航天器空间碎片防护结构超高速撞击特性研究

工学博士学位论文航天器空间碎片防护结构超高速撞击特性研究管公顺哈尔滨工业大学2006年12月国内图书分类号：O347V423.41国际图书分类号：629.78工学博士学位论文航天器空间碎片防护结构超高速撞击特性研究博士研究生：管公顺导师：庞宝君教授副导师：张伟教授申请学位：工学博士学科、专业：固体力学所在单位：复合材料与结构研究所答辩日期：2006年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O347V423.41U.D.C.:629.78DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringHYPERVELOCITYIMPACTCHARACTERISTICINVESTIGATIONOFSPACECRAFTSPACEDEBRISSHIELDCONFIGURATIONGuanGongshunProf.PangBaojunProf.ZhangWeiDoctorofEngineeringSolidmechanicsDeptofMechanicalEngineeringDecember,2006HarbinInstituteofTechnologyCandidate:Supervisor:AssociateSupervisor:AcademicDegreeAppliedfor:Specialty:Affiliation:DateofDefence:Degree-Conferring-Institution:摘要摘要随着航天事业的发展，空间碎片环境日益恶化，严重地威胁着在轨航天器的安全运行。空间碎片危害航天器的最主要特征是超高速撞击现象，对于毫米级空间碎片，采用设置防护屏的防护结构方案被证明是现实有效的措施。航天器空间碎片防护结构的超高速撞击特性是航天器空间碎片风险评估和防护结构设计的重要基础数据。本文利用二级轻气炮发射技术实现了球形弹丸的超高速发射，针对国产铝合金材料的典型空间碎片防护结构进行了系统的超高速撞击实验研究和损伤规律分析，实验数据和研究结果可为航天器防护结构的工程设计提供参考依据。薄板和中厚板的超高速撞击特性是空间碎片防护结构设计的重要基础。通过实验研究了5A06铝合金中厚板的撞击成坑特性和2A12铝合金薄板的撞击穿孔特性，获得了给定结构铝合金单层板的撞击极限曲线，并建立了预测撞击特性的经验公式。研究结果表明：撞击弹丸的液化是导致其在部分撞击速度区间内侵彻能力下降的主要原因；在一定的厚度范围内，铝合金靶板厚度对其超高速正撞击穿孔特性的影响与弹丸直径和撞击速度同样具有显著性；铝合金球形弹丸超高速斜撞击铝合金薄板时，存在使撞击弹丸发生滑弹返溅的临界撞击角；与国外薄板超高速撞击穿孔经验公式相比，新建立的经验公式更适合于国产铝合金材料。双层板结构是最典型的航天器空间碎片防护结构。通过实验研究了铝合金双层板结构在正撞击和斜撞击条件下的后板撞击坑分布特性，获得了给定结构铝合金双层板的撞击极限曲线，并建立了预测后板撞击坑分布特性的经验公式。研究结果表明：弹丸直径、撞击速度、撞击角度、前板厚度以及前后板间距是决定双层板后板撞击坑特性的主要因素，但撞击速度对前板后主碎片云膨胀角无显著影响；弹丸的撞击破碎临界速度将会影响铝合金双层板结构正撞击的后板撞击坑分布和斜撞击的后板损伤与撞击角的变化关系；建立的后板撞击坑分布经验公式为超高速撞击二次碎片云特性的定量化分析提供了参考。多层板结构与双层板结构相比具有更加优良的抗空间碎片超高速撞击的能力。通过实验研究了提高铝合金多层板防护结构防护性能的方法和机理，讨论了防护板层数和各层防护板厚度对提高防护性能的作用。研究结果-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文表明：在防护屏面密度不变的情况下，增加防护板层数可以显著提高其防护能力，同时前板强度和前后板间距在提高多层板结构防护能力中起着非常重要的作用。压力容器是航天器上的重要部件，被空间碎片撞击可能会导致航天器严重失效。通过实验研究了充气压力容器在无防护和具有单防护屏防护情况下，受到球形弹丸超高速撞击后的损伤行为及机理。研究结果表明：撞击动能与容器内部充气压力是影响压力容器超高速撞击损伤模式的重要因素；容器内部的高压气体一方面可能造成容器的爆炸，另一方面还会减轻碎片对容器后侧的撞击损伤；在防护屏被击穿的情况下，防护压力容器可能会发生更严重的损坏。本文以航天器空间碎片常用防护材料国产铝合金为对象，通过超高速撞击地面模拟实验，系统地研究了单层板、双层板、多层板等结构和压力容器类部件受到空间碎片超高速撞击的损伤特性及其机理。在总结实验结果的基础上，分析了铝合金中厚板撞击成坑、铝合金薄板撞击穿孔以及铝合金双层板后板撞击坑分布等规律，并建立了针对国产铝合金材料的相关撞击损伤特征量的预测经验公式，所取得的实验数据和成果对我国开展航天器空间碎片防护结构设计研究、提高我国航天器在轨安全运行能力具有重要参考价值和工程应用指导意义。关键词空间碎片；超高速撞击；航天器；防护结构；撞击特性-II-AbstractAbstractWiththeunceasingdevelopmentofspaceactivity,thetotalnumberofspacedebrisiseverincreasing,whichgreatlythreatensanorbitingspacevehicle.Theprominencecharacteristicofspacedebrisimpactingspacecraftishypervelocityimpactphenomena.Forthemillimetersizespacedebris,theWhippleshieldisaneffectiveshieldconfiguration.Thehypervelocityimpactcharacteristicofspacecraftbyspacedebrisistheimportantbasicofshieldstructuredesignandriskevaluationofspacecraftinspacedebrisenvironment.Inthisdissertation,inordertosystematicallystudythehypervelocityimpactdamageoftypicalspacecraftspacedebrisshieldconfigurationmadeofaluminumalloy,atwo-stagelightgasgunwasusedtolaunchsphereprojectile.Theexperimentdataandinvestigationresultscanprovidecriterionsandreferencesforengineeringdesignofspacecraftshieldconfiguration.Thehypervelocityimpactcharacteristicsofthinplateandmediumthicknessplatearetheimportantbasicfordesignofspacedebrisshieldstructure.Byinvestigatingtheimpactcratercharacteristicof5A06aluminumalloymediumthicknessplateandimpactperforationcharacteristicof2A12aluminumalloythinplate,ballisticlimitcurveofaluminumalloysinglewallandtheequationsforforecastingimpactcharacteristicwereobtained.Theresultsindicatedthatprojectileliquefiedcausethedeclineofpenetrateabilityinsomeimpactvelocityrange.Thethicknessoftargetplatehasprominenceeffectonperforationsizeasprojectilediameterandimpactvelocity.Whenhypervelocityprojectilesobliqueimpactonthintargets,thereexistsacriticalincidentangle,andintheconditionofimpactangleofprojectilesmallerthanthecriticalincidentangle,projectilesleapawayfromthetargetspartiallyorentirely.Comparingtheoverseasequations,thenewequationscanapplytodomesticaluminumalloy.Dual-wallconfigurationistypicalspacecraftspacedebrisshieldstructure.Byhypervelocityimpactexperiment,thecraterdistributinginrearwallwhennormalimpactandobliqueimpactwereinvestigated.Ballisticlimitcurveofaluminumalloydual-wallconfigurationandtheequationsforforecastingcrater-III-哈尔滨工业大学工学博士学位论文distributingwereobtained.Theresultsindicatedthatprojectilediameter,impactvelocity,impactangle,bumperthicknessandspacebetweenbumperandrearwallaremajorfactoraffectingimpactcharacteristicofrearwall,butimpactvelocityhasnoeffectonexpanseangleofmajordebriscloudcenter.Thecriticalimpactvelocityofprojectilebreakwillaffecttherelationshipbetweenimpactangleanddamageinrearwallforobliqueimpact.Thenewequationscanprovidereferencesforquantifyanalysesofdebriscloud.Comparingdual-wallconfiguration,multi-wallconfigurationhasgoodshieldperformance.Byhypervelocityimpactexperiment,theadvancedmethodofmulti-wallconfigurationresistingspacedebrishypervelocityimpactdamagewasinvestigated,andtheeffectofamountandthicknessofwallonshieldperformancewasdiscussed.Theresultsindicatedthattheperformanceofmulti-wallwithmoreamountofwallisexcellentwhenareadensityisconstant.Atthesametime,intensityoffirstwallandspaceplaytheimportantroles.Pressurevesselimpactedbyspacedebriscanlead