弹丸正撞击Whipple防护结构后墙的穿孔孔径研究

微流星体及空间碎片的超高速撞击对在轨航天器,特别是长期留轨的栽人航天器构成了严重的威胁,甚至可导致灾难性失效,为此航天器采用了各种Whipple类防护方案以提高其在轨生存能力。穿孔孔径是研究弹丸超高速撞击下航天器舱壁撞击损伤的重要参数之一。文章对目前所建立的Burch损伤经验公式与Schonberg—Williamsen穿孔经验公式进行了研究,比较了其各自特点;同时,基于上述模型提出了适用范围更广的弹丸超高速正撞击Whipple防护结构后墙的穿孔孔径经验公式,为航天器的灾难性失效分析提供有效的工具。     

低温下Whipple防护结构超高速撞击效应研究

文章研究了低温下空间碎片对典型Whipple防护结构的超高速撞击效应。首先在二级轻气炮设备上研制出使用液氮可将撞击靶冷却至-150 ℃且满足低温超高速撞击试验要求的低温装置。利用该装置开展了低温条件下的超高速撞击试验,对低温和室温两种条件下的试验结果进行了比对,并分别对缓冲屏穿孔特性、碎片云特性和后墙损伤特性之间的差异进行了分析。文章最后给出低温下典型Whipple防护结构的弹道极限曲线。     

Kevlar层合板超高速撞击数值建模及参数识别

针对Kevlar层合板在超高速撞击条件下的力学特性的复杂性及参数不准确对数值仿真的不利影响,提出一种使用正交各向异性本构模型,Chang-Chang复合材料失效模型和有限元方法对Kevlar层合板的超高速撞击力学特性进行建模并运用连续响应面技术对材料失效模型参数进行识别的方法.然后使用该方法建立了与现有文献中的试验工况相对应的数值模型,并把Kevlar层合板材料失效模型的4个参数作为优化变量,以仿真结果与试验结果的二乘残差最小作为优化目标,使用连续响应面技术建立参数优化模型,由此识别这些参数.结果表明,该建模方法能正确描述Kevlar层合板的超高速撞击力学特性,采用识别后的参数进行仿真计算可以显著提高数值模型的仿真精度.     

Whipple防护屏弹道极限参数试验

在中国空气动力研究与发展中心FD-18A超高速碰撞靶上进行了Whipple防护屏的超高速撞击试验。弹丸为LY12铝球,撞击速度为4.5km/s,撞击角为0°。通过固定弹丸速度、变弹丸直径、寻找弹丸临界直径的办法获得了该Whipple防护屏在试验条件下的弹道极限参数。试验结果表明速度为4.5km/s时的弹丸临界直径为0.35cm,大于用Christiansen方程预测的0.27cm。     

球形弹丸超高速斜撞击薄板的碎片云和侵彻特征仿真分析

低地球轨道航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击。相较于正撞击,斜撞击现象更加普遍、更具研究价值。文章采用Autodyn-3D数值模拟软件,利用光滑粒子流体动力学（smooth particle hydrodynamics, SPH）方法,模拟Al2017-T4球形弹丸超高速斜撞击Al2A12薄板的过程,开展弹丸撞击速度为3～6 km/s、撞击角度为0°～60°时的撞击特征仿真分析。结果表明:撞击角度对碎片云形貌与几何尺寸,以及穿孔大小和形状特征有显著影响;当撞击角度为30°～45°时会发生滑弹反溅现象,造成弹丸侵彻能力下降。研究结果可为超高速撞击防护结构的设计和改进提供支持。     

基于聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜的密封舱壁穿孔损伤识别技术

日益恶化的空间碎片环境将严重威胁空间站及航天员的在轨安全。文章基于聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride,PVDF）压电薄膜设计了一种密封舱壁穿孔损伤识别技术方案,用于识别空间碎片超高速撞击对航天器密封舱壁造成的损伤模式,可为航天员合理选择应急措施提供依据。首先,发射超高速弹丸穿透铝合金靶板以模拟密封舱壁被击穿损伤的情况,形成的碎片云撞击PVDF压电薄膜探头,利用信号采集设备获取高速撞击引起的去极化效应信号,识别该信号的频率特征;其次,对PVDF压电薄膜探头及其支撑结构进行敲击试验,模拟在轨运行时因碰撞产生的干扰信号,掌握此类干扰信号的频率特征。试验结果表明,当系统采样频率为20 MHz时：1）所获得的探头去极化效应信号具有极为陡峭的上升沿,且上升沿的时长为亚μs量级;2）去极化效应信号主要由1 MHz以下的信号组成,但也包含少量的3～10 MHz高频成分;3）敲击探头及其支撑结构所产生的干扰信号频率在20 kHz以下。可根据频率差异进行两种信号的识别。     

用于验证数值仿真的Whipple屏超高速撞击试验结果

为提供验证超高速撞击数值仿真所需的试验结果,给出了在中国空气动力研究与发展中心超高速所进行的铝质Whipple屏超高速撞击试验部分结果。试验中,球形弹丸均为LY12铝合金材料,直径为0.4~0.5cm;靶材为间距10cm、厚0.192cm的LY12板材。撞击速度为4.47~6.15km/s,撞击角为0°和45°。给出的试验结果包括弹丸和靶材参数、撞击速度、撞击角、弹孔尺寸、后墙损伤情况和碎片云激光阴影照片等。实验结果表明,撞击速度越高,Whipple屏的防护效果越好,而斜撞击比正向撞击造成的破坏更严重。     

微流星体/空间碎片环境下压力舱的气体泄漏分析

载人航天器的压力舱一旦被空间碎片击穿,可造成舱内气体的泄漏,进而导致航天员缺氧.文章对微流星体/空间碎片环境下压力舱的气体泄漏进行了分析.首先利用弹丸超高速正撞击下Whipple防护结构后墙的穿孔经验公式获得后墙的有效穿孔直径;然后将舱壁穿孔简化为音速喷管,通过对舱内气体的泄漏分析获得舱内压力的变化规律,进而得到供航天员逃逸的有效时间.分析结果可为载人航天器长期在轨工作的设计提供参考.     

球形弹丸超高速撞击铝靶的分子动力学模拟

基于开源分子动力学程序LAMMPS建立球形铝弹丸超高速撞击铝靶的计算模型,模拟弹丸以10 km/s的速度超高速撞击单层靶、双层靶和半无限厚靶;获得了超高速碰撞靶板的物理过程及靶板损伤特性,与超高速碰撞宏观现象相似;厚靶成坑坑深与宏观经验公式计算结果基本一致。模拟结果初步表明,分子动力学方法可以对弹丸超高速碰撞薄靶和半无限厚靶进行模拟,为揭示碰撞过程中的微观机理提供了一种新的研究方法。     

基于声发射的单层铝板高速撞击损伤类型识别

针对基于声发射技术的在轨航天器遭受空间碎片撞击损伤的评估问题,采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击铝板所产生声发射波动信号的数值模拟,给出了二维模拟结果;对所得到的声发射信号进行小波重构,得到低频和高频部分的信号。通过研究低频和高频信号的峰值变化,发现第一和第二峰值幅度与撞击速度的变化具有一定的规律性,通过低频第二峰值幅度与第一峰值幅度比值将高速撞击损伤模式分为成坑、锥形穿孔和圆柱形穿孔三种类型。
     

CAST空间碎片超高速撞击试验研究进展

超高速撞击试验是开展载人航天器及大型应用卫星空间碎片超高速撞击风险评估和防护设计的基础,作为我国航天器环境效应和可靠性工程验证部门的北京卫星环境工程研究所在这个领域做了大量的工作。文章介绍了二级轻气炮超高速撞击地面模拟试验技术、典型防护结构防护性能的超高速撞击试验验证、载人航天器外露材料超高速撞击特性、毫米级弹丸7 km/s以上超高速稳定发射技术探索、高性能防护结构研究等方面的若干近期进展。展望了我国空间碎片防护需求和地面超高速撞击试验研究的发展方向。     

超高速聚能碎片成型的影响因素分析

为了研究超高速聚能驱动装置结构参数对超高速碎片成型的影响,以装置截断体以及药型罩的6个主要尺寸为优化对象,以成型超高速碎片的质量与速度为指标,应用正交设计法设计仿真方案。运用非线性显式动力学软件AUTODYN-2D对超高速碎片的形成进行数值仿真,并对仿真结果进行参数分析。结果表明:对碎片成型速度影响较大的依次为药型罩锥角、截断体小孔厚度、药型罩厚度;对碎片质量影响较大的依次为药型罩锥角、药型罩厚度、截断体小孔厚度。最终根据最优化设计方案得到了速度为11.2 km/s、质量为1.452 g的超高速碎片。     

两种物态方程在超高速碰撞数值模拟中的比较

材料在超高速碰撞下将发生熔化甚至气化相变。为反映超高速碰撞中材料相变带来的影响,文章采用GRAY三相物态方程与Tillotson物态方程,对超高速碰撞进行数值模拟对比研究。研究表明:当碰撞速度在3 km/s以下时,除了靶板穿孔直径外,两种物态方程所给出的碎片云的结果基本一致;但当碰撞速度在3 km/s以上时,两种物态方程给出的数值模拟结果有较大差异,这说明在超高速碰撞中相变的产生对碎片云形状参数有较大影响。     

超高速撞击下PTFE/Al含能材料薄板的载荷特性分析

不同于传统惰性材料的空间碎片防护结构,含能材料防护结构在超高速撞击下的冲击起爆特性是其防护能力得以提高的根本原因。PTFE/Al含能材料防护结构的冲击起爆特性改变了弹丸强冲击载荷下的破碎机制,弹丸内部的冲击压力对于分析含能材料在超高速撞击下的防护机理具有重要意义。对超高速撞击试验中回收的PTFE/Al防护结构后板进行损伤特性分析,获得了对应速度条件下弹丸的破碎特性。基于一维冲击波理论,分析PTFE/Al靶板在超高速撞击条件下的冲击响应过程,结合考虑化学反应效率的热化学反应模型,获得了弹丸在碰撞与爆炸联合作用下的载荷特性,通过与试验结果对比验证,获得该材料完全反应的临界撞击速度约为1800 m/s,弹丸的临界破碎速度为2875 m/s,小于铝防护结构中对应的临界破碎速度。给出了弹丸在PTFE/Al、铝两种防护结构中产生相同冲击压力时对应的临界速度,分别为弹道段的800 m/s和破碎段的3580 m/s。     

纤维织物超高速碰撞热-力学模型与分析

A new thermo mechanical model for fiber fabric of hypervelocity impact is established by using the Johnson Cook model, the Gruneisen equation of state and the FEM SPH coupling algorithm, while some new factors are taken into account such as the heat generation, strain rate strengthening and high temperature softening of materials. Mechanical and thermal information could be obtained with the model, such as penetration, fragmentation, stress and strain, heat generation and temperature field of fiber fabric. The analysis results are in good agreement with the experimental results.     

超高速碰撞数值模拟的工程算法模型

提出了双层板防护结构的超高速碰撞数值模拟的工程算法模型，采取理论分析、经验公式和数值模拟相结合的研究方法来模拟碎片云的产生，以及碎片云对结构的破毁过程。本模型中，碎片云的产生采用理论分析和经验公式得到，结构响应采用有限元动力学软件Dyna3D进行计算。数值模拟结果与文献中给出的破坏效果基本一致，说明提出的工程算法是可行的，模拟得到的结果能定性的描述相应的超高速碰撞的现象，得到基本正确的结果。     

圆柱体弹丸超高速斜撞击薄板的碎片云特征仿真分析

为研究圆柱体弹丸超高速撞击薄板的碎片云特征,基于仿真软件AUTODYN-3D的光滑粒子流体动力学（SPH）方法,模拟圆柱体弹丸不同长径比、不同攻角条件下超高速撞击薄板的过程。设圆柱体弹丸撞击速度为5 km/s,长径比分别为0.5、1.0、2.0、4.0,攻角为15°～75°,数值模拟结果分析表明:圆柱体弹丸超高速斜撞击薄板形成的碎片云中,大部分是小质量碎片;大碎片的质量和动能占比较大,是造成后墙损伤的主要原因。同时,当弹丸长径比为0.5和1.0时,15°攻角下的碎片云侵彻能力最弱;长径比为2.0和4.0时,75°攻角下的碎片云侵彻能力最弱。研究结果可为航天器防护结构设计优化提供参考。