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空间碎片铝网防护屏超高速撞击特性研究

牛瑞涛  
【摘要】: 随着人类太空开发活动的日益频繁,太空环境持续恶化,空间碎片数量不断增多,航天器安全运行受到的威胁日益显现,因此,需要对航天器进行空间碎片防护结构设计。网状防护结构是对传统的板状连续体设计理念的一种突破,本文通过地面模拟实验与数值模拟手段对国产铝合金网状防护结构的超高速撞击特性进行了研究。 利用二级轻气炮进行了铝网/铝板双防护屏防护结构的超高速正撞击实验研究,分析了不同材料和规格的铝网防护屏对高速撞击粒子的破碎效应以及对碎片的扩散作用。在相近的撞击速度下,与相同面密度的铝板双防护屏防护结构的超高速撞击特性进行了对比分析,研究了二者超高速撞击损伤特性的不同,对铝网/铝板双防护屏防护结构的超高速撞击防护性能进行了评价。 以常用防护结构撞击极限曲线为基础,对由不同丝径、丝间距的铝网所组成的铝板/铝网组合防护结构的超高速撞击防护性能进行了优选分析及实验评价,撞击速度为2.5km/s~5.0km/s,弹丸直径分别为3.97mm和6.35mm,实验选用3种丝径、3种丝间距的5052铝网分别与铝板组成面密度相同的铝板/铝网组合防护结构,此时铝网位于铝板的后面。实验得到了不同铝丝网组合防护结构在实验速度范围内的撞击极限,并与相同面密度的双层铝板防护屏结构进行了比较,获得了防护效果优于相同面密度铝板的最佳铝丝网尺寸参数。在此基础上,对铝板/铝网组合双层防护屏结构进行了优选组合,并进行了超高速撞击实验研究。 完成了实验所用丝网防护结构的几何建模,对两种铝网防护结构的超高速撞击响应进行了数值仿真,并通过超高速撞击实验对数值仿真的有效性进行了验证。利用数值仿真方法对铝丝网防护屏超高速撞击碎片云分布特性进行了研究,分析了弹丸不同撞击位置对碎片云分布特性及其能量分布的影响,并对多层丝网结构的不同叠加方式对其防护性能的影响进行了研究。


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