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轻质脆性弹丸作用下的防护结构超高速撞击特性研究

李斌  
【摘要】: 空间碎片和微流星体严重威胁着航天器在轨安全运行,而微流星体更是深空探测器的唯一威胁。与空间碎片相比,微流星体具有组成成分复杂、速度高、平均密度低等特点,航天器防护结构受其撞击的损伤特性尚不明确。为保障航天在轨安全运行,有必要对航天器防护结构受微流星体超高速撞击的损伤特性开展研究,为航天器空间碎片防护结构优化设计奠定技术基础。根据微流星体平均密度低的特点,本文选取了聚丙烯和冰两种低密度、脆性材料作为微流星体模拟材料。 首先,研究了脆性、低融点弹丸发射技术。本文通过采用缓冲垫片、空穴法和铝膜片等手段,在1km/s~3km/s的速度范围内,成功地发射了脆性弹丸;采用液氮杜瓦冷却系统在发射过程中提供制冷,解决了冰弹融化的问题。 其次,开展了聚丙烯弹丸撞击航天器防护结构的地面模拟实验和数值仿真。通过实验研究发现,弹丸速度低于1.5km/s时,前板穿孔出现撕裂现象。通过实验与仿真的对比,验证了仿真的有效性,并采用数值仿真对实验进行了扩展。通过仿真研究发现,前板穿孔直径、碎片云最大速度和弹坑散布半径随着弹丸速度和直径的增加而增大;拟合数值仿真结果获得了撞击极限曲线和经验公式;与铝弹丸撞击极限曲线的对比发现,聚丙烯弹丸比具有相同速度和直径的铝弹丸造成的损伤小。 最后,研究了防护结构受圆柱形冰弹中低速撞击的损伤特性,通过实验和数值仿真获得了圆柱形冰弹击穿靶板的临界速度,以及鼓包高度和厚度与冰弹速度关系的经验公式。通过数值仿真研究了Whipple防护结构受冰弹丸超高速撞击的损伤特性,研究发现,前板穿孔直径、碎片云最大速度和弹坑散布半径随着弹丸速度和直径的增加而增大;获得了撞击极限曲线及其经验公式;与铝弹丸撞击极限曲线对比发现,弹丸速度高于6km/s时,冰弹丸比同等直径和速度的铝弹丸造成的损伤更严重。 本文对航天器防护结构受两种典型轻质弹丸超高速撞击的损伤特性进行了初步研究,所获得的数据和损伤规律对航天器防护结构优化设计具有一定的参考价值。


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