玄武巖布防護機理及其填充防護結(jié)構(gòu)撞擊極限分析.pdf

1、我國載人航天三期工程準備于2018年發(fā)射空間站核心艙，并開始組建空間站。組建完成的空間站須要在350km～400km的近地軌道運行10年，期間將與貨運飛船和載人飛船進行多次交會對接。目前日益增加的空間碎片對空間站的長期在軌安全運行造成了嚴重的威脅。由于空間站在軌時間長、暴露面積更大、安全指標更高，傳統(tǒng)鋁合金材料及單層艙壁結(jié)構(gòu)無法滿足空間站非穿透概率大于0.9的防護設(shè)計要求。為此，我國擬采用以玄武巖纖維和Kevlar纖維為填充材料的填充防

2、護結(jié)構(gòu)作為空間站的主要空間碎片防護結(jié)構(gòu)。本文采用空間碎片超高速撞擊地面模擬實驗和理論分析相結(jié)合的方式，研究了國產(chǎn)玄武巖纖維布超高速撞擊防護機理及其填充防護結(jié)構(gòu)撞擊極限。主要研究內(nèi)容為：
　　首先，利用二級輕氣炮對玄武巖纖維布進行超高速撞擊損傷實驗，并在數(shù)碼顯微鏡下觀測了玄武巖纖維絲和彈丸的損傷。結(jié)果表明玄武巖纖維絲斷口截面損傷形態(tài)呈現(xiàn)出多樣性，在玄武巖纖維布貫穿孔周圍出現(xiàn)了殘余的鋁熔球和鋁合金軟化條；確定了在本文實驗速度范圍內(nèi)鋁球

3、彈丸撞擊玄武巖纖維布出現(xiàn)熔化或軟化損傷的最小臨界速度。
　　第二，根據(jù)玄武巖纖維絲微觀損傷形態(tài)的多樣性和鋁合金彈丸的損傷形貌，建立了彈丸累積損傷模型。將鋁合金彈丸撞擊玄武巖纖維布等效為玄武巖纖維絲逐次撞擊彈丸，分析了撞擊過程中沖擊壓力、沖擊溫升和內(nèi)能均隨著玄武巖纖維絲撞擊次數(shù)而增加的累積效應(yīng)。利用彈丸累積損傷模型分析沖擊波在玄武巖纖維絲和彈丸中的傳播以及沖擊溫升和剩余比內(nèi)能的變化規(guī)律，并得出了鋁球彈丸撞擊玄武巖纖維布出現(xiàn)熔化或軟化

4、的臨界速度；闡述了玄武巖纖維絲的多次撞擊和玄武巖纖維布特殊的編織構(gòu)造形式是彈丸前端出現(xiàn)溝槽侵蝕損傷的原因。
　　第三，通過超高速撞擊實驗，分析了玄武巖/Kevlar布填充防護結(jié)構(gòu)在不同直徑彈丸撞擊下的撞擊極限和防護特性；并分析了玄武巖/Kevlar布填充防護結(jié)構(gòu)超高速撞擊損傷和防護機理。將撞擊極限實驗點擬合得到的撞擊極限曲線與同等面密度的國外 Nextel/Kevlar填充防護結(jié)構(gòu)撞擊極限曲線相對比，結(jié)果表明本文選用的玄武巖/Ke

5、vlar布填充防護結(jié)構(gòu)與國外同等面密度的Nextel/Kevlar填充防護結(jié)構(gòu)具有相近的抗高速撞擊防護性能。
　　最后，討論了利用無量綱分析方法和彈塑性理論建立玄武巖/Kevlar布填充防護結(jié)構(gòu)撞擊極限方程的可能性。在彈道區(qū)，將填充防護結(jié)構(gòu)等效為一定厚度的艙壁板，通過無量綱分析給出帶有未知參數(shù)的撞擊極限方程；在液化/氣化區(qū)，考慮防護屏厚度、填充層位置及總防護間距的影響，通過無量綱分析建立了該區(qū)段的撞擊極限方程；用插值方式得到破碎區(qū)