空间碎片高速撞击热防护结构的模拟装置及模拟方法

摘要

本发明涉及一种空间碎片高速撞击热防护结构的模拟装置，包括旋转底座、高温加热面板和试验件辅助托架，高温加热面板包括固定面板、撞击窗口、两个加热电极、两个电极夹持部和两个电极冷却部；试验件辅助托架包括支撑架、推杆和托架挡板；支撑架设置在固定面板后方，托架挡板设置在支撑架上，推杆穿设在支撑架上并与托架挡板连接，能够带动托架挡板移动，托架挡板用于将待测试验件中的第二防护层紧贴在第一防护层的后方；支撑架和托架挡板上设有开口，开口与撞击窗口形成供碎片飞行的通路。本发明还提供一种空间碎片高速撞击热防护结构的模拟方法。本发明能够实现地面模拟碎片以不同角度高速撞击高温环境下复杂热防护结构的动态行为。

说明书

技术领域

本发明涉及模拟试验技术领域，尤其涉及一种空间碎片高速撞击热防护结构的模拟装置及模拟方法。

背景技术

极端条件下，如返回舱再入过程，通常需要设置热防护系统。热防护系统如“铠甲”覆盖在航天器外部，保护内部结构免受外部气动热载荷作用和潜在的碎片撞击的损伤，对于保护内部设备完好起到决定性作用。而在地表的常温条件下，难以对热防护结构的各项性能进行测试，因此需要特殊的模拟试验平台。

目前，针对空间碎片高速高温条件下撞击热防护结构的模拟试验平台通常只能针对单一的板状材料进行测试，无法适应于复杂的热防护结构。而实际上，热防护结构往往不是仅由单一的板状材料构成，而是由防热材料、隔热材料以及支撑结构等共同组成，针对单一的板状材料进行测试，其结果并不准确，当碎片穿透前置的防热材料层后，不可避免对后置的隔热材料层、支撑结构等造成毁伤，由于碎片穿透防热材料层后呈碎片云形貌，后置材料的毁伤效果与单一材料在空间碎片作用下的毁伤效果存在不同。

此外，在高速撞击试验方面，相较于气枪等，二级轻气炮具有弹丸速度高的优势，但通常轻气炮靶舱空间有限，在较小的空间范围内实现高温环境下针对热防护结构的空间碎片高速撞击模拟成为工程师面临的一个技术难点，若需要在该靶舱空间内同时获取模拟空间碎片撞击热防护结构后的碎片云形貌以及速度等重要试验数据，则使得该问题更加棘手。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够模拟空间碎片在高温环境下，高速撞击热防护结构的模拟装置及模拟方法，在较小的空间内实现碎片以不同角度高速撞击复杂的热防护结构的动态行为模拟。

为了实现上述目的，本发明提供了一种空间碎片高速撞击热防护结构的模拟装置，包括：

旋转底座；

高温加热面板，所述高温加热面板包括固定面板、撞击窗口、两个加热电极、两个电极夹持部和两个电极冷却部，所述固定面板可转动的设置在所述旋转底座上，所述撞击窗口设置在所述固定面板的中部，两个所述加热电极固定在所述固定面板上，分别设置在所述撞击窗口的两侧，两个所述电极冷却部分别设置在两个所述加热电极外侧，对所述加热电极进行降温保护；两个所述电极夹持部用于将待测试验件中的第一防护层固定在两个所述加热电极之间；

试验件辅助托架，所述试验件辅助托架包括支撑架、推杆和托架挡板；所述支撑架固定在所述旋转底座上，设置在所述固定面板后方，所述托架挡板设置在所述支撑架上，所述推杆穿设在所述支撑架上并与所述托架挡板连接，能够带动所述托架挡板移动，所述托架挡板用于将待测试验件中的第二防护层紧贴在所述第一防护层的后方；所述支撑架和所述托架挡板上设有开口，所述开口与所述撞击窗口形成供碎片飞行的通路。

优选地，所述支撑架通过支撑杆固定在托架底座上，所述托架底座通过托架垫块夹持固定在所述旋转底座上。

优选地，还包括观察装置，所述观察装置包括固定框和观察板，所述观察板位于所述供碎片飞行的通路上，其法线与碎片飞行方向平行，所述观察板固定在所述固定框上，并通过所述固定框间隔设置在所述试验件辅助托架的后方。

优选地，还包括双比色高温计、数据采集仪和若干个热电偶；所述双比色高温计设置在所述高温加热面板的侧前方，透过所述撞击窗口监测所述第一防护层表面温度响应；若干个所述热电偶均一端埋设在所述第二防护层内部，另一端与所述数据采集仪连接，所述数据采集仪实时监测所述第二防护层内部的温度场分布。

优选地，还包括第一高速照相机和第二高速照相机，所述第一高速照相机设置在所述高温加热面板侧前方，所述第二高速照相机设置在所述高温加热面板侧后方。

优选地，所述电极冷却部为中空结构，上端设有出水口，下端设有进水口，通过循环水冷却的方式对所述加热电极进行降温保护。

优选地，所述第一防护层与所述固定面板之间还设有隔热保护层。

优选地，所述隔热保护层设置在所述撞击窗口的上、下两侧。

本发明还提供了一种空间碎片高速撞击热防护结构的模拟方法，采用如上述任一项所述模拟装置，包括如下步骤：

S1、在轻气炮的靶舱内搭建所述模拟装置；

S2、调整所述高温加热面板的角度，将所述高温加热面板固定在所述旋转底座上，将待测试验件中的第一防护层的两端分别夹持在两个所述加热电极上；

S3、调整所述试验件辅助托架与所述旋转底座的位置关系，将待测试验件中的第二防护层放置在所述试验件辅助托架上，调整所述推杆推动所述托架挡板，将所述第二防护层夹紧在所述第一防护层后方，保持与所述第一防护层的良好接触；

S4、启动所述电极冷却部对所述加热电极进行降温保护，为所述加热电极通电，加热所述待测试验件；

S5、通过所述轻气炮发射弹丸，在设定的速度下和角度下对所述待测试验件进行撞击并记录结果。

优选地，还包括：

在试验过程中，通过双比色高温计实时监测所述第一防护层的表面温度，通过所述第二防护层内置热电偶实时监测所述第二防护层内部温度场分布，以及通过改变流经所述加热电极的电流强度，调整所述待测试验件的温度场分布；

并在发射所述弹丸之后，通过设置在所述高温加热面板侧前方的第一高速照相机和侧后方的第二高速照相机分别获得弹丸撞击待测试验件前、后的图像以及平行于弹丸飞行轨迹方向的碎片云形貌，以及通过设置在所述试验件辅助托架后方的观察装置获得垂直于弹丸飞行轨迹方向的碎片云形貌。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种高温环境下空间碎片高速撞击热防护结构的模拟装置及模拟方法，可用于实现地面模拟空间碎片以不同角度高速撞击高温环境下复杂的热防护结构的动态行为。本发明所提供的模拟装置结构紧凑、占用空间小、使用方便、制作成本低，且能够适用于多层的、复杂的热防护结构。本发明所提供的模拟方法操作简单易行，能够适用于多层的、复杂的热防护结构，可以实现特殊的热防护结构抵抗空间碎片撞击能力的地面模拟及评估。

并且，本发明的模拟装置还可以包括双比色高温计、数据采集仪、热电偶以及高速照相机等，该模拟装置能够实现在较小的空间内获取模拟空间碎片撞击热防护结构后的碎片云形貌以及速度等多项重要试验数据。

附图说明

图1是本发明实施例一中的模拟装置示意图；

图2是本发明实施例一中的高温加热面板、旋转底座和试验件辅助托架结构示意图；

图3是本发明实施例一中的旋转底座结构示意图；

图4是本发明实施例一中的高温加热面板结构示意图；

图5是本发明实施例一中的试验件辅助托架结构示意图；

图6是本发明实施例一中的观察装置结构示意图。

图中：101：弹丸；102：弹丸飞行轨迹；104：观察装置；105：第二高速照相机；106：数据采集仪；107：热电偶；108：待测试验件；109：第一高速照相机；110：双比色高温计；

201：旋转底座；202：高温加热面板；203：试验件辅助托架；

301：安装靶舱螺孔，302：支撑结构；303：安装面板螺孔；304：转轴槽；305：安装托架螺孔；306：底座面板；

401：进水口；402：出水口；403：连接螺栓；404：电极冷却部；405：电极夹持部；406：夹持螺栓；407：隔热保护层；408：固定面板；409：固定面板框；410：固定螺孔；411：转轴连接头；

501：支撑架；502：支撑杆；503：托架挡板；504：推杆孔：505：推杆；506：托架底座；508：托架卡块；509：托架垫块；510：卡块螺栓；

601：观察板；602：观察板螺栓；603：固定框；604：固定框螺孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的一种空间碎片高速撞击热防护结构的模拟装置，用于测试高温环境下的热防护结构待测试验件，本实施例中的待测试验件模拟实际中的热防护结构制成，包括第一防护层和第二防护层，其中，第一防护层由防热材料制成，相对较薄，第二防护层由隔热材料制成，相对较厚，并可视需求在隔热材料后方进一步增加其它材料，本发明中的后方是指的远离碎片发射端的一方。由于隔热材料通常并不导电，且实际使用中的厚度较大，因此需要考虑如何方便快捷的将隔热材料固定在防热材料后方，且保证热传递效果。

如图2所示，本实施提供的模拟装置包括旋转底座201、高温加热面板202以及试验件辅助托架203，高温加热面板202和试验件辅助托架203固定在旋转底座201上，试验件辅助托架203设置在高温加热面板202的后方。

高温加热面板202包括固定面板408、撞击窗口、两个加热电极、两个电极夹持部405和两个电极冷却部404，固定面板408可转动的设置在旋转底座201上，撞击窗口设置在固定面板408的中部，两个加热电极固定在固定面板408上，分别设置在撞击窗口的两侧，两个电极冷却部404分别设置在两个加热电极外侧，对加热电极进行降温保护；两个电极夹持部405用于分别将待测试验件108中的第一防护层的两端固定在两个加热电极上，即待测试验件108中的第一防护层通过两个电极夹持部405固定在两个加热电极之间，通过对加热电极通电，即可实现对第一防护层进行加热。

试验件辅助托架203包括支撑架501、推杆505和托架挡板503；支撑架501固定在旋转底座201上，设置在固定面板408后方，托架挡板503设置在支撑架501上，推杆505穿设在支撑架501上并与托架挡板503连接，能够带动托架挡板503移动，托架挡板503用于将待测试验件108中的第二防护层紧贴在第一防护层的后方，即托架挡板503与第一防护层相互配合，用于夹持固定第二防护层。采用试验件辅助托架203与高温加热面板202相配合的方式固定复杂结构的待测试验件108，操作方便，且不会对待测试验件108自身造成损伤，同时保证了第一防护层与第二防护层之间的热传递关系。支撑架501和托架挡板503上设有开口，开口与撞击窗口形成供碎片飞行的通路，设置开口可以减小甚至消除试验件辅助托架203对撞击后产生的碎片云飞行的阻碍，避免对模拟结果造成干扰。

优选地，支撑架501包括支撑架底板，支撑架底板设置在支撑架501的底部，托架挡板503竖直设置在支撑架底板的上方，沿支撑架底板前后移动。使用时，第二防护层竖直放置在支撑架底板上，支撑架底板可用于支撑第二防护层，防止第二防护层与第一防护层或托架挡板503之间发生相对滑动。

具体到本实施例中，旋转底座201的结构示意图如图3所示。使用时，旋转底座201固定在轻气炮的靶舱内。旋转底座201包括底座面板306和设置在底座面板306底部的支撑结构302。支撑结构302上设有安装靶舱螺孔301，可通过螺钉固定于轻气炮靶舱内。

底座面板306用于支撑图4的高温加热面板202以及图5的试验件辅助托架203。底座面板306上设有转轴槽304，用于插接图4所示的高温加热面板202。优选地，底座面板306上还设有安装面板螺孔303，用于固定高温加热面板202的位置。转轴槽304后方还设有安装托架螺孔305，用于固定图5所示的试验件辅助托架203。通过预留不同方位的安装托架螺孔305，可以配合实现高温加热面板202和试验件辅助托架203的多角度旋转。本实施例中给出了一种具体的旋转底座201结构，当然在其他的实施例中，也可以采用其他形式的底座。

如图4所示，本实施例中的加热电极为铜电极，两个铜电极通过螺栓固定在固定面板408上，并通过连接螺栓403通入电流，电极冷却部404为中空结构，下方设有循环水的进水口401，上方设有循环水的出水口402，开启水冷装置后，通过循环水冷却的方式对铜电极进行降温保护。电极夹持部405为穿设有夹持螺栓406的铜块，通过夹持螺栓406可调节铜块与铜电极之间的距离，将待测试验件108的第一防护层夹持固定在两个铜电极之间，通过两个铜电极即可通电加热待测试验件108。

优选地，如图4所示，第一防护层与固定面板408之间还设有隔热保护层407，隔热保护层407设置在撞击窗口的侧方，起到保护固定面板408的作用，优选地，隔热保护层407设置在撞击窗口的上、下两侧，防止固定面板408受到第一防护层的热辐射而烧蚀。

需要说明的是，此处待测试验件108中的第一防护层应当导电，若第一防护层为非导电材料，则应对第一防护层进行导电处理。

优选地，固定面板408采用绝缘木板，嵌设在固定面板框409内，固定面板框409为金属框架，不与铜电极或导线接触，用于支撑固定面板408，固定面板408通过固定面板框409竖直固定在旋转底座201上。

如图4所示，固定面板框409底部设有转轴连接头411，安装时，转轴连接头411插入图3的旋转底座201上的转轴槽304内，通过转轴连接头411与转轴槽304的配合，实现高温加热面板202的多角度旋转，优选地，固定面板408的旋转角度范围为0～60°，此处的旋转角度指固定面板408法线方向与碎片飞行轨迹之间的夹角。固定面板框409底部还设有固定部，固定部上设有固定螺孔410，通过螺栓将固定螺孔410与图3中的安装面板螺孔303对准后固定，可实现对高温加热面板202的固定。

如图5所示，本实施例中的支撑架501采用三面镂空的支撑板组成，后方的支撑板设有开口，托架挡板503与后方的支撑板平行设置。碎片自撞击窗口撞击待测试验件108后，可能穿透待测试验件108继续飞行，若碎片穿透待测试验件108继续飞行，不会受到支撑架501和托架挡板503的干扰。

优选地，托架挡板503和支撑架501后方的开口不小于撞击窗口的大小，且安装时，托架挡板503和支撑架501后方的开口的中心与撞击窗口的中心位于一条直线上。为保证支撑架501的高度，支撑架501通过四根支撑杆502固定在托架底座506上，支撑架501与支撑杆502的连接方式可采用螺栓连接或者焊接，支撑杆502的数目和高度可根据需要改变。显然，在其他实施例中，支撑架501也可以不通过支撑杆502或托架底座506，直接固定在底座面板306上。

本实施例中共设有四根推杆505，垂直于支撑架501后方的支撑板，分别设置在该支撑板的四个角上。推杆505的前端可以可转动的穿设在托架挡板503上，也可以抵在托架挡板503的后方。具体到本实施例中，托架挡板503上设有通孔，通孔的前、后方均设有定位用螺母，推杆505的前端依次穿入定位用螺母、通孔和定位用螺母，两个定位用螺母限制了推杆505与托架挡板503的相对位置。

推杆505的后端均设有螺纹，支撑架501上的推杆孔504为螺纹孔，推杆505穿入推杆孔504中，与推杆孔504螺纹配合。转动推杆505时，推杆505相对于支撑板移动，带动推杆505前端的托架挡板503沿推杆505的方向前后移动。当然，推杆孔504内也可以不设螺纹，推杆505的后端同样通过两个定位用螺母固定在支撑架501上，转动定位用螺母即可使推杆505相对于支撑板移动。

优选地，如5所示，托架底座506通过托架垫块509和托架卡块508固定在底座面板306上。两个托架垫块509分别设置在托架底座506的两侧并与托架底座506的外边缘保持一定的空隙，两个托架卡块508上均设有卡块螺栓510，卡块螺栓510穿过托架底座506与托架垫块509之间的空隙，与图3中的安装托架螺孔305螺纹配合，将托架底座506夹紧固定在底座面板306上。安装时，将试验件辅助托架203固定于图3中旋转底座201上不同方位的安装托架螺孔305中，根据安装托架螺孔305的位置，可改变试验件辅助托架203的安装位置，进而改变托架挡板503的法线方向与碎片飞行轨迹的倾斜角度。采用该固定方法可以方便地对试验件辅助托架203的位置进行局部小幅度调整，保证试验件辅助托架203与高温加热面板202之间的相对位置不发生变化。

使用时，采用轻气炮发生弹丸101模拟飞行的空间碎片，弹丸101在模拟装置前端射出后，沿弹丸飞行轨迹102飞行，由撞击窗口穿入，先后穿过待测试验件108中的第一防护层和第二防护层，依次穿出托架挡板503上和支撑架501后方的开口，实现模拟空间碎片高速撞击热防护结构的动态行为。

需要说明的是，本实施例中的待测试验件108为第一防护层和第二防护层组成的两层结构，在其他实施例中，该模拟装置也可以用于测试其他多层结构，通过调整托架挡板503的位置即可实现将多层结构紧贴在高温加热面板202的撞击窗口后方。

优选地，如图6所示，本实施例中的模拟装置还包括间隔设置在试验件辅助托架203后方的观察装置104，观察装置104包括固定框603和观察板601，观察板601位于供碎片飞行的通路上，法线与碎片飞行方向平行，用于获得垂直于弹丸飞行轨迹102方向的弹丸101碎片云形貌。优选地，本实施例中观察板601为三层或四层的薄铝板，通过观察板螺栓602依次平行间隔设置在固定框603上。固定框603底部设有固定框螺孔604，通过固定框螺孔604可以将观察装置104也固定在轻气炮靶舱内。

优选地，如图1所示，本实施例提供的模拟装置还包括双比色高温计110、数据采集仪106和若干个热电偶107。双比色高温计110设置在高温加热面板的侧前方，透过撞击窗口实时监测第一防护层表面温度响应。若干个热电偶107均一端埋设在第二防护层内部，另一端与数据采集仪106连接，数据采集仪106实时监测第二防护层内部的温度场分布。

进一步优选地，模拟装置还包括第二高速照相机105和第一高速照相机109，第二高速照相机105设置在高温加热面板侧后方，第一高速照相机109设置在高温加热面板侧前方，用于获得弹丸101撞击待测试验件108前、后的速度以及平行于弹丸飞行轨迹102方向的弹丸101碎片云形貌。通过连续拍摄的弹丸101图像以及拍摄时间，可以计算弹丸101撞击待测试验件108前、后的飞行速度。

本实施例所提供的空间碎片高速撞击热防护结构的模拟装置基于二级轻气炮设计，可用于实现地面模拟空间碎片以不同角度高速撞击高温环境下复杂的热防护结构的动态行为，且该模拟装置结构紧凑、占用空间小，使用方便，且能够适用于多层的、复杂的热防护结构，比针对单一的板状材料进行测试的装置更贴近实际，结果更为准确。并且本实施例提供的模拟装置还包括采集数据的装置，可获得待测试验件108的实时温度场分布、弹丸101撞击待测试验件108前后的速度以及弹丸101撞击待测试验件108后的碎片云形貌等重要数据，解决了在较小的靶舱空间内难以获取模拟碎片撞击热防护结构后的碎片云形貌以及速度等重要试验数据的问题，能够较好地满足对热防护结构抵抗空间碎片撞击能力的模拟和评估需求。

实施例二

本实施例提供了一种空间碎片高速撞击热防护结构的模拟方法，采用上述实施例中的模拟装置，地面模拟空间碎片以不同角度高速撞击高温环境下热防护结构的动态行为，优选地，该模拟方法包括如下步骤：

S1、在轻气炮的靶舱内搭建模拟装置。

S2、调整高温加热面板202的角度，将高温加热面板202固定在旋转底座201上，将待测试验件108中的第一防护层的两端分别夹持在两个加热电极上。

S3、调整试验件辅助托架203与旋转底座201的位置关系，将待测试验件108中的第二防护层放置在试验件辅助托架203上，调整推杆505推动托架挡板503，将第二防护层夹紧在第一防护层后方，保持与第一防护层的良好接触。

S4、启动电极冷却部404对加热电极进行降温保护，为加热电极通电，加热待测试验件108。优选地，本实施例中采用循环水冷却的方式对加热电极进行降温保护，在启动电源开关通电加热之前，应先检查并开启水冷系统，将电极冷却部404中通入循环水。

S5、通过轻气炮发射弹丸101，在设定的速度下和角度下对待测试验件108进行撞击并记录结果。

优选地，还包括在试验过程中，通过双比色高温计110实时监测第一防护层的表面温度，通过第二防护层内置热电偶107实时监测第二防护层内部温度场分布，以及通过改变流经加热电极的电流强度，调整待测试验件108的温度场分布。

在发射弹丸101之后，通过设置在高温加热面板侧前方的第一高速照相机109和侧后方的第二高速照相机105分别获得弹丸101撞击待测试验件108前、后的速度以及平行于弹丸飞行轨迹102方向的碎片云形貌，以及通过设置在试验件辅助托架后方的观察装置104获得垂直于弹丸飞行轨迹102方向的碎片云形貌。

实施例三

本实施例中利用上述模拟装置设计高温环境下空间碎片针对热防护结构高速撞击的模拟试验，采用直径3mm的弹丸101模拟空间碎片，撞击待测试验件108。

通过双比色高温计110和热电偶107获得弹丸101着靶时，距待测试验件108的第一防护层表面10mm、35mm及60mm位置测温点的温度分别为1253℃、337℃和30℃。通过第一高速照相机109获得相邻两个时刻的弹丸飞行位置照片，继而通过计算获得弹丸101撞击防热复合材料面板时速度为3.07km/s。

实施例四

本实施例中利用上述模拟装置设计高温环境下空间碎片针对热防护结构高速撞击的地面模拟试验，采用直径为3mm的弹丸101模拟空间碎片，撞击待测试验件108。

通过双比色高温计110获得弹丸101着靶时，待测试验件108表面温度为580℃。

通过第一高速照相机109获得相邻两个时刻的弹丸飞行轨迹102照片，继而通过计算获得弹丸101撞击待测试验件108时速度为3.344km/s。使用第二高速照相机105拍摄到的弹丸101碎片云形貌，通过测量计算，弹丸101碎片云主体剩余速度为2.273km/s。

在弹丸101碎片作用下，观察板601中的第一层薄铝板、第二层薄铝板、第三层薄铝板和第四层薄铝板均出现较大面积穿孔，根据观察板601的受损情况，可研究碎片云的形貌。

综上，本发明提供了一种空间碎片高速撞击热防护结构的模拟装置及模拟方法，能够实现地面模拟碎片以不同角度高速撞击高温环境下复杂的热防护结构的动态行为，并可获得待测试验件108的实时温度场分布、弹丸101撞击待测试验件108前后的速度以及弹丸101撞击待测试验件108的碎片云形貌等重要试验数据。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。