空間碎片雙層板防護(hù)結(jié)構(gòu)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(duì)在軌航天器的威脅越來(lái)越嚴(yán)重。對(duì)航天器進(jìn)行空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)成為時(shí)代的必需和今后發(fā)展的必然趨勢(shì)，我國(guó)航天事業(yè)特別是載人航天及空間交會(huì)對(duì)接等一系列航天活動(dòng)的發(fā)展對(duì)航天器進(jìn)行有效的空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)提出了迫切的要求。
　　空間碎片與航天器的相對(duì)撞擊速度大約在1km/s到16km/s范圍內(nèi)，空間碎片防護(hù)的重點(diǎn)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(zhì)量密度約為2.8g/cm

2、3，與鋁或鋁合金接近。
　　雙層板防護(hù)結(jié)構(gòu)，也被稱(chēng)為Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)，包含前、后兩層板，前板代表防護(hù)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(hù)措施，也是國(guó)際空間站廣泛采用的防護(hù)方案。
　　撞擊極限用于描述防護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)方案設(shè)計(jì)中進(jìn)行空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)，而國(guó)內(nèi)目前還缺乏相關(guān)的撞擊特性數(shù)據(jù)，尚未開(kāi)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(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為工程背景，以抵御毫米級(jí)空間碎片的雙層板防護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，根據(jù)雙層板防護(hù)結(jié)構(gòu)在不同撞擊參數(shù)條件下呈現(xiàn)撞擊極限分段特征，在對(duì)各段撞擊效應(yīng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，按防護(hù)結(jié)構(gòu)前板和后板在各段的損傷破壞過(guò)程與機(jī)理，分別建立力學(xué)模型獲得了空間碎片撞擊雙層板防護(hù)結(jié)構(gòu)為防止后板失效所需要的后板極限厚度函數(shù)關(guān)系式，建立了三個(gè)速度段的撞擊極限方程。進(jìn)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(hù)

4、結(jié)構(gòu)在不同撞擊速度下呈現(xiàn)撞擊極限分段特征，在對(duì)各段撞擊效應(yīng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)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(gè)剪切孔且質(zhì)量不發(fā)生改變的特點(diǎn)，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(wú)限體后板成坑的坑深，采用半無(wú)限體靶板坑深與有限厚靶板極限厚度之間的關(guān)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(diǎn)，認(rèn)為碎片云

5、顆粒撞擊半無(wú)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(duì)碎片云成坑的研究，建立了半無(wú)限體后板成坑深度的無(wú)量綱表達(dá)式，進(jìn)而建立了破碎段撞擊極限方程。分析的同時(shí)還建立了最大碎片直徑的無(wú)量綱表達(dá)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(gòu)成的特點(diǎn)，假設(shè)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(jiǎn)支圓板承受部分均布載荷作用下位移的近似解，通過(guò)對(duì)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(jié)構(gòu)撞擊極限研究時(shí)的分段問(wèn)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(wú)量綱經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式。
　　本文通過(guò)分段建立力學(xué)模型以反映雙層板防護(hù)結(jié)構(gòu)在不同速度范圍內(nèi)具有不同撞擊效應(yīng)的物理力學(xué)過(guò)程，利用已有關(guān)于成坑、穿孔等基礎(chǔ)性研究成果，分別建立了三個(gè)速度段的撞擊極限方程，其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。所取得的研究成果，為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)工程應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)，揭示了撞擊效應(yīng)的物理力學(xué)