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。     

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。     

卫星超高速撞击解体碎片特性的试验研究

为了研究超高速撞击下卫星解体碎片的分布特性,在弹道靶上开展了三次模拟卫星的超高速撞击试验。发射铝合金钝锥弹丸以3.2km/s~4.2km/s的速度撞击模拟卫星,对解体碎片进行回收、测量和统计分析,结果表明：碎片累积数量与碎片特征尺寸/特征质量在对数坐标系中基本呈直线关系,且碎片尺寸分布和质量分布在形式上和规律上具有高度相似性。通过数据拟合得到了碎片尺寸和质量分布的具体函数形式,分析了碎片质量分布与尺寸分布之间的内在关系。将试验结果与NASA标准解体模型进行了比较,讨论了两者的差别及其原因。
     

超高速撞击中的弹丸形状效应数值模拟研究

文章用AUTODYN仿真软件对球形、圆锥形、圆柱形和盘形4种不同形状弹丸超高速撞击Whipple防护结构所产生的碎片云形貌特征及对后墙的毁伤程度进行了数值仿真研究。对比分析结果指出:质量与速度相等的4种不同形状弹丸撞击缓冲屏所产生的碎片云有明显差异;弹丸长径比越小,穿过缓冲屏后的破碎程度越大;在5 km/s撞击速度下,球形弹丸对后墙的毁伤程度最小,而圆柱形弹丸的毁伤程度最大。这说明弹丸的形状对超高速撞击结果有显著影响,在航天器超高速撞击风险评估和防护工程设计中应充分考虑弹丸的形状效应。球形弹丸的弹道极限曲线在防护结构的碎片防护能力评价时存在高估的问题,在实际工作中要特别注意这一点。     

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。     

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。     

CAST激光驱动微小飞片及其超高速撞击效应研究进展

激光驱动飞片技术(LDFT)在模拟微米级空间碎片对航天器的超高速撞击效应方面具有独特的优势。文章全面介绍了北京卫星环境工程研究所在激光驱动飞片技术与微米级空间碎片超高速撞击效应地面模拟研究中取得的若干进展,包括激光驱动飞片的理论计算、超高速飞片的稳定发射技术、超高速飞片速度瞬态测量技术、航天器外露表面的超高速撞击特性、超高速撞击累积损伤评价方法,以及微米级空间碎片超高速撞击防护技术探索等研究。同时,展望了激光驱动飞片技术以及微米级空间碎片累积撞击实验研究的发展方向。     

球形弹丸高速撞击航天器防护结构的数值模拟分析

给出了空间碎片超高速撞击航天器双层防护结构模型，采用非线性有限元方法中的光滑粒子流体动力算法，计算了球形弹丸对航天器双层防护墙结构超高速撞击过程，获得了弹丸穿过第一层防护墙后，碎裂形成颗粒云团及其对第二层防护墙的损伤效应。计算结果表明多层防护墙结构能够有效地缓减高速空间碎片对航天器的破坏作用。     

弹丸超高速撞击单层和多层板结构的碎片特征研究

针对空间碎片撞击航天器典型结构形成的碎片特征问题,开展了单层板和多层板在4.4～5.8 km／s速度下的超高速撞击试验,利用激光阴影照相技术和碎片软回收方法获得了不同试验状态下碎片尺寸及质量分布等信息,同时采用数值仿真方法分析了碎片的形成机理。研究结果表明,碎片数量随弹丸及靶材尺度的增大、撞击速度的提高而增加,且随碎片尺寸的减小呈指数关系增长。碎片尺寸与其形成机理有关,小碎片主要是在应变率较高的冲击加载和相变作用下形成,对撞击速度的变化更为敏感;大碎片则是在较低应变率下,因靶材的穿孔损伤造成局部强度下降,在冲击作用下材料沿薄弱处撕裂并脱落而形成。     

数字全息测量超高速撞击碎片云实验研究

在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)超高速碰撞中心(HIRC)7.6 mm超高速碰撞设备的基础上，搭建纳秒级脉冲激光数字全息系统。提出滤波片和衰减片组合布置，减弱超高速碰撞等离子体自发光、提高信噪比的方法。实验获得了2.25 mm铝球弹丸以4.0 km/s的速度撞击0.5 mm厚铝板形成碎片云的全息图。采用小波变换算法对碎片云全息图进行重建，得到超高速撞击碎片云的三维结构和碎片大小。碎片云的轮廓呈椭球型，分为碎片云的前端、核心和外壳，碎片主要分布在弹丸破碎形成的碎片云核心，存在大碎片，且分布较集中，对后板的损伤也严重     

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。     

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。     

梯度波纹夹层防护结构超高速碰撞特性仿真研究

文章基于空间碎片被动防护需求,提出了一种梯度波纹夹层防护结构,并对其超高速碰撞过程及形成碎片云的特性进行了仿真分析。仿真结果表明,相比于Whipple结构,在梯度波纹夹层结构中冲击波的卸载方式更复杂,更有利于空间碎片的破碎;碰撞速度在5~20 km/s时,碎片云的膨胀半角先增大后减小;夹层结构中前置波纹板对撞击动能中不可逆功的吸收量和吸收占比最大。研究结果对空间碎片被动防护结构的设计具有一定的参考价值。     

Debris dispersion effect in N-shape configuration

Spacecraft shields play an important role in shielding against the impact of space debris. Increasing the dispersion degree of the debris produced by the impact of the space debris on the bumper of configuration is able to lower the concentration of debris impacting on the rear plate and thus to reduce the risk of debris perforating the rear plate. In order to improve the dispersion degree, the N-shape configuration is proposed and studied by hypervelocity impact test with the velocity of 4.80 km/s and numerical simulation with the velocities ranging from 3.0 km/s to 7.0 km/s. As a comparison, the distribution of debris impacting on the rear plate is also investigated for the parallel triple-wall configuration with the same areal density. It is found that this degree is increased in the N-shape configuration due to the oblique plate, and therefore the risk of debris perforating the rear plate is reduced compared to the case of parallel triple-wall configuration.