Al/Mg波阻抗梯度材料加强型Whipple结构超高速撞击特性研究

波阻抗梯度材料加强型Whipple结构具有优异的防护性能。本文的目的是研究Al/Mg波阻抗梯度材料加强型Whipple结构在5.0 km/s撞击速度下的超高速撞击特性，以及除具有高阻抗的迎撞击面在弹丸中产生更高的冲击压力和温升外，影响波阻抗梯度材料防护性能的主要因素。本文中提出一种由铝合金表层和镁合金基底组成的面密度等效于1.5 mm厚铝合金的新型波阻抗梯度防护屏，采用二级轻气炮在5.0 km/s的撞击速度下对Al/Mg波阻抗梯度材料加强型和铝合金Whipple结构进行了初步超高速撞击对比实验，研究了超高速撞击防护屏穿孔、碎片云和后墙损伤特性。与铝合金防护结构相比，Al/Mg防护结构具有防护屏穿孔翻边更明显、后墙损伤较轻微、碎片云扩散半角大和撞击坑细化程度高4个主要特征。本文中开展了理论分析与计算，研究了冲击耦合过程、波传播特性和热力学状态等。结果表明:不受面密度影响，Al/Mg防护屏能改变冲击波在靶中的传播特征，使弹丸破碎程度更高，并且提升了防护屏中的内能转化率，具有优异的动能耗散特性。因此，与同等面密度的铝合金Whipple结构相比，Al/Mg结构具有更优异的防护性能。     

铝合金Whipple防护结构高速撞击实验研究

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的损伤破坏模式及其防护性能，采用二级轻气炮发射球形弹丸，对铝合金Whipple防护结构进行高速撞击实验研究。根据实验结果分析了铝合金Whipple防护结构的防护屏和舱壁在不同速度区间的损伤模式特征，以及薄铝板防护屏高速撞击穿孔和舱壁弹坑分布随弹丸直径、弹丸撞击速度变化的规律。通过固定弹丸直径，改变弹丸撞击速度，寻找临界撞击速度的方法获得了铝合金Whipple防护结构在0.5~5.5 km/s撞击速度区间内的撞击极限曲线，并与由Christiansen撞击极限方程得到的撞击极限曲线进行了比较，结果表明，实验最小临界弹丸直径略大于预测值。     

波阻抗梯度材料加强型Whipple结构撞击极限研究

为研究一种改进型的波阻抗梯度材料防护结构Ti/Al/Mg结构的撞击极限,采 用 二 级 轻 气 炮 以3.0～8.0 km/s的速度对Ti/Al/Mg结构、Al/Mg结构和2A12结构开展了超高速撞击实验,建立了Ti/Al/Mg结构的撞击极限曲线。结果表明:高阻抗的钛合金表层能产生更高的冲击压力和温升,使弹丸充分破碎;在面密度相同的条件下,与Al/Mg结构和2A12结构相比,Ti/Al/Mg结构具有更强的防护性能。通过理论计算得到Ti/Al/Mg结构撞击极限曲线的区间转变速度小于7.0 km/s,但其实验撞击极限曲线上并未出现明显的区间转变,在实验速度范围内,撞击极限随着撞击速度的提升而增大,这与典型Whipple结构撞击极限曲线存在差异。     

后墙拆分结构防护性能的实验和计算对比研究

为验证利用后墙拆分方式提升防护结构性能的可行性,通过开展数值模拟（铝弹丸直径6.0 mm,撞击速度5.0～8.3 km/s）和超高速撞击实验（铝弹丸直径6.0 mm,撞击速度约8.3 km/s）,研究了3种防护结构的性能差异以及不同撞击速度对结构防护性能的影响。防护结构主要包括Whipple结构和两种后墙拆分结构。针对直径6.0 mm铝弹丸分别以5.0、6.0、7.0、8.3 km/s的速度撞击防护结构的工况,借助Autodyn软件开展了数值模拟,并将模拟结果与在弹道靶设备上获得的超高速撞击实验结果进行了对比。模拟结果与实验结果均表明,在相同撞击状态下两种后墙拆分结构的防护性能有所差异,但均优于相同面密度的Whipple结构,且随着撞击速度的提高,这种优势具有增大的趋势。     

非球弹丸超高速撞击航天器防护结构数值模拟

采用AUTODYN软件对非球弹丸超高速正撞击航天器单防护屏防护结构进行了数值模拟，给出了2维及3维模拟的结果。研究了在相同质量和速度的条件下，不同形状弹丸长径比、撞击方向等对超高速撞击防护结构所产生碎片云特性及舱壁损伤尺寸的影响，并与球形弹丸撞击所产生的碎片云及舱壁损伤进行了比较。结果表明:弹丸的长径比越大，弹丸的穿孔能力越强；非球弹丸的撞击方向不同，所产生的碎片云形状、质量分布、破碎的程度和穿孔的能力是不同的。     

基于拟流体模型的SPH新方法及其在弹丸超高速碰撞薄板中的应用

引入颗粒动力学理论(拟流体模型)建立了适用于超高速碰撞的SPH新方法。将超高速碰撞中处于损伤状态的碎片等效为拟流体,在描述其运动过程中引入了碎片间相互作用和气体相对碎片的作用。采用该方法对球形弹丸超高速碰撞薄板形成碎片云的过程进行了数值模拟,得到了弹坑直径、外泡碎片云和内核碎片云的形状、分布,并与使用传统SPH方法、自适应光滑粒子流体动力学(ASPH)方法的模拟结果进行对比,结果显示:新方法在内核碎片云形状和分布上计算结果更加准确。同时对Whipple屏超高速碰撞问题进行了研究,分析了不同撞击速度下防护屏弹坑尺寸及舱壁损伤特性等特性,计算结果与实验吻合较好且符合Whipple防护结构的典型撞击极限曲线。     

改进的Whipple防护结构与相关数值模拟方法研究进展

基于弹丸在超高速撞击薄板时破碎形成碎片云的机理,Whipple防护结构能够对航天器所面临的空间碎片及微流星体等威胁形成有效防护。通过回顾Whipple防护结构的研究和发展历程,对多层板结构、填充式防护结构、夹芯板结构等进行对比,分析其力学效应和防护性能;总结可应用于含泡沫、蜂窝、梯度和编织等材料的防护结构超高速撞击的数值模拟方法及其改进方法;结合相关材料的超高速撞击试验及数值模拟结果,为防护结构未来的研究方向提出建议。     

弹丸超高速撞击航天器典型防护结构数值仿真

选用铝和火山岩两种材料的弹丸,对航天器典型Whipple防护结构进行超高速撞击数值仿真计算.结果表明在弹丸质量和速度相同的情况下,铝弹丸撞击航天器防护结构的损伤效应要远远大于火山岩弹丸撞击的损伤,这是由弹丸材料特性决定的.     

铝双层板结构的前板厚度对撞击损伤影响的实验研究

低地球轨道上的航天器易受到微流星体和空间碎片的超高速撞击,导致其严重损伤甚至灾难性的失效。撞击损伤特性研究是航天器防护设计的重要问题。本文采用非火药驱动二级轻气炮发射球形弹丸,对铝双层板结构进行超高速撞击实验研究,从而模拟空间碎片对航天器防护结构的超高速撞击作用。实验得到了铝双层板结构在弹丸撞击速度为2.33±0.12km/s和4.36±0.10km/s两种情况时,其前板和后板的撞击损伤随前板厚度变化的规律,随着前板厚度的增加,前板穿孔直径增大,后板撞击中心的损伤减轻,后板上大弹坑由撞击中心移至外围。当撞击速度超过弹丸破碎速度时,后板上将出现弹坑密集分布区。实验结果表明,前板厚度的选取对双层板结构的撞击损伤区域会产生影响。     

弹丸超高速撞击防护屏穿孔研究

防护屏穿孔直径在Whipple防护结构的超高速撞击实验中易于测量,是检验超高速撞击实验及数值模拟有效性的重要参数.本文分别采用超高速撞击实验、数值模拟及经验公式对铝合金Whipple防护结构的防护屏穿孔进行了研究.数值模拟结果与实验结果吻合很好,说明本文物理建模及参数的选取是合理的,同时也验证了数值模拟方法的正确性及有效性;使用经验公式进行了对比计算,结果表明Maiden C J给出的公式具有很好的普适性.最后利用数值模拟研究不同材料对超高速撞击防护屏穿孔的影响.合理的应用经验公式及数值模拟可以更加快捷、有效地开展超高速撞击实验研究.     

超高速撞击下波阻抗梯度防护结构碎片云特性研究

碎片云特性是影响空间碎片防护结构防护性能的重要因素。通过实验对比了相同面密度波阻抗梯度材料、铝合金材料的碎片云特性,并借助数值模拟进行了更深入的研究,结果表明,当弹丸分别撞击波阻抗梯度材料、铝合金材料时,碎片云结构中弹丸的破碎特征明显不同。撞击波阻抗梯度材料时,弹丸头部破碎更加充分,弹丸侧向扩展程度提高;在高速段（6.5 km/s）,受阻抗梯度及材料熔化效应的共同作用,波阻抗梯度材料碎片云头部出现分层现象。研究结果表明,超高速撞击波阻抗梯度材料碎片云特性的变化是其防护性能优于相同面密度铝合金的重要因素之一。     

球形弹丸正撞击薄板防护屏碎片云特性研究

以质量、动量和能量守恒为基础,结合平面激波理论和热力学理论,对球形铝弹丸正撞击薄板铝防护屏形成的碎片云特性进行了建模,模型计算结果与实验结果吻合较好。利用该模型对多种工况下碎片云特性进行了计算,结果表明:(1)碎片云质心速度和膨胀速度随撞击速度和弹丸直径的增加而增大,随防护屏厚度增大而减小;膨胀半角随撞击速度和防护屏厚度的增大而增大,随弹丸直径的增大而减小;(2)速度和膨胀半角变化曲线具有相似性;(3)对于给定的弹丸和防护屏材料,碎片云中受到激波加载部分的材料各相态质量分数只与弹丸撞击速度有关。这些规律与实验规律吻合。     

Damage Mechanisms Perspective on Superior Ballistic Performance of Spinel over Sapphire

Sapphire and magnesium spinel are two commonly used transparent armor materials. Although it is commonly believed that better mechanical properties often result in better field performance, the ballistic performance of spinel is reported to be superior to sapphire despite its inferior mechanical properties. The above discrepancy has been rationalized on the basis of mechanisms of deformation during impact loading. After reviewing the reported ballistic performance results on spinel and sapphire, we will discuss the relevant mechanical properties and their inability to explain the observed paradoxical behavior. We will then present differences in static (15 s duration) and dynamic (100 μs duration) indentation fracture characteristics and compare these observations to fracture modes witnessed during ball-on-rod impact tests. Lastly, the energy absorbed in various deformation mechanisms for each material is compared to draw a rationale for the intriguing behavior of spinel. Fracture along crystallographic planes in sapphire during ball impact allows large fragments to be ejected causing a significant loss in structural integrity and deeper projectile penetration, whereas the mixed mode fracture in spinel produces fine debris which opposes the incoming projectile and causes severe deceleration and erosion of the ball. Thus a mechanism based rationale has been provided to describe the superior performance of spinel over sapphire.