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火山岩弹丸超高速撞击航天器损伤特性研究

廖高健  
【摘要】: 随着深空探测和中国探月计划的实施,为了保障航天器安全运行,需要进一步研究微流星体超高速撞击对航天器防护结构的损伤特性。由于毫米级微流星体尺寸小,难以观测和预报,一般采用被动防护措施来保护航天器的安全运行。因此,掌握防护结构受毫米级微流星体超高速撞击的损伤特性有助于其优化设计。 首先,通过对微流星体环境调研,分析微流星体分布规律、化学成分和物理力学特性。基于化学物理性质相似性,选取火山岩作为微流星体典型模拟材料。针对航天器典型防护材料和结构,开展了火山岩弹丸超高速撞击地面模拟实验。 目前国内采取先进的二级轻气炮作为毫米级弹丸超高速发射装置。由于发射过程中会产生冲击波和高温等不利环境,可能导致脆性火山岩材料发生破碎以及不规则弹丸弹道偏离现象,这是模拟微流星体轻质弹丸发射时所要面对的一项技术难题。本文通过探讨超高速发射中冲击波的作用,改进实验方案,实现了对火山岩高脆性、低密度弹丸在1-3.3 km/s的成功发射。 其次,根据火山岩微观几何结构,采用ANSYS建立了其微几何模型,并利用ANSYS/LS-DYNA求解,数值模拟的可靠性得到了实验验证。进一步进行了撞击速度介于1-10km/s范围内的数值模拟,分析了防护结构的损伤。 最后,开展了火山岩超高速撞击蜂窝夹层结构实验研究,并利用SPH-Lagrange耦合的方法,进行了火山岩超高速撞击蜂窝结构数值模拟分析。分析了蜂窝夹层结构受火山岩超高速撞击过程中,前后夹板以及蜂窝芯与弹丸之间的能量转化关系。研究发现,蜂窝的前后板转化了较大一部分能量,蜂窝芯只是吸收少部分能量。


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