空間碎片雙層板防護結構撞擊極限研究.pdf

1、隨著航天事業(yè)的發(fā)展，空間碎片環(huán)境日益惡化，空間碎片對在軌航天器的威脅越來越嚴重。對航天器進行空間碎片防護設計成為時代的必需和今后發(fā)展的必然趨勢，我國航天事業(yè)特別是載人航天及空間交會對接等一系列航天活動的發(fā)展對航天器進行有效的空間碎片防護設計提出了迫切的要求。
　　空間碎片與航天器的相對撞擊速度大約在1km/s到16km/s范圍內，空間碎片防護的重點是與航天器的碰撞概率極高的直徑小于1厘米的微小碎片，其平均質量密度約為2.8g/cm

2、3，與鋁或鋁合金接近。
　　雙層板防護結構，也被稱為Whipple防護結構，包含前、后兩層板，前板代表防護屏，后板代表航天器的艙壁，其常用材料為鋁或鋁合金，是最基本的防護措施，也是國際空間站廣泛采用的防護方案。
　　撞擊極限用于描述防護結構在空間碎片撞擊下處于臨界失效的狀態(tài)，撞擊極限的研究是防護方案設計中進行空間碎片撞擊風險評估時不可缺少的一個環(huán)節(jié)，而國內目前還缺乏相關的撞擊特性數(shù)據(jù)，尚未開發(fā)出工程可用的完整的撞擊極限方程。

3、
　　本文以空間碎片防護結構設計為工程背景，以抵御毫米級空間碎片的雙層板防護結構為研究對象，根據(jù)雙層板防護結構在不同撞擊參數(shù)條件下呈現(xiàn)撞擊極限分段特征，在對各段撞擊效應進行分析的基礎上，按防護結構前板和后板在各段的損傷破壞過程與機理，分別建立力學模型獲得了空間碎片撞擊雙層板防護結構為防止后板失效所需要的后板極限厚度函數(shù)關系式，建立了三個速度段的撞擊極限方程。進行的主要工作如下：
　　研究了不同速度下的撞擊現(xiàn)象，根據(jù)雙層板防護

4、結構在不同撞擊速度下呈現(xiàn)撞擊極限分段特征，在對各段撞擊效應進行分析的基礎上，提出了不同速度段撞擊極限方程的建立方法。
　　根據(jù)彈道段彈丸撞擊前板后一般在前板形成單個剪切孔且質量不發(fā)生改變的特點，基于能量守恒定律，研究了彈丸穿透前板后的剩余速度，得到了彈丸撞擊半無限體后板成坑的坑深，采用半無限體靶板坑深與有限厚靶板極限厚度之間的關系建立了彈道段撞擊極限方程。
　　根據(jù)破碎段彈丸撞擊前板后形成含固體顆粒的碎片云的特點，認為碎片云

5、顆粒撞擊半無限體后板成坑深度由最大碎片成坑深度及其它小碎片成坑深度組合而成，基于對碎片云成坑的研究，建立了半無限體后板成坑深度的無量綱表達式，進而建立了破碎段撞擊極限方程。分析的同時還建立了最大碎片直徑的無量綱表達式。
　　根據(jù)液化/氣化段彈丸撞擊前板后形成的碎片云由氣化或液化的粒子構成的特點，假設后板所受載荷為均勻分布，基于板的彎曲理論，采用瑞次法獲得簡支圓板承受部分均布載荷作用下位移的近似解，通過對板的極限分析，建立了液化/氣

6、化段撞擊極限方程。
　　探討了雙層板結構撞擊極限研究時的分段問題。采用量綱分析法建立了適用于不同材料的彈丸初始破碎速度的無量綱經(jīng)驗表達式。
　　本文通過分段建立力學模型以反映雙層板防護結構在不同速度范圍內具有不同撞擊效應的物理力學過程，利用已有關于成坑、穿孔等基礎性研究成果，分別建立了三個速度段的撞擊極限方程，其預測結果與實驗結果吻合較好。所取得的研究成果，為風險評估和防護設計工程應用提供了技術基礎，揭示了撞擊效應的物理力學