铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布剩余速度分析

 采用高强纤维作为防护材料,是航天器空间碎片超高速撞击防护结构发展的趋势之一。超高速撞击损伤分析是空间碎片防护结构研究开发设计的重要环节,也是高压极端加载条件下材料动态响应分析的重要内容。玄武岩纤维是近年来受到人们关注的一种高强度、高模量陶瓷纤维。利用二级轻气炮进行了铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维编织布时的超高速撞击实验,根据弹丸碎片的闪光X射线阴影照片,分析了铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维编织布的撞击速度损失规律,根据实验结果拟合得到了铝合金弹丸的剩余速度方程,为分析玄武岩纤维材料对弹丸的撞击能量消耗提供了参考依据。     

铝网防护结构高速正撞击防护性能的实验研究

利用二级轻气炮发射2017-T4铝球弹丸,高速正撞击5052铝网防护结构,模拟空间碎片对航天器防护结构的高速撞击作用,研究了铝网防护结构的高速撞击防护特性。在面密度相同的情况下,分析了影响铝网填充防护结构高速撞击防护性能的铝网尺寸效应及组合效应。实验撞击速度为2.90~4.95km/s,弹丸直径分别为3.97和6.35mm,撞击角为0°。实验结果表明:厚度为0.5mm的2A12铝板对高速撞击铝球的初次破碎能力优于相同面密度的5052铝网层,但作为填充介质,5052铝网层比2A12铝板具有更好的保护后板作用;在一定的丝径范围内,丝径越小,撞击防护效果越好;前网后板填充层比前板后网填充层具有更好的均匀破碎效果。     

铝弹丸超高速撞击防护结构的研究进展

以空间碎片防护为背景,回顾了超高速铝弹丸正撞击单层和双层铝合金防护结构的研究进展,讨论了目前针对超高速撞击的弹丸发射技术和数值模拟方法(如Euler方法、无网格方法等)的优缺点。数值模拟不仅建立在离散方法上,还需要提供准确的材料本构模型和状态方程。介绍了常用材料模型(包括Johnson-Cook、Steinberg-Guinan模型)和状态方程(包括Tillotson、ANEOS、SESAME、GRAY三相状态方程)。基于实验和数值模拟,目前对7 km/s以下的超高速撞击物理过程已经认识得比较清楚。对单层板,重点讨论了板的穿孔特征和孔径模型;对双层板,除了前板的穿孔外,还讨论了碎片云的分布特征、材料相变、碎片云的相态分布、弹丸形状的影响、碎片云的散布模型以及碎片云对后板造成的破坏特征。最后介绍了工程防护中较为重要的防护结构的弹道极限方程。单层板和双层板的弹道极限方程研究近年来取得了较大进展。本文回顾了国内外常用的弹道极限方程以及近年来新提出的理论模型和基于人工神经网络的模型等。     

玄武岩纤维布超高速撞击损伤分析

 在航天器空间碎片超高速撞击防护领域中,采用高技术纤维作为防护材料是当今防护结构发展的趋势之一,玄武岩纤维（Basalt Fiber）是近年来受到关注的一种高强度纤维。对玄武岩纤维织物受铝合金弹丸超高速撞击时的宏观穿孔损伤特性和细观纤维丝断裂损伤特性进行了分析研究,观察到了冲击高压造成的材料熔化现象,根据实验结果拟合得到了玄武岩纤维布撞击孔的孔径方程,根据纤维丝断口形貌分析了纤维丝的断裂原因。研究结果可为玄武岩纤维材料在空间碎片防护结构中的应用提供有益参考。     

弹丸超高速撞击防护屏碎片云数值模拟

 低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击。这些撞击损伤航天器飞行的关键系统,进而导致航天器发生灾难性失效。为了保证航天员的安全及航天器的正常运行,微流星体及空间碎片防护结构设计是航天器设计的一个重要问题。采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击防护屏所产生碎片云的SPH法数值模拟,给出了二维及三维模拟结果;研究了防护屏厚度、弹丸形状、撞击速度以及材料模型等对碎片云的影响。模拟结果同高质量实验研究的结果进行了比较,模拟的碎片云形状和碎片云特征点的速度同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。     

超高速撞击下钛基复合材料动力学行为研究

 基于已有的铝合金超高速撞击实验研究结果,采用动力分析软件,对铝球撞击铝板进行了数值模拟,验证了数值模拟结果的可靠性,进而对铝防护屏以及与铝防护屏质量相同的钛基复合材料（TMC）防护屏进行了5.52、7.00、和8.00 km/s速度下的超高速撞击模拟,分别对直径为5.02 mm的铝球以及质量等同于铝球的钛基复合材料球做了3种速度下撞击铝屏和钛基复合材料防护屏的数值模拟。通过数值模拟研究可以看出,随着撞击速度的增加,钛基复合材料防护屏的防护效果优于铝防护屏;速度不变,钛基复合材料防护屏防护钛基复合材料球撞击的效果好,铝防护屏防护铝球撞击的效果好。通过超高速撞击模型分析可知,钛基复合材料防护屏的防护效果优于铝防护屏。     

弹丸超高速撞击铝靶成坑数值模拟

 低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击，损伤航天器飞行关键系统，进而导致航天器发生灾难性的失效。微流星体及空间碎片防护结构设计，是航天器设计的一个重要问题。采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击铝靶成坑的数值模拟，给出了二维及三维模拟结果。研究了弹丸密度、弹丸形状、板厚度、弹丸速度、弹丸直径和弹丸撞击入射角等对靶成坑的影响。模拟结果同实验结果进行了比较，模拟的成坑形状和特征尺寸同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。     

铝球弹丸高速斜撞击铝Whipple防护结构时后板的损伤特性

 为了研究空间碎片对航天器防护结构的高速斜撞击损伤特性,采用二级轻气炮发射铝球弹丸,对铝Whipple防护结构进行高速斜撞击实验。弹丸直径为3.97 mm,撞击速度为1.14～5.35 km/s,撞击角度为0°～70°。实验得到了铝Whipple防护结构在不同撞击速度区间的后板损伤模式,分析了后板撞击损伤及弹坑分布特性,建立了预测铝球弹丸高速斜撞击铝Whipple防护结构时后板弹坑分布的经验公式。结果表明：在大角度斜撞击条件下,对于一定的撞击速度,铝Whipple防护结构的后板弹坑分布会出现两个区域;弹丸的撞击破碎临界速度将影响后板损伤随撞击角的变化关系;对于铝Whipple防护结构,存在使后板撞击损伤最严重的临界撞击角。     

超高速撞击Kevlar纤维布填充防护结构研究

 利用二级轻气炮,对Kevlar纤维布填充Whipple防护结构进行了超高速撞击实验研究。基于Nextel/Kevlar撞击极限曲线,分析了单层及双层Kevlar纤维布填充防护结构的防护性能以及填充材料、舱壁的损伤情况。实验表明,Kevlar纤维布填充Whipple防护结构在低速区具有优良的防护性能。分层布局可改善Kevlar纤维布填充Whipple防护结构在低速区的防护性能。在低速区,Kevlar纤维丝主要依靠大量的塑性变形及断裂吸收弹丸的动能;在高速区,Kevlar纤维丝存在高温熔化及碳化现象,使弹丸破碎或熔化为更小的碎片或熔球,从而减轻对舱壁的损伤。     

纤维编织材料超高速撞击特性实验研究

与铝合金等材料相比,纤维编织材料具有质量轻、可柔性折叠等优点,可应用于柔性充气展开防护结构,进而构建多屏、大间距防护结构,提升防护效率。考虑不同性能纤维编织材料对多屏防护结构防护性能的影响,通过实验研究了不同材料制成的多屏防护结构对空间碎片的防护性能,防护屏材料包括玄武岩纤维编织材料、芳纶纤维编织材料及铝板。在超高速弹丸撞击载荷作用下,与多屏铝板防护结构相比,多屏纤维编织材料防护结构具有更高的防碎片撞击效果;对多屏纤维编织材料防护结构来说,前两屏采用玄武岩纤维编织材料,后两屏采用芳纶纤维编织材料时,防护效果更好,说明多屏防护结构的前置防护屏采用软化温度较高的无机纤维编织材料时,可能会更好地破碎弹丸,从而提高防护结构的碎片撞击防护性能。     

碎片超高速撞击防护结构粒子场三维重构

为模拟空间碎片超高速撞击航天器防护结构表面材料喷射/溅射粒子场演化过程,并获取粒子场相关物理信息,基于粒子场同轴激光全息图像开展了碎片撞击过程的三维重构技术研究.首先对全息图像进行边缘剪切和缩放,将其划分为分辨率300×300左右的子图像以便于进行网格剖分;对于粒子堆叠区域子图像,采用基于三角化的网格剖分算法;剖分后形成的单一粒子采用Sobel算子提取其二维轮廓,然后将其投影到特定的三维空间形成三维形体;基于MAXScript语言实现了粒子场演化过程模拟.重构结果表明,无论是粒子场静态三维重构结果还是其演化过程均与撞击试验全息图像吻合较好,从而验证了该重构技术的有效性,为研究空间碎片对航天器防护结构的损伤效应提供了一种新的思路.     

超高速碰撞2A12铝靶过程中Al~+的光谱辐射特征

材料受到强冲击会产生闪光和等离子体效应。通过超高速碰撞实验并结合多种先进测试手段,推导出了适用于计算超高速碰撞产生等离子体电离度的沙哈(Saha)公式,为超高速碰撞过程中弹丸和靶板的物质组成分析提供了强有力的工具。基于二级轻气炮加载系统结合等离子体特征参量诊断的Triple Langmuir probe诊断系统和光谱辐射测量的ESA4000光谱仪系统,进行了3种不同碰撞速度条件下的超高速碰撞实验。实验结果表明,超高速碰撞2A12铝靶产生闪光辐射中包含Al+的光谱辐射;通过实验数据的解析进一步揭示了光谱强度与弹丸速度的关系。随着弹丸速度的增加,Al+的辐射光谱强度增大,由2A12铝激发的Al+光谱中小波长所对应谱线的辐射光谱强度比长波长所对应谱线的辐射光谱强度增加更快。关于2A12铝靶在超高速撞击载荷下产生铝离子的光谱辐射特征以及辐射温度研究在航天器防护空间碎片、导弹拦截、天体物理及深空探测领域具有重要的应用价值,此外,等离子体的特征参量测量和光谱辐射特征研究,对于在微观层面深刻揭示超高速碰撞现象具有重要的理论意义。     

超高速正撞击溅射物实验与仿真研究

 随着人类航天活动日益频繁,由微流星体和空间微小碎片超高速撞击航天器表面反溅生成的溅射物,对空间碎片环境的影响将越来越大。利用2017-T4铝合金球弹丸超高速正撞击5A06铝合金靶板进行了地面模拟实验与数值仿真计算,研究了反溅碎片特性参数,其中包括溅射物的平均速度、平均尺寸、平均溅射角,为空间碎片溅射物模型的建立奠定基础。采用多元回归方法,确定了溅射物平均速度与弹丸速度、弹丸尺寸之间的函数关系。研究表明,利用光滑粒子法（SPH）进行数值仿真计算,可以有效模拟溅射物平均尺寸、平均速度、平均溅射角;溅射物平均速度随弹丸速度、弹丸尺寸的增加而增加;溅射物基本呈圆锥形反溅,溅射物平均溅射角在41°左右,基本不受弹丸速度、弹丸尺寸的影响。     

超高速碰撞下C-SiC复合材料双层防护结构的力学特性

 C-SiC复合材料是一种随着航空航天技术发展而研制开发的新型材料,具有优异的力学性能,可以很好地满足航天器防护系统的使用要求,因此其超高速碰撞力学性能研究具有重要意义。基于现有的有关C-SiC复合材料力学性能的实验数据和模拟结果,推导得到模拟C-SiC复合材料超高速碰撞时所需的一系列参数。利用AUTODYN进行数值模拟,获得了C-SiC复合材料双层防护结构在超高速碰撞下的特性及弹道极限曲线,总结得出预测C-SiC复合材料双层防护结构的弹道极限方程。