航天器空間碎片防護結(jié)構(gòu)超高速撞擊特性研究.pdf

1、隨著航天事業(yè)的發(fā)展，空間碎片環(huán)境日益惡化，嚴重地威脅著在軌航天器的安全運行?？臻g碎片危害航天器的最主要特征是超高速撞擊現(xiàn)象，對于毫米級空間碎片，采用設(shè)置防護屏的防護結(jié)構(gòu)方案被證明是現(xiàn)實有效的措施。航天器空間碎片防護結(jié)構(gòu)的超高速撞擊特性是航天器空間碎片風(fēng)險評估和防護結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文利用二級輕氣炮發(fā)射技術(shù)實現(xiàn)了球形彈丸的超高速發(fā)射，針對國產(chǎn)鋁合金材料的典型空間碎片防護結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的超高速撞擊實驗研究和損傷規(guī)律分析，實驗數(shù)據(jù)和研

2、究結(jié)果可為航天器防護結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計提供參考依據(jù)。
　　薄板和中厚板的超高速撞擊特性是空間碎片防護結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要基礎(chǔ)。通過實驗研究了5A06鋁合金中厚板的撞擊成坑特性和2A12鋁合金薄板的撞擊穿孔特性，獲得了給定結(jié)構(gòu)鋁合金單層板的撞擊極限曲線，并建立了預(yù)測撞擊特性的經(jīng)驗公式。研究結(jié)果表明：撞擊彈丸的液化是導(dǎo)致其在部分撞擊速度區(qū)間內(nèi)侵徹能力下降的主要原因；在一定的厚度范圍內(nèi)，鋁合金靶板厚度對其超高速正撞擊穿孔特性的影響與彈丸直徑和撞擊

3、速度同樣具有顯著性；鋁合金球形彈丸超高速斜撞擊鋁合金薄板時，存在使撞擊彈丸發(fā)生滑彈返濺的臨界撞擊角；與國外薄板超高速撞擊穿孔經(jīng)驗公式相比，新建立的經(jīng)驗公式更適合于國產(chǎn)鋁合金材料。
　　雙層板結(jié)構(gòu)是最典型的航天器空間碎片防護結(jié)構(gòu)。通過實驗研究了鋁合金雙層板結(jié)構(gòu)在正撞擊和斜撞擊條件下的后板撞擊坑分布特性，獲得了給定結(jié)構(gòu)鋁合金雙層板的撞擊極限曲線，并建立了預(yù)測后板撞擊坑分布特性的經(jīng)驗公式。研究結(jié)果表明：彈丸直徑、撞擊速度、撞擊角度、前板

4、厚度以及前后板間距是決定雙層板后板撞擊坑特性的主要因素，但撞擊速度對前板后主碎片云膨脹角無顯著影響；彈丸的撞擊破碎臨界速度將會影響鋁合金雙層板結(jié)構(gòu)正撞擊的后板撞擊坑分布和斜撞擊的后板損傷與撞擊角的變化關(guān)系；建立的后板撞擊坑分布經(jīng)驗公式為超高速撞擊二次碎片云特性的定量化分析提供了參考。
　　多層板結(jié)構(gòu)與雙層板結(jié)構(gòu)相比具有更加優(yōu)良的抗空間碎片超高速撞擊的能力。通過實驗研究了提高鋁合金多層板防護結(jié)構(gòu)防護性能的方法和機理，討論了防護板層數(shù)

5、和各層防護板厚度對提高防護性能的作用。研究結(jié)果表明：在防護屏面密度不變的情況下，增加防護板層數(shù)可以顯著提高其防護能力，同時前板強度和前后板間距在提高多層板結(jié)構(gòu)防護能力中起著非常重要的作用。
　　壓力容器是航天器上的重要部件，被空間碎片撞擊可能會導(dǎo)致航天器嚴重失效。通過實驗研究了充氣壓力容器在無防護和具有單防護屏防護情況下，受到球形彈丸超高速撞擊后的損傷行為及機理。研究結(jié)果表明：撞擊動能與容器內(nèi)部充氣壓力是影響壓力容器超高速撞擊損傷

6、模式的重要因素；容器內(nèi)部的高壓氣體一方面可能造成容器的爆炸，另一方面還會減輕碎片對容器后側(cè)的撞擊損傷；在防護屏被擊穿的情況下，防護壓力容器可能會發(fā)生更嚴重的損壞。
　　本文以航天器空間碎片常用防護材料國產(chǎn)鋁合金為對象，通過超高速撞擊地面模擬實驗，系統(tǒng)地研究了單層板、雙層板、多層板等結(jié)構(gòu)和壓力容器類部件受到空間碎片超高速撞擊的損傷特性及其機理。在總結(jié)實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析了鋁合金中厚板撞擊成坑、鋁合金薄板撞擊穿孔以及鋁合金雙層板后板