双层板防护屏结构撞击极限研究

摘要

多层防护结构是提高航天器抵御空间碎片超高速撞击威胁能力的重要措施,撞击极限方程是防护结构防护能力的表征。本文以双层板防护屏结构为研究对象,借助理论分析、数值仿真和超高速撞击实验相结合的手段,针对撞击极限表征的建模方法进行了研究。
　　将双层板防护屏结构视作由单层板防护屏和Whipple防护结构组成,基于Whipple防护结构撞击极限研究成果,根据弹丸穿过前两层防护屏的损伤特性,将撞击损伤分为弹道段、二次弹道段、二次破碎段、二次液化段以及液化/汽化段等5个阶段分别进行研究。
　　对于弹道阶段,考虑第一层防护屏在弹丸撞击下形成单个剪切孔,弹丸保持完整性且弹丸质量不发生变化。首先,基于动量、能量守恒定律,建立了弹丸穿过第一层防护屏后弹丸剩余速度的预测公式,并利用仿真手段验证了公式的有效性;其次,参考Whipple防护结构弹道段撞击极限方程,建立了含有待定参数的极限方程;最后,通过超高速撞击实验,得到了双层板防护屏结构弹道段撞击极限曲线。
　　对于二次弹道阶段,弹丸穿过第一层防护屏后形成了含有固体颗粒的碎片云,碎片云中主要由最大质量的碎片和其余的碎片组成。本文只考虑了最大质量碎片对Whipple防护结构的损伤破坏作用。首先,掌握了最大碎片速度与弹丸初速度之间的关系;其次,参考Whipple防护结构弹道段的撞击极限方程,建立了含有待定参数的撞击极限方程;最后,通过超高速撞击实验,得到了双层板防护屏结构二次弹道段工况下撞击极限曲线。
　　对于二次破碎阶段,首先,基于碎片云运动特性,参考碎片云内部轮廓的速度与弹丸初速度的经验公式,参考Whipple防护结构破碎段撞击极限方程,建立了含有待定参数的撞击极限方程;其次,通过超高速撞击实验,得到了给定结构参数的撞击极限曲线。
　　对于二次液化阶段,碎片云团可以分为前端、中端和后端三个部分,其中,最前端的碎片云团质量和速度最大。首先,本文将碎片云团前端部分视为整体,考虑其速度对Whipple防护结构的撞击特性,忽略了中端和后端碎片云团对Whipple防护结构的影响;其次,根据前端碎片云团的速度经验公式,参考Whipple防护结构液化/汽化段的撞击极限方程,得到了二次液化阶段的撞击极限方程。
　　对于液化/汽化阶段,首先,弹丸撞击前两层防护屏后形成液化或汽化的碎片云团;其次,假设后板所受载荷为均布载荷,基于板的弯曲理论,采用里茨法得到了后板受均布载荷作用下位移的近似解;最后,通过对后板的动力学分析,建立了双层板防护屏结构液化/汽化段的撞击极限方程。
　　通过超高速撞击实验,探讨了Whipple防护结构和双层板防护屏结构的速度分段问题。对Whipple防护结构和双层板防护屏结构的防护能力进行了对比,在相同面密条件下,得到了双层板防护能力整体上比Whipple防护结构防护能力好的结论。
　　综上所述,本文主要研究了双层板防护屏结构撞击极限方程,并对比分析了Whipple防护结构和双层板防护屏结构的防护能力差异。所取得的研究成果可以为今后建立多层板防护屏结构撞击极限方程起到指导作用,对航天器防护性能提升起到促进作用。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 课题目的和意义

1.3 空间碎片防护研究进展

1.4 主要研究内容

第2章 双层板防护屏结构撞击极限方程研究方案

2.1 引言

2.2 建立撞击极限方程的基本思想

2.3 不同撞击速度下实验现象的分类

2.4 建立撞击极限方程的研究方案

2.5 两种防护结构撞击特性研究

2.6 本章小结

第3章 双层板防护屏结构弹道段撞击极限方程

3.1 引言

3.2 弹道阶段撞击极限方程的建立

3.3 待定参数的求解

3.4 本章小结

第4章 双层板防护屏结构破碎段撞击极限方程

4.1 引言

4.2 破碎段撞击极限方程的建立

4.3 待定参数的求解

4.4 本章小结

第5章 双层板防护屏结构液化/汽化段撞击极限方程

5.1 引言

5.2 板的弯曲理论

5.3 液化/汽化段撞击极限方程的建立

5.4 本章小结

第6章 两种防护结构的撞击极限特性分析

6.1 引言

6.2 速度分段问题的划分

6.3 两种给定结构撞击极限速度

6.4 本章小结

结论

参考文献

声明

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