铝球弹丸超高速斜撞击薄铝板特性研究

 利用2017铝合金球形弹丸超高速斜撞击2A12铝合金薄板,模拟空间碎片对航天器防护屏的超高速撞击作用。分析了铝合金薄板超高速斜撞击穿孔特性与弹丸滑弹返溅特性,建立了铝合金球形弹丸超高速斜撞击铝合金薄板的穿孔经验公式。弹丸撞击速度分别为2.58、3.56和4.31 km/s,撞击角度为10°~80°。实验结果表明：铝合金薄板超高速斜撞击椭圆穿孔尺寸与撞击速度和撞击角度有关,直径为3.97 mm的铝合金球形弹丸超高速斜撞击厚度为1 mm的铝合金薄板时,发生滑弹返溅的临界撞击角在30°~40°之间。最大滑弹返溅角随着撞击角的增大而逐渐减小,此时滑弹返溅碎片云的影响范围缩小,但破坏能力增强。弹丸撞击速度对铝合金薄板超高速斜撞击穿孔的椭圆度影响较小。     

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。     

碎片云动量特性数值仿真研究

 铝合金球形弹丸高速撞击薄铝板时,会造成薄铝板穿孔并自身发生破碎,在铝板前后两侧产生碎片云,分别为反溅碎片云和穿透碎片云。反溅碎片云及穿透碎片云具有各自的动量特性,对其动量特性的研究有助于为碎片云理论建模提供依据。采用AUTODYN V6.0软件对直径为6.35 mm的Al 1100-O球形弹丸高速正撞击6种厚度的Al 6061-T6薄板进行了数值仿真计算,撞击速度为1.0～5.0 km/s。得到上述两种碎片云的动量,确定了动量值随撞击速度v及薄板厚度δ的变化规律。同时,利用仿真得到的动量数据,采用多元回归方法,分别建立了两种碎片云动量模型。最后,对美国国家航空航天局（NASA）报告给出的7种工况下的撞击实验进行了数值仿真计算,并将动量值与实验结果进行了比较,得到的比较结果可用以分析数值仿真的有效性。     

基于特征长度的非球形弹丸超高速撞击碎片云特性研究

 根据ORDEM2000模型和卫星标准解体模型（SBM）,确定空间中真实空间碎片的典型形状和撞击姿态。利用AUTODYN仿真软件,基于碎片特征长度,对立方体、方形薄片超高速撞击产生的碎片云进行三维数值模拟,从形状、质量分布、速度分布与能量分布深入分析碎片云特性,并与通用的球形标准弹丸进行比对。结果表明：弹丸形状及撞击姿态对碎片云特性有显著影响,立方体和方形薄片弹丸角撞击时产生的毁伤能力最大,而球形弹丸最小。因此,基于标准球形弹丸获得的弹道极限方程低估了航天器遭受空间碎片撞击损伤的风险,而基于真实碎片特征长度的弹丸形状效应研究将对现行的球形弹丸弹道极限方程（或曲线）做出更合理的修正。     

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。     

铝球弹丸高速正撞击薄铝板穿孔研究

 低地球轨道上的航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击，导致其严重的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一个重要问题。通过铝球弹丸超高速正撞击薄铝板的实验研究和数值模拟，证明了AUTODYN-2D软件数值模拟预测薄铝板超高速撞击穿孔直径的有效性。通过对弹丸直径、弹丸撞击速度和薄铝板厚度影响薄铝板超高速撞击穿孔直径的数值模拟，以及利用实验结果和数值模拟结果拟合的曲线，得到了铝球弹丸超高速撞击薄铝板的穿孔规律以及影响薄铝板超高速撞击穿孔直径的主要因素。     

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。     

内爆驱动式超高速发射技术的初步研究

为获得10 km/s左右的超高速发射能力,以内爆发射器为研究对象,利用AUTODYN 2D软件对口径为8 mm的内爆发射器进行有限元仿真分析,获得了典型状态下的弹丸发射速度。研制了口径为8 mm的内爆发射器,并在压缩管中填充5 MPa氦气进行实验,分别获得了0.55 g铝合金弹丸7.95 km/s和0.37 g镁合金弹丸10.28 km/s的发射速度,与有限元仿真计算结果的速度偏差分别为15.3%和3.7%。结果表明,设计的内爆发射器具备10 km/s发射能力,满足空间碎片撞击和防护研究的超高速发射需求。     

碎片云超高速撞击声发射信号特征分析

为了掌握带防护屏的航天器结构受空间碎片超高速撞击时的声发射信号特征,利用二级轻气炮发射球形弹丸撞击铝合金双层板结构,获取了碎片云撞击铝合金板舱壁产生的声发射信号,并利用小波包技术和能量熵理论对信号进行了分析。实验结果表明:弹丸初始速度、防护屏厚度及弹丸直径是决定二次碎片云形态及声发射信号特征的重要因素;在本实验工况范围内,小波包能量熵值能够描述声发射信号频率的复杂程度;当弹丸初始速度处于破碎段(3~7km/s)时,随着初始速度的增大,二次碎片云进一步细化,撞击产生的声发射信号幅值趋于减小、频率成分趋于复杂化,其小波包能量熵值逐渐增大;防护屏厚度对声发射信号的小波包能量熵值影响较大,弹丸直径对其影响较小。研究结果有助于实现对碎片云撞击舱壁结构的损伤模式识别。     

锥形弹丸超高速撞击防护屏的碎片云特性参数研究

空间碎片在撞击航天器防护结构时会产生碎片云,而碎片云又将对航天器造成二次损伤,因此很有必要针对不同形状的空间碎片超高速撞击产生的二次碎片云特性进行研究。选取航空材料Al 2017-T4、Al 2A12作为弹丸和防护屏材料,采用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D结合光滑质点流体动力学方法,对不同长径比的锥形弹丸分别以锥底和锥尖超高速正撞击单层防护屏薄板所产生的碎片云特性进行数值模拟,得到了碎片云的前端轴向速度、径向直径、轴向长度及穿孔直径等特性参数随弹丸撞击部位及长径比变化的规律。     

超高速碰撞天然白云石板产生闪光的实验研究

推导了碰撞产生闪光的射流起爆模型,并利用建立的光纤瞬态高温计测量系统和二级轻气炮加载系统,进行了碰撞速度相近、弹丸入射角度分别为45°和60°(与靶板平面的夹角)时球状铝丸超高速碰撞天然白云石板产生闪光现象的实验测试。实验结果表明:当弹丸为LY12铝、靶板为20mm厚的天然白云石板,碰撞速度分别为1.86km/s和1.96km/s时,弹丸入射角度为45°时的闪光强度峰值大于弹丸入射角度为60°时的闪光强度峰值。     

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。     

超高速碰撞喷出物气化与等离子体形成的物理机制

 为了了解超高速碰撞产生等离子体的物理机制,采用理论方法对超高速碰撞LY12铝靶各物理过程的能量分配进行了分析,涉及到熔化相变、气化相变及等离子体形成过程的能量消耗。揭示了碰撞喷出物形成过程中各物理阶段对气化、等离子体形成的影响因素,包括碰撞的附加热机制、材料碰撞后等离子体羽的形成及等离子体羽膨胀的物理机制,并给出了模型描述。     

The scaling and dynamics of a projectile obliquely impacting a granular medium

In this paper, the dynamics of a spherical projectile obliquely impacting into a two-dimensional granular bed is numerically investigated using the discrete element method. The influences of projectile’s initial velocities and impacting angles are mainly considered. Numerical results show that the relationship between the final penetration depth and the initial impact velocity is very similar to that in the vertical-impact case. However, the dependence of the stopping time on the impact velocity of the projectile exhibits critical characteristics at different impact angles: the stopping time approximately increases linearly with the impact velocity for small impact angles but decreases in an exponential form for larger impact angles, which demonstrates the existence of two different regimes at low and high impact angles. When the impact angle is regarded as a parametric variable, a phenomenological force model at large impact angles is eventually proposed based on the simulation results, which can accurately describe the nature of the resistance force exerted on the projectile by the granular medium at different impact angels during the whole oblique-impact process. The degenerate model agrees well with the existing experimental results in the vertical-impact cases.