玄武岩纤维布/铝丝网组合材料的空间碎片防护结构研究

论文摘要

进入21世纪以后,世界航天事业继续飞速发展,但其带来的副产品—“空间碎片”问题也愈发严重,对在轨航天器及航天员造成巨大的威胁。在现有航天器防护结构逐渐不能够满足防护要求的前提下,应用具有更佳防护性能的新材料成为当务之急。本文对玄武岩纤维布和铝丝网的防护特性进行了介绍,并对玄武岩纤维布/铝丝网组合防护结构进行超高速撞击特性研究。对当今航天器常用的几种防护结构进行调研后,设计了四种总面密度相同的玄武岩纤维布/铝丝网组合防护结构,即玄武岩纤维布/铝丝网作第一层防护屏或填充层的Whipple防护结构,网格双防护结构,多层冲击结构。利用二级轻气炮对这四种防护结构及相同面密度的典型铝板Whipple防护结构进行了超高速撞击地面模拟实验,分析了撞击速度对各防护结构防护性能的影响。在撞击速度相近时,对每种结构的防护性能做了对比,发现4种组合防护结构的性能明显好于典型铝板Whipple防护结构。并且在低速段,撞击速度在2 km/s到3.5 km/s之间,玄武岩纤维布/铝丝网组合层作填充层的防护结构的防护效果稍微好于其它三种;在高速段,撞击速度在3.5 km/s到5.5 km/s之间,玄武岩纤维布/铝丝网组合层作填充层的防护结构的防护效果明显好于其它三种,玄武岩纤维布/铝丝网作第一层防护屏的防护结构次之,多层冲击结构与网格双防护结构最差。应用三维绘图软件CATIA对铝合金丝网及玄武岩纤维布完成了几何建模,应用LS-DYNA软件进行了超高速撞击数值仿真,通过实验验证了玄武岩纤维布几何模型及材料模型的有效性。通过数值仿真方法,研究了纯玄武岩纤维布对弹丸动能的消耗能力,分析了组合结构中玄武岩纤维布的安放位置对防护性能的影响。

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防护结构研究现状
• 1.2.1 航天器防护结构
• 1.2.2 航天器防护材料
• 1.2.3 撞击极限曲线
• 1.3 玄武岩纤维布材料简介
• 1.3.1 玄武岩纤维布材料的性能
• 1.3.2 国内外研究现状
• 1.3.3 玄武岩纤维布在航天器防护领域的应用
• 1.4 存在的不足
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 铝合金材料基本性能
• 2.2.2 玄武岩纤维布基本性能
• 2.3 实验设备
• 2.3.1 弹丸发射设备
• 2.3.2 弹丸速度测量设备
• 2.3.3 数码显微镜
• 2.3.4 电子天平
• 2.4 防护性能评价方法
• 2.5 本章小节
• 第3章 玄武岩纤维布与铝丝网组合结构防护性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 玄武岩纤维布/铝丝网组合层作第一层防护屏的Whipple 防护结构
• 3.2.1 结构方案
• 3.2.2 实验结果
• 3.2.3 防护性能分析
• 3.3 玄武岩纤维布/铝丝网组合层作填充层的填充式Whipple 防护结构
• 3.3.1 结构方案
• 3.3.2 实验结果
• 3.3.3 防护性能分析
• 3.3.4 与Nextel/Kevlar 填充防护结构的性能对比
• 3.4 网格双防护结构
• 3.4.1 结构方案
• 3.4.2 实验结果
• 3.4.3 防护性能分析
• 3.5 多层冲击防护结构
• 3.5.1 结构方案
• 3.5.2 实验结果
• 3.5.3 防护性能分析
• 3.6 典型铝板Whipple 防护结构
• 3.6.1 结构方案
• 3.6.2 实验结果
• 3.6.3 防护性能分析
• 3.7 防护结构性能对比分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 超高速撞击数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 玄武岩纤维布及铝合金丝网的几何建模
• 4.2.1 铝合金丝网的几何建模
• 4.2.2 玄武岩纤维布的几何建模
• 4.3 数值仿真方法介绍
• 4.3.1 光滑粒子流体动力学方法
• 4.3.2 数值仿真材料模型
• 4.4 超高速撞击数值仿真有效性验证
• 4.5 玄武岩纤维布超高速撞击防护特性研究
• 4.5.1 多层玄武岩纤维布超高速撞击防护结构设计
• 4.5.2 多层玄武岩纤维布超高速撞击数值仿真
• 4.6 玄武岩纤维布安放位置对组合防护结构防护性能的影响
• 4.6.1 玄武岩纤维布安放位置对弹丸动能消耗量的影响
• 4.6.2 玄武岩纤维布与铝丝网对弹丸破碎能力的差异
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢