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     

航天器典型防护结构节点分离FEM的数值模拟

建立了一种航天器防护结构超高速碰撞数值模拟的节点分离有限元方法。通过重合节点网格转换和添加节点集约束建立了节点分离有限元模型。在显式积分迭代中,将达到断裂判据的节点集解离,从而生成裂纹。对网格畸变问题进行分析,并建立了几何识别方法,进而删除畸变单元,改善了算法的稳定性。应用节点分离方法模拟了单层板超高速撞击问题,并分析了撞击速度对弹丸变形程度和碎片云形状的影响。应用节点分离方法对Whipple防护结构、填充式防护结构和多层网结构进行了模拟,获得了与实验一致的结果。多种算例表明,节点分离有限元方法改善了以往断裂侵蚀有限元方法处理网格畸变、碎片云模拟以及二次碎片云碰撞等方面的能力,对典型防护结构模拟具有很好的适用性,能够成为光滑粒子流体动力学(SPH)方法的有效补充和替代。     

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。     

超高速撞击中靶后碎片云的内外边界方程研究

研究超高速撞击防护靶形成的碎片云的形状模型对航天器防护结构设计具有重要意义。文章用数值仿真的方法研究靶后碎片云的内外边界模型:将碎片云根据其材料来源分为靶板碎片云和弹丸碎片云,分别根据各碎片云的分布特点建立碎片云形状的内外边界方程;在双纽线边界方程的基础上,修正为由双纽线方程和圆弧方程组成的边界方程。对比整体碎片云的适用率表明,由双纽线方程和圆弧方程组成的边界方程比单一的双纽线边界方程描述碎片云实际分布更为贴合。     

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。     

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。     

超高速撞击弹丸形状效应数值模拟研究

为保证在轨航天器的安全运行，微流星体和空间碎片的防护成为现有航天器，特别是长寿命、大尺寸航天器设计时必须考虑的问题。本文采用AUTODYN软件进行了不同形状弹丸超高速撞击whipple防护结构的数值模拟，对不同形状弹丸撞击Whipple防护结构的撞击极限曲线进行了比较，分析了各形状弹丸撞击防护屏后形成的碎片云状态，以及分析了各撞击极限曲线之间差异的原因。不同形状弹丸对Whiple防护结构的损伤能力有很大差异，弹丸破碎和碎片云分散程度随弹丸速度、长径比和撞击方向的改变而改变。     

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。     

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。     

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。     

真实蜂巢的力学分析和航天载荷结构仿生设计

自然界的真实蜂巢与工业上常用的蜂窝三明治夹层结构存在构型上的差异。对比二者的差异并分别进行三维建模。然后利用有限元分析方法,对二者因结构差异而导致的力学性能的差异进行对比分析,得到两种结构在受到轴向力和径向力时其变形和内部应力分布的区别。通过对仿真结果的分析,揭示真实蜂巢在力学性能方面所具备的独特生物学智慧,且将真实蜂巢独特的力学性能特性应用到某些航天载荷的结构设计上,取得了良好的效果。     

一种航天器蜂窝夹层板发泡胶减重方法

针对航天器蜂窝夹层板发泡胶减重需求，以预埋件-发泡胶组合体等效半径为参数进行理论分析，给出蜂窝夹层板应力分布解析式，预测其破坏模式。据此提出两种发泡胶减重填充方案，并开展试件拉脱力测试、仿真，舱板组件性能评估和结构精度稳定性分析等验证工作。研究表明，方案1实现预埋件发泡胶减重25%，方案2实现减重50%。减重方案已成功应用于两型卫星，可为其它航天器研制提供有益的参考。     

蜂窝夹层板强度分析模型对比研究

在蜂窝夹层板强度设计中,为了降低计算成本,并得到准确的计算结果,需要对蜂窝夹层板进行有效的等效建模。以简化的仪器安装板为例,对比研究了等效板、三明治夹芯板、三明治实体夹芯板和蜂窝体夹芯板4种强度分析模型,并基于蜂窝体夹芯板计算模型,对4种强度分析模型下的变形、应力和频率计算结果分别进行了对比研究,得到计算精度、适用范围等工程结论,同时形成相关软件应用界面,指导飞行器结构设计。     

蜂窝夹层结构承力筒在FY-3卫星上的应用

为进一步提高卫星的性能，将蜂窝夹层结构用于“风云三号”(FY-3)卫星推进舱和服务舱的承力筒。对蜂窝夹层结构承力筒进行了设计、生产和试验，并对承力筒的结构参数进行了优化分析。计算和试验结果表明，卫星采用蜂窝夹层结构承力筒，能满足设计要求，对结构减重具有重要意义。     

空间高稳定碳/碳蜂窝夹层结构制备及性能

针对空间高稳定结构在极端环境下的灵敏度和稳定性需求，提出一种新型高稳定、高承载的轻质碳/碳(C/C)蜂窝夹层结构方案。碳/碳蜂窝夹层结构由化学气相渗透(CVI)致密化获得的整体碳/碳蜂窝和面板经胶粘剂粘接集成，通过评价蜂窝、面板以及夹层结构的内部质量、力学性能及热物理性能，展示了碳/碳蜂窝夹层结构在承载和尺度稳定性方面的优势。研究结果表明,典型特征碳/碳蜂窝承载性能稳定，平压强度＞10 MPa，L/W向剪切强度＞4 MPa，典型特征碳/碳蜂窝夹层结构热膨胀系数低，满足空间环境条件下面内热膨胀系数绝对值低于 1×10 -7 /℃的高稳定设计需求。     

耐热合金蜂窝等效热导率的实验研究

耐热合金蜂窝夹芯结构是高超音速飞行器热防护系统外面板的理想候选方案.针对Hastelloy X耐热合金蜂窝夹芯结构开展了稳态传热实验,通过控制加热板温度,获得了一组热平衡时蜂窝夹芯结构的热、冷面温度,结合Stefan-Boltzmann定律和大空间自然对流实验关联式,采用热阻分析方法得到了Hastelloy X耐热合金...     

夹芯的典型参数对夹层板受迫振动影响分析

根据伽辽金法,用Matlab/Simulink软件对推导的经典板假设理论、一阶剪切理论蜂窝夹层板运动方程进行了数值仿真。简单算例的计算结果表明两者基本一致。基于一阶剪切理论讨论了蜂窝夹芯泊松比对蜂窝夹层板低阶频率的影响。发现当泊松比接近1时对频率响应有显著的影响。     

轻质复合材料夹芯结构设计及力学性能最新进展

从设计、制备和力学性能方面对轻质复合材料夹芯结构的最新研究成果进行总结,包括复合材料点阵夹芯结构、褶皱夹芯结构以及蜂窝夹芯结构对应的拓扑构型设计和制备工艺,重点从力学性能的理论预报、力学性能实验表征和失效模式分析等角度评述了性能改进的最新研究。通过对轻质复合材料夹芯结构最新研究进展的总结与分析,展望了点阵夹芯结构、褶皱夹芯结构和蜂窝夹芯结构的发展趋势及可能应用领域。     

星载微带阵天线板的研制

微带天线阵广泛应用于星载合成孔径雷达天线,一般为非对称蜂窝夹层结构。文章对微带阵天线板的材料、制造技术及试验过程进行了讨论。计算和试验结果表明,微带阵天线板采用蜂窝夹层结构,能够满足设计要求。     

航天器蜂窝夹层结构复合材料热变形分析

蜂窝夹层结构复合材料在航空、航天结构中已得到了广泛的应用。文章从热变形分析角度出发,对蜂窝夹层结构复合材料的热变形分析问题提出了几点看法。