住？

显然，这种速度在地球环境下只能在特殊条件下实现，而为了普通子弹，没有人会去制造这种条件。但在太空中，这类“物体”以惊人的速度飞行的情况却非常普遍。而且，这些高速物体的大多数都是“微小物”，也就是微流星体（直径从几分之一毫米到1厘米不等）或航天器残骸。

四年前，在各个近地轨道高度上存在超过1.3亿个直径为0.1-1厘米的物体。其中有2,000公里以下低地球轨道上约有2,000万个。现在数量显然更多。凯斯勒综合症的核心问题就在于：总有一天，人类将无法进入太空，因为我们的轨道将变成密密麻麻的太空垃圾，任何航天器几乎都会被数十亿飞行碎片中的任意一个碰撞摧毁。

鉴于这些碎片以极高的速度飞行，本身就具有巨大的动能，要想防护它们，唯一的办法似乎是用超厚重的装甲把航天器包起来，而把这种装甲送入轨道则需要消耗成千上万吨燃料。

但也可以换一种思路——大致就像现代军事装备的设计者们所做的那样：他们并不依赖半米厚的整块钢板来防护坦克，而是采用多层钢、铝和陶瓷的组合，并在其间加入各种能够分散、耗散弹丸能量的夹层材料。

正是在这样的思路下，诞生了惠普尔防护盾（Whipple Shield）的概念，它以美国发明家弗雷德·惠普尔（Fred Whipple）的名字命名。更准确地说，这种“防护盾”并不是某一种具体的装置，而是一整套防护理念：其核心在于，让被保护的目标拥有多层防护屏障，并且这些防护层彼此之间保持一定的间距。

注：惠普尔盾（Whipple Shield）或称惠普尔缓冲装甲（Whipple bumper）是一种间隔装甲防护，由弗雷德·惠普尔（Fred Whipple）发明，旨在保护载人或无人航天器免受微流星体和轨道碎片的超高速碰撞。地球轨道上物体的相对速度可高达每秒 18 公里（每秒 11.2 英里），即使是非常小的物体也可能对航天器造成损伤。据 NASA 介绍，惠普尔盾设计能够承受直径达 1 厘米的碎片碰撞。

这些防护层之间的空间可以填充气凝胶、凯夫拉、防护用氧化铝纤维或其他材料。这样，当外来物体撞击防护层时，它会被破坏并分裂成更多更小的碎片，而这些碎片则会被防护盾的其他层拦截。不过，即便没有任何填充材料，仅靠这些防护层本身，也能按同样的原理发挥作用。

当然，把整个航天器完全包裹在这种防护盾中是不可能的——成本太高。因此，通常只对关键部件和重要系统进行保护。据说在国际空间站上安装了100多个不同配置的惠普尔防护盾。

即便如此，外来物体仍然会撞击，留下穿孔。

不过，正如近年来的事件所显示的，这些物体甚至可以从内部穿透航天器。在这种情况下，无论再多的惠普尔防护盾也无济于事——如果一个物体想要钻穿，它终究会做到！

于是就有一个问题：惠普尔设计的防护装置能否保护飞行器免受更强大的攻击，例如——“海因里希·里希特”的炮弹？有人认为不能，毕竟这不是“直径不超过1厘米的物体”，而是体积和质量都大得多的东西。尤其是，如果不是一次射击，而是几十次连续射击，更是难以防御。

弗雷德·劳伦斯·惠普尔（Fred Lawrence Whipple，1906年11月5日－2004年8月30日）是美国天文学家，美国国家科学院院士，同时也是多所学术机构和科学学会的成员。

他出生于爱荷华州的红橡镇（Red Oak），毕业于加州大学洛杉矶分校，曾在加州大学伯克利分校工作，随后在哈佛大学及哈佛天文台任职，并担任史密森天体物理天文台台长。

惠普尔研究了彗星、流星和行星状星云，研究恒星和太阳系的演化，发现了新的小行星和几颗彗星。他提出了彗星核由冰和掺杂陨石物质颗粒混合而成的模型，这就是著名的“脏雪团理论”。

他还主持了NASA的流星摄影和陨石搜索项目，并担任该机构许多其他项目的顾问和负责人。

惠普尔盾（Whipple Shield）在 NASA 的“星尘号”（Stardust）探测器上的应用。

与早期航天器采用的整体防护相比，惠普尔盾由相对较薄的外部缓冲层组成，且与航天器主壁面保持一定间距。缓冲层并不期望完全阻止入射粒子或消耗其大量能量，而是将其击碎并分散，使原始粒子的能量分散到缓冲层与壁面之间的多个碎片上。原始粒子的能量被更均匀地分布到更大的壁面区域，从而更有可能被主壁面承受。相比实心防护层，惠普尔盾可以降低航天器整体质量（在航天飞行中始终是理想的），但额外的间隔体积可能需要更大的有效载荷整流罩。

惠普尔盾有几种变体。多冲击盾（multi-shock shields），如“星尘号”航天器使用的，就采用多个缓冲层间隔排列，以增强保护能力。夹填充物的惠普尔盾被称为填充式惠普尔盾（stuffed Whipple shields），填充物通常为高强度材料，如凯夫拉（Kevlar）或氧化铝纤维（Nextel）。防护类型、材料、厚度和层间距离可根据需要调整，以设计出质量最小且穿透概率最小的防护盾。在国际空间站上，仅高风险和重要区域就配备了超过 100 种不同配置的惠普尔盾。

过去几周，月球栖息地经历了大幅度的改造。设计上的重大和细微变化都是基于工程需求、有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）以及在构建比例原型过程中学习到的制造技术进行的。一些较大的变化包括：骨架结构的重新设计、内部墙体的移除，以及惠普尔盾（Whipple shield）的重新设计。其余的设计修改属于细微调整，主要是为了配合前述重大改动。一些设计修改还被直接应用到了团队正在设计的物理原型上，以节约成本并使制造过程可行。

骨架结构进行了两次关键的设计迭代。第一次迭代涉及骨架结构的截面设计。最初，骨架结构被设计为矩形梁。然而，在压力壁实施后，板状结构承受的重量过大。为此，结构被改为圆形管材，这样不仅更容易焊接，也能减少应力集中。下图展示了前后两种设计。

图 1 & 2：骨架结构设计

除了截面形状之外，骨架的六边形结构也进行了分析，以提高整体完整性。一个关键假设是焊接材料的性能与金属本身相同。下图 30 展示了对骨架结构某一子区域进行的分析。所选择的力是根据内部压力计算得出的，即 101300 N/m² × 梁表面积的一半。该力的计算属于初步估算，用于选择更合适的厚度进行深入分析。然而，由于 Solidworks仍然无法对全尺寸模型进行良好网格划分，因此无法进行全面深入分析。因此模型被拆分，仅对六边形区域进行分析。随后按照上述方法计算作用力。

使用上述力值，每个梁部分施加了四个力，以形成关键应力集中点，从而更清楚地分析载荷路径。然而，结构表现良好，可能仍需要支撑件以确保系统正常工作。该研究针对钛和铝材料进行了分析，但在规定厚度下，最终选择了 6061 T6 铝合金。下图展示了对六边形区域的分析。

图 3：骨架结构六边形截面

窗户也进行了改造，窗框现在焊接在骨架结构的末端。栖息地上的 ISS风格窗户在最新迭代中进行了小幅重新设计。使用 Solidworks 的焊接特性（weldments）重新设计，意味着新窗框直接构建在骨架结构中。这一改动节省了 164.88 公斤重量。

惠普尔盾（Whipple Shield）

惠普尔盾是月球栖息地的最外层，用于保护宇航员免受微陨石的撞击。该盾进行了多次设计修改，目前由 6 层交替的凯夫拉（Kevlar）和 Nextel 层构成，夹在两块铝板之间，并在后部缓冲板底部附加了 3 层多层绝热层（MLI, Multi-Layer Insulation）。惠普尔盾子组件通过 ANSI 公制 M24x3.0 螺栓和垫圈组合固定；最小的铝板上有螺纹孔，而 MLI、凯夫拉和 Nextel 层上则有通孔。每个惠普尔盾的方形截面尺寸为 400mm × 400mm。附录图 12 展示了定制圆柱形紧固件组件的尺寸。

图 5：惠普尔盾设计及紧固件（顶视图与侧视图）

图 6：添加材料后的惠普尔盾

压力壁（Pressure Wall）

第二次应力分析是在骨架结构内部的压力壁上进行的。如果压力壁能够很好地承受作用力，就能帮助缓解骨架结构上的力。因此，对比了 2.54mm 和 25.4mm 的厚度。结果显示，25.4mm 的厚度效果比预期更好。研究结果如图所示。

图 7：压力壁的位移-变形结果

第二次研究还对比了铝和钛材料。钛和铝的应力和挠曲参数相似，但钛重量超过 7000 公斤。因此，铝被选为进一步分析的理想材料。

图 8：压力壁应力研究结果

图 9：压力壁隐藏线等轴测图

气闸室（AirLock Room）

栖息地中最关键的部分之一是将气闸门整合进整体结构设计中。研究包括减压与栖息地内的适当压力值、材料选择、尺寸、CAD 模型，以及舱外活动（EVA）的细节。栖息地将设有气闸室，宇航员将在此进入、更换航天服、减压，然后通过加压门离开建筑。加压舱与自然栖息地之间的墙体将采用航天服口气闸（suitport-airlock）概念，并配有内部舱门，供宇航员在两个舱室之间移动。

图 10：航天服口气闸概念

为了准备舱外活动，在穿脱航天服时，气闸环境的压力将降低至约 8.2 psia，氧气浓度约为 34%。环境加压值对于限制航天服的压力差至关重要。在自然栖息地内，通过环境控制与生命维持系统（ECLSS）将保持 14.7 psia 的正常气压。该设计带来多个长期可持续和高效益：减少气体损失、降低有害辐射、尘埃和颗粒对航天服及关键系统的影响。气闸室的尺寸、进出方式及穿脱航天服方法均基于深空旅行研究选择。气闸室总直径约 3.5 米，高于之前的 3.0 米，以容纳两座航天服口之间的舱门。内部空间约 11 立方米，为帮助宇航员更轻松穿脱航天服，航天服口倾斜约 20 度。下图显示气闸门和航天服口的尺寸示意。

图 11：后入式气闸尺寸

缩放原型说明（Scaled Prototype）

骨架结构使用 #3 3/8” 钢筋通过切割、焊接和喷漆构建。骨架结构采用更新后的设计，包括新的横梁。压力壁由 24 号镀锌钢板制成，通过等离子切割、卷曲和点焊形成所需圆柱形状，成品直径 13”，适合放入骨架结构内。

图 12：压力壁与骨架结构

多层绝热层（MLI）通过在双层反射绝热材料上包裹铝化聚酯薄膜（Aluminized Mylar）制成。Mylar 显示外层，DRI 显示内层。绝热层厚度约 10mm，与全尺寸原型舱的厚度相似。

图 13：MLI

地板采用 PLA 材料 3D 打印，填充率 15%。模型按实际设计缩小并略作修改以适配 13” 直径压力壁内。

图 14：概念地板

惠普尔盾由 27 块 1 英尺 × 8 英寸的板材切割制成，每三块叠放组成盾牌组件，用 ¼-20 螺纹螺栓与垫圈固定，板材间使用不锈钢间隔片。

图 15：惠普尔盾

窗户采用 PLA 3D 打印，填充率 15%，用强力胶粘合。窗户专为原型设计，以便与平面侧面接口并固定在框架上。

图 16：窗户组件