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。     

球形弹丸超高速正撞击Whipple防护结构损伤分析

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的防护性能及其损伤破坏模式,采用二级轻气炮结合高速X光照相系统,对球形弹丸超高速正撞击5A06铝合金whipple防护结构进行了试验研究.根据试验结果分析了铝合金whipple防护结构的防护屏和舱壁在弹丸撞击速度为2.0-5.2km/s、弹丸直径为4mm和6.35mm及防护屏厚度为0.5film、1.5mm、2mm和3mm区间的损伤模式,总结了防护屏穿孔和舱壁损伤随弹丸撞击速度、弹丸直径以及防护屏厚度变化的规律.根据高速x光照片分析了碎片云速度和形态的变化趋势,进而从碎片云角度对舱壁损伤模式进行了分析.     

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。     

弹丸正撞击Whipple防护结构后墙的撞击载荷分析

文章为了分析超高速弹丸对Whipple防护结构后墙的撞击损伤,利用质量守恒、动量守恒及能量守恒等分析了碎片云运动特性,在此基础上构造了碎片云对Whipple防护结构后墙的法向撞击载荷函数,为进一步分析弹丸超高速正撞击Whipple防护结构后其后墙的裂纹长度提供了有效的分析工具。     

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。     

航天器波纹防护屏高速撞击实验研究

微流量及空间碎片的高速撞击威胁着航天器的安全运行 ,导致其严重的损伤和灾难性的失效。本文给出和分析了柱状弹丸高速撞击铝合金波纹防护屏 Whipple防护实验研究的结果。结果表明 :波纹防护屏具有分散不同入射角弹丸高速撞击所产生碎片云损伤能量的特性 ,并能降低弹丸滑弹碎片对航天器外部结构和子系统的损伤 ,该防护结构的防护性能优于铝合金板防护屏 Whipple防护。     

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。     

铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布损伤分析

高强度、高模量纤维防护材料是航天器空间碎片超高速撞击防护结构材料的发展趋势之一。开展弹丸超高速撞击高强纤维材料时的损伤分析是空间碎片防护结构研究开发设计的重要环节。玄武岩纤维是近年来受到人们关注的一种高强度、高模量纤维。文章对铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布的损伤特性进行了分析研究,观察到了弹丸前部的损伤形态。根据试验结果拟合得到了铝合金弹丸后部产生初始破坏的临界破碎速度方程。分析表明:在试验范围内,铝合金弹丸撞击玄武岩纤维布的临界破碎速度低于撞击铝合金板的,即玄武岩纤维布对铝合金弹丸的破碎能力优于铝合金板。     

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。     

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。     

基于PVDF敏感器的空间碎片撞击航天器感知定位技术

从理论和实验两个方面开展了基于PVDF(Polyvinylidene Fluoride)压电薄膜敏感器的空间碎片撞击航天器感知定位技术研究,分析了基于双曲线理论的定位方法,并在理论分析的基础上,利用气枪和超高速弹道靶分别开展了平面铝板、曲面铝板等单层结构和Whipple结构下的验证实验。弹丸速度范围100m/s-3km/s,实验靶材为2mm厚的单层铝板和铝板厚为1mm、前后间距为10cm的Whipple结构,靶材上安装了4个PVDF传感器。研究结果表明：基于PVDF传感器的感知定位技术可实现空间碎片撞击航天器的位置定位,是一种可应用于航天器在轨感知空间碎片撞击系统的可选技术。     

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。     

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。     

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     

Hypervelocity impact testing of advanced materials and structures for micrometeoroid and orbital debris shielding

A series of 66 hypervelocity impact experiments have been performed to assess the potential of various materials (aluminium, titanium, copper, stainless steel, nickel, nickel/chromium, reticulated vitreous carbon, silver, ceramic, aramid, ceramic glass, and carbon fibre) and structures (monolithic plates, open-cell foam, flexible fabrics, rigid meshes) for micrometeoroid and orbital debris (MMOD) shielding. Arranged in various single-, double-, and triple-bumper configurations, screening tests were performed with 0.3175 cm diameter Al2017-T4 spherical projectiles at nominally 6.8 km/s and normal incidence. The top performing shields were identified through target damage assessments and their respective weight. The top performing candidate shield at the screening test condition was found to be a double-bumper configuration with a 0.25 mm thick Al3003 outer bumper, 6.35 mm thick 40 PPI aluminium foam inner bumper, and 1.016 mm thick Al2024-T3 rear wall (equal spacing between bumpers and rear wall). In general, double-bumper candidates with aluminium plate outer bumpers and foam inner bumpers were consistently found to be amongst the top performers. For this impact condition, potential weight savings of at least 47% over conventional all-aluminium Whipple shields are possible by utilizing the investigated materials and structures. The results of this study identify materials and structures of interest for further, more in-depth, impact investigations.     

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。