航天器空间碎片防护结构超高速撞击特性研究

论文摘要

随着航天事业的发展,空间碎片环境日益恶化,严重地威胁着在轨航天器的安全运行。空间碎片危害航天器的最主要特征是超高速撞击现象,对于毫米级空间碎片,采用设置防护屏的防护结构方案被证明是现实有效的措施。航天器空间碎片防护结构的超高速撞击特性是航天器空间碎片风险评估和防护结构设计的重要基础数据。本文利用二级轻气炮发射技术实现了球形弹丸的超高速发射,针对国产铝合金材料的典型空间碎片防护结构进行了系统的超高速撞击实验研究和损伤规律分析,实验数据和研究结果可为航天器防护结构的工程设计提供参考依据。薄板和中厚板的超高速撞击特性是空间碎片防护结构设计的重要基础。通过实验研究了5A06铝合金中厚板的撞击成坑特性和2A12铝合金薄板的撞击穿孔特性,获得了给定结构铝合金单层板的撞击极限曲线,并建立了预测撞击特性的经验公式。研究结果表明:撞击弹丸的液化是导致其在部分撞击速度区间内侵彻能力下降的主要原因;在一定的厚度范围内,铝合金靶板厚度对其超高速正撞击穿孔特性的影响与弹丸直径和撞击速度同样具有显著性;铝合金球形弹丸超高速斜撞击铝合金薄板时,存在使撞击弹丸发生滑弹返溅的临界撞击角;与国外薄板超高速撞击穿孔经验公式相比,新建立的经验公式更适合于国产铝合金材料。双层板结构是最典型的航天器空间碎片防护结构。通过实验研究了铝合金双层板结构在正撞击和斜撞击条件下的后板撞击坑分布特性,获得了给定结构铝合金双层板的撞击极限曲线,并建立了预测后板撞击坑分布特性的经验公式。研究结果表明:弹丸直径、撞击速度、撞击角度、前板厚度以及前后板间距是决定双层板后板撞击坑特性的主要因素,但撞击速度对前板后主碎片云膨胀角无显著影响;弹丸的撞击破碎临界速度将会影响铝合金双层板结构正撞击的后板撞击坑分布和斜撞击的后板损伤与撞击角的变化关系;建立的后板撞击坑分布经验公式为超高速撞击二次碎片云特性的定量化分析提供了参考。多层板结构与双层板结构相比具有更加优良的抗空间碎片超高速撞击的能力。通过实验研究了提高铝合金多层板防护结构防护性能的方法和机理,讨论了防护板层数和各层防护板厚度对提高防护性能的作用。研究结果

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 空间碎片超高速撞击地面模拟实验技术
• 1.2.1 超高速发射技术
• 1.2.2 超高速发射弹托分离技术
• 1.2.3 超高速发射速度测量技术
• 1.3 超高速撞击损伤特性描述方法
• 1.3.1 正撞击损伤特性描述
• 1.3.2 斜撞击损伤特性描述
• 1.3.3 撞击损伤分类
• 1.4 预报撞击损伤经验公式
• 1.4.1 厚板撞击成坑经验公式
• 1.4.2 薄板撞击穿孔经验公式
• 1.5 空间碎片防护方案研究概况
• 1.5.1 航天器空间碎片防护结构
• 1.5.2 航天器结构材料与防护材料
• 1.6 防护方案性能评价方法
• 1.6.1 撞击极限曲线
• 1.6.2 撞击极限方程
• 1.7 超高速撞击压力容器研究进展
• 1.8 本文主要研究内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料及结构方案
• 2.2.1 单层板结构
• 2.2.2 双层板结构
• 2.2.3 多层板结构
• 2.2.4 压力容器结构
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 弹丸加速装置
• 2.3.2 弹丸速度测量装置
• 2.3.3 靶件安装固定
• 2.4 撞击损伤参数测量
• 2.4.1 单弹丸撞击损伤参数测量
• 2.4.2 碎片云撞击损伤参数测量
• 2.4.3 压力容器撞击损伤参数测量
• 2.5 本章小结
• 第3章 铝合金单层板超高速正撞击特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 中厚板超高速正撞击损伤特性
• 3.2.1 撞击损伤模式
• 3.2.2 弹丸直径对撞击特性的影响
• 3.2.3 撞击速度对撞击成坑特性的影响
• 3.2.4 预测撞击成坑公式
• 3.2.5 撞击极限曲线
• 3.3 薄板超高速正撞击损伤特性
• 3.3.1 撞击损伤模式
• 3.3.2 弹丸直径对撞击穿孔特性的影响
• 3.3.3 撞击速度对撞击穿孔特性的影响
• 3.3.4 靶板厚度对撞击穿孔直径的影响
• 3.3.5 预测撞击穿孔公式
• 3.4 本章小结
• 第4章 铝合金单层薄板超高速斜撞击特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 撞击损伤模式
• 4.3 斜撞击椭圆穿孔特性
• 4.3.1 撞击角对穿孔尺寸的影响
• 4.3.2 撞击角对穿孔椭圆度的影响
• 4.4 预测斜撞击穿孔公式
• 4.5 薄板超高速斜撞击滑弹返溅特性
• 4.6 本章小结
• 第5章 铝合金双层板结构超高速正撞击特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 撞击损伤模式
• 5.3 撞击损伤特性
• 5.3.1 弹丸直径对后板弹坑特性的影响
• 5.3.2 撞击速度对后板弹坑特性的影响
• 5.3.3 前板厚度对后板弹坑特性的影响
• 5.3.4 前后板间距对后板撞击特性的影响
• 5.4 预测后板弹坑分布公式
• 5.5 撞击极限曲线
• 5.6 本章小结
• 第6章 铝合金双层板结构超高速斜撞击特性研究
• 6.1 引言
• 6.2 撞击损伤模式
• 6.3 后板损伤特性
• 6.3.1 后板最严重损伤临界撞击角
• 6.3.2 撞击角对后板弹坑分布的影响
• 6.3.3 撞击角对碎片云膨胀特性的影响
• 6.4 预测后板撞击坑分布公式
• 6.5 本章小结
• 第7章 铝合金多层板结构超高速正撞击特性研究
• 7.1 引言
• 7.2 撞击损伤模式
• 7.3 撞击损伤特性
• 7.3.1 防护板层数对后板舱壁损伤的影响
• 7.3.2 各层防护板厚度对后板舱壁损伤的影响
• 7.4 防护特性分析
• 7.5 本章小结
• 第8章 充气压力容器超高速撞击特性研究
• 8.1 引言
• 8.2 压力容器超高速正撞击损伤特性
• 8.2.1 撞击损伤模式
• 8.2.2 撞击动能对容器撞击损伤特性的影响
• 8.2.3 充气压力对容器撞击损伤特性的影响
• 8.3 压力容器超高速斜撞击损伤特性
• 8.3.1 撞击损伤模式
• 8.3.2 撞击损伤特性
• 8.4 防护压力容器超高速撞击损伤特性
• 8.4.1 撞击损伤模式
• 8.4.2 撞击损伤特性
• 8.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历