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。     

单层5A06铝合金板高速撞击实验研究

采用非火药驱动二级轻气炮发射球形弹丸,对单层5A06铝合金板进行高速撞击实验研究,从而模拟空间碎片对航天器防护结构的高速撞击作用。实验得到了该铝合金板在不同的速度区间的损伤模式。结果表明,弹丸撞击速度一定时,弹坑深度和弹坑直径均与弹丸直径呈线性关系。当撞击速度在4km/s至5km/s时,靶板上的弹坑深度和弹坑直径随撞击速度的增大而减小,在其它速度范围内,弹坑深度和弹坑直径随撞击速度的增大而增大。通过固定弹丸直径,变化撞击速度,寻找临界撞击速度的方法获得了该铝合金板在弹丸撞击速度为1.0km/s至4.2km/s时的撞击极限曲线,并将实验弹坑深度与由Cour-Palais方程得到的预测弹坑深度进行了比较,实验弹坑深度大于预测值。     

微流星体撞击航天器防护结构的模拟实验

采用火山岩模拟低密度脆性微流星体材料,对航天器典型Whipple防护结构进行高速撞击试验.试验表明,火山岩弹丸在后板的损伤中,主要体现在其能量的集中性上,后板的损伤随着弹丸速度增加而增加,前板的碎片也是后板损伤的重要因素,其形成的坑比火山岩碎片云的大和深.     

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。     

弹丸高速撞击压力容器损伤实验研究

微流星体及空间碎片的高速撞击威胁着航天器的安全运行。而压力容器是航天器上受微流星体及空间碎片撞击威胁最大的关键部件之一。对压力容器的高速撞击能导致其发生破裂而过早终止航天器的使命。本文的目的是通过实验研究,确定高速撞击条件下压力容器发生具有撕裂的简单穿孔和裂纹失稳破裂的界限。实验样件选择6063铝合金管焊接制成。高速撞击实验采用铝柱状弹丸和球形弹丸在3km/s左右的速度下正撞击铝压力容器,铝压力容器的压力从0～30Bar变化来探索获得不同损伤形式的压力条件。给出了铝压力容器前、后壁从穿孔到裂纹失稳破裂的实验结果。未防护充水铝压力容器的主要损伤是其前壁的裂纹失稳破裂。而防护充水铝压力容器在前璧未穿孔时未发生破裂。未防护充气压力容器在给定的实验条件下前璧未发生破裂而后璧发生破裂。防护充气压力容器在小防护间距时前璧发生破裂。     

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。     

活性Whipple结构超高速撞击防护性能实验研究

以二级轻气炮作为加载手段,针对以PTFE/Al活性材料为防护屏的Whipple防护结构,开展不同弹丸尺寸、不同碰撞速度的超高速撞击实验。利用激光阴影照相设备,获得并分析了碎片云特性;通过回收的防护结构靶板,研究了活性材料防护结构超高速撞击条件下的后板损伤特性;通过与经典Christiansen撞击极限方程对比,获得活性材料Whipple结构防护性能,并拟合得到新型防护结构的撞击极限曲线。结果表明,相较于同面密度铝合金材料,活性材料超高速撞击条件下的冲击起爆反应使得碎片云中具有侵彻能力的碎片大幅减少,从而显著提升航天器的防护能力,撞击速度为2.31 km/s时最大可提升45%。     

第一门槛值区间单防护屏防护正撞击实验研究

微流星及空间碎片的高速撞击威胁着航天器的安全运行,导致其严重的损伤和灾难性的失效。本文级出和分析了柱状弹丸在第一门槛值速度区间正撞击铝合金单防护屏防护结构实验研究的结果。结果表明：单防护屏防护结构在此速度区间受柱状弹丸正撞击其损伤是比较严重的,并得到了柱状弹丸撞击防护结构损伤的特点和规律。     

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。     

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。     

SIMILARITY LAWS OF HYPERVELOCITY PENETRATION EFFECTS OF CONCRETE1)

为了研究混凝土超高速侵彻效应的相似规律,总结相似关系基本理论并开展1.4~3.9 km/s 的混凝土侵彻实验,综合本文实验和相关文献实验结果确定关键相似准数并得到归一化侵彻深度的变化规律。结果表明,归一化侵彻深度主要取决于Johnson 数、弹靶密度比和弹体长径比,弹靶强度比和弹头形状系数等因素影响不大;归一化侵彻深度随归一化撞击速度增加而先增后减;当撞击速度接近混凝土纵波声速时,存在以侵彻深度突降为主要现象的“跨声速效应”。     

串联随进战斗部垂直侵彻装甲钢板实验研究

设计了一种串联随进战斗部,作用时前级聚能装药形成聚能杆式侵彻体对靶板进行侵彻开孔,随后后级随进子弹依靠动能嵌入到开孔的靶板中,实现对目标的毁伤与封锁。在着靶速度为220～330m/s范围内,开展了对该串联战斗部垂直作用于不同厚度装甲钢板的侵彻实验研究。实验结果表明,在230～300m/s范围内,此种结构的串联随进战斗部可以有效作用,随进子弹的嵌入深度总体上随着撞击速度的提高而增大,随进子弹保持完整且嵌入牢固,能够有效实现对目标的毁伤与封锁。     

陶瓷/液舱复合结构抗侵彻数值分析

为研究陶瓷/液舱复合结构抗侵彻机理,在前期弹道冲击实验结果基础上,运用LS-DYNA进行了数值模拟,再现了陶瓷/液舱复合结构在弹体冲击下的破坏过程和破坏模式,得到与实验一致的结果。结果表明:弹体撞击结构后,结构内产生的冲击波以撞击处为圆心、以球形向前传播,并在结构内来回反射振荡;弹体在水中运动时,水中形成空泡且不断扩展,弹体头部水域形成高压区域;弹体发生墩粗和侵蚀破坏,在低速冲击下,弹体破坏主要发生在穿透陶瓷和前面板过程中,在高速冲击下,弹体破坏主要发生在水中运动阶段,最终形成类似“饼状”的严重变形;前、后面板发生局部破坏和整体变形,在高速弹体撞击下,后面板将发生花瓣开裂。     

冰弹丸高速发射方法研究

冰弹丸的高速发射技术是认识冰弹丸高速撞击靶板损伤效应的瓶颈技术。利用二级轻气炮作为发射装置,采用液氮杜瓦制冷系统实现温度控制,选择铝质膜片对气压进行控制,利用高速摄像机对冰弹丸的完整性进行观测,并利用丝网测速仪对弹丸速度进行测量,实现了对冰弹丸的高速发射。通过实验验证了该方法的可行性,得到了完整冰弹丸在1516m/s下撞击铝合金靶板的实验结果。     

Penetration force measurement of thin plates by laser doppler anemometry

An experimental method is developed by applying laser-Doppler anemometry (LDA) to measure the velocity history of a projectile impact on a target. The force history was obtained by assuming the projectile to be rigid and by differentiating a polynomial which best fitted the obtained velocity data. This method was then applied to the impact of a hemispherically tipped striker on 1-mm thick aluminum plates. The initial velocity of the projectile ranged from several m/s to 93.5 m/s. When these velocities were low enough not to produce cracks on the plate, double-force peaks were observed in each test, and the value corresponding to the higher peak was proportional to the initial velocity of the projectile. Further, this peak force occurred when the projectile just started to rebound, and spring-back behavior of the plate always occurred. Once the cracks on the target started to form, the peak impact force dropped, and the double-peak phenomenon disappeared. It was also found that the peak force was at approximately the same level for impact speeds above the ballistic limit of the plate. On the other hand, a power law was found to perfectly fit the relationship between the absorbed kinetic energy and the initial velocity of the projectile when it was lower than the ballistic limit.     

INVESTIGATION OF PLASMA DAMAGE PROPERTIES GENERATED BY HYPERVELOCITY IMPACT

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.     

超高速碰撞产生等离子体的毁伤特性研究

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.      

Atomistic damage mechanisms during hypervelocity projectile impact on AlN: A large-scale parallel molecular dynamics simulation study

Atomistic mechanisms of damage initiation during hypervelocity (15 km/s) impact on an AlN coating is investigated using parallel molecular-dynamics simulations involving 209 million atoms. On impact a strong shock wave is generated, which then splits into an elastic precursor and a structural phase transformation (SPT) waves, the latter driving a wurtzite to rocksalt structural transition. During its development, the SPT wave induces plastic processes in the intact wurtzite material, which in turn facilitate the nucleation and growth of brittle cracks. Specifically, the interface between the transformed (rocksalt) and untransformed (wurtzite) regions acts as a source of nanocavities and kink bands. They further interact with stress release waves reflected from the back surface and create cracks in mode I, from the nanocavities, and in mode II, from the kink band superdislocation boundary. Stresses are evaluated using a stoichiometric-preserving formula for virial local averages on inhomogeneous binary systems. Defects are analyzed using shortest-path ring statistics.