航天器空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊特性研究.pdf

1、隨著航天事業(yè)的發(fā)展，空間碎片環(huán)境日益惡化，嚴(yán)重地威脅著在軌航天器的安全運(yùn)行?？臻g碎片危害航天器的最主要特征是超高速撞擊現(xiàn)象，對(duì)于毫米級(jí)空間碎片，采用設(shè)置防護(hù)屏的防護(hù)結(jié)構(gòu)方案被證明是現(xiàn)實(shí)有效的措施。航天器空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)的超高速撞擊特性是航天器空間碎片風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文利用二級(jí)輕氣炮發(fā)射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了球形彈丸的超高速發(fā)射，針對(duì)國(guó)產(chǎn)鋁合金材料的典型空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)研究和損傷規(guī)律分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研

2、究結(jié)果可為航天器防護(hù)結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
　　薄板和中厚板的超高速撞擊特性是空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了5A06鋁合金中厚板的撞擊成坑特性和2A12鋁合金薄板的撞擊穿孔特性，獲得了給定結(jié)構(gòu)鋁合金單層板的撞擊極限曲線，并建立了預(yù)測(cè)撞擊特性的經(jīng)驗(yàn)公式。研究結(jié)果表明：撞擊彈丸的液化是導(dǎo)致其在部分撞擊速度區(qū)間內(nèi)侵徹能力下降的主要原因；在一定的厚度范圍內(nèi)，鋁合金靶板厚度對(duì)其超高速正撞擊穿孔特性的影響與彈丸直徑和撞擊

3、速度同樣具有顯著性；鋁合金球形彈丸超高速斜撞擊鋁合金薄板時(shí)，存在使撞擊彈丸發(fā)生滑彈返濺的臨界撞擊角；與國(guó)外薄板超高速撞擊穿孔經(jīng)驗(yàn)公式相比，新建立的經(jīng)驗(yàn)公式更適合于國(guó)產(chǎn)鋁合金材料。
　　雙層板結(jié)構(gòu)是最典型的航天器空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了鋁合金雙層板結(jié)構(gòu)在正撞擊和斜撞擊條件下的后板撞擊坑分布特性，獲得了給定結(jié)構(gòu)鋁合金雙層板的撞擊極限曲線，并建立了預(yù)測(cè)后板撞擊坑分布特性的經(jīng)驗(yàn)公式。研究結(jié)果表明：彈丸直徑、撞擊速度、撞擊角度、前板

4、厚度以及前后板間距是決定雙層板后板撞擊坑特性的主要因素，但撞擊速度對(duì)前板后主碎片云膨脹角無(wú)顯著影響；彈丸的撞擊破碎臨界速度將會(huì)影響鋁合金雙層板結(jié)構(gòu)正撞擊的后板撞擊坑分布和斜撞擊的后板損傷與撞擊角的變化關(guān)系；建立的后板撞擊坑分布經(jīng)驗(yàn)公式為超高速撞擊二次碎片云特性的定量化分析提供了參考。
　　多層板結(jié)構(gòu)與雙層板結(jié)構(gòu)相比具有更加優(yōu)良的抗空間碎片超高速撞擊的能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了提高鋁合金多層板防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的方法和機(jī)理，討論了防護(hù)板層數(shù)

5、和各層防護(hù)板厚度對(duì)提高防護(hù)性能的作用。研究結(jié)果表明：在防護(hù)屏面密度不變的情況下，增加防護(hù)板層數(shù)可以顯著提高其防護(hù)能力，同時(shí)前板強(qiáng)度和前后板間距在提高多層板結(jié)構(gòu)防護(hù)能力中起著非常重要的作用。
　　壓力容器是航天器上的重要部件，被空間碎片撞擊可能會(huì)導(dǎo)致航天器嚴(yán)重失效。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了充氣壓力容器在無(wú)防護(hù)和具有單防護(hù)屏防護(hù)情況下，受到球形彈丸超高速撞擊后的損傷行為及機(jī)理。研究結(jié)果表明：撞擊動(dòng)能與容器內(nèi)部充氣壓力是影響壓力容器超高速撞擊損傷

6、模式的重要因素；容器內(nèi)部的高壓氣體一方面可能造成容器的爆炸，另一方面還會(huì)減輕碎片對(duì)容器后側(cè)的撞擊損傷；在防護(hù)屏被擊穿的情況下，防護(hù)壓力容器可能會(huì)發(fā)生更嚴(yán)重的損壞。
　　本文以航天器空間碎片常用防護(hù)材料國(guó)產(chǎn)鋁合金為對(duì)象，通過(guò)超高速撞擊地面模擬實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了單層板、雙層板、多層板等結(jié)構(gòu)和壓力容器類部件受到空間碎片超高速撞擊的損傷特性及其機(jī)理。在總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析了鋁合金中厚板撞擊成坑、鋁合金薄板撞擊穿孔以及鋁合金雙層板后板