陶瓷化铝板防护结构超高速撞击损伤特性研究

论文摘要

航天事业的发展极大地推动了科技水平的进步,但同时也对空间环境造成了影响,日益增多的空间碎片严重地威胁着在轨航天器的安全。对于危险空间碎片,从防护材料和防护结构方面对航天器进行被动防护设计,是保证航天器在轨运行安全的主要措施之一。本文采用地面超高速撞击实验与数值模拟相结合的方法,对基于陶瓷化铝板的防护结构进行了超高速撞击损伤特性研究,研究结果可为航天器防护结构的工程设计提供参考。完成了陶瓷化铝板Whipple防护结构超高速撞击实验,弹丸直径3.97mm,撞击速度为1.5km/s～5.0km/s,撞击角度为0°。分析了防护结构的撞击损伤特性。同时进行了以2A12铝板为防护屏的对比实验,研究了陶瓷化铝板对提高Whipple防护结构防护能力的影响。通过基于陶瓷化铝板的组合防护屏防护结构超高速撞击实验,弹丸直径6.35mm。研究了陶瓷化铝板、2A12铝板和3种铝丝网在不同组合方式下的超高速撞击损伤特性,分析了不同组合方式对防护结构的超高速撞击防护特性的影响。验证了陶瓷化铝板防护结构超高速撞击数值模拟的有效性,通过数值模拟的方法对陶瓷化铝板Whipple防护结构超高速撞击损伤特性进行了研究,分析在防护屏总厚度不变的前提下,改变陶瓷层厚度对防护结构损伤特性的影响。在此基础上,提出了提高防护结构抗撞击能力的设计组合原则。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 空间碎片及其危害
• 1.1.2 陶瓷化防护材料应用背景
• 1.2 国内外在该领域的研究现状及分析
• 1.2.1 防护材料发展状况
• 1.2.2 基于Whipple 防护结构的改进结构
• 1.3 存在的不足
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验研究
• 2.2.1 超高速撞击发射设备
• 2.2.2 超高速撞击速度测量设备
• 2.2.3 实验材料选取
• 2.2.4 实验防护结构设计
• 2.3 超高速撞击数值模拟技术
• 2.3.1 超高速撞击数值模拟技术进展状况
• 2.3.2 SPH 理论
• 2.4 本章小结
• 第3章 陶瓷化铝板防护屏Whipple 防护结构超高速撞击损伤研究
• 3.1 引言
• 3.2 陶瓷化铝板防护结构超高速撞击实验
• 3.2.1 研究方案
• 3.2.2 实验数据
• 3.3 对比铝板防护结构超高速撞击实验
• 3.3.1 研究方案
• 3.3.2 对比实验数据
• 3.4 陶瓷化铝板防护结构超高速撞击损伤特性
• 3.5 实验对比防护性能分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于陶瓷化铝板的组合防护屏防护结构超高速撞击特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 防护结构组合方式
• 4.2.1 陶瓷化铝板/铝板组合防护屏
• 4.2.2 陶瓷化铝板/铝丝网组合防护屏
• 4.2.3 铝板/铝丝网组合防护屏
• 4.3 实验结果
• 4.4 防护特性分析
• 4.4.1 陶瓷化铝板位置对防护特性的影响
• 4.4.2 铝丝网规格对防护特性的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 陶瓷化铝板防护结构超高速撞击数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 模型建立及参数选取
• 5.3 数值仿真有效性验证
• 5.4 陶瓷化铝板防护结构的陶瓷层厚度优化研究
• 5.4.1 陶瓷化铝板防护结构数值模拟工况选取
• 5.4.2 数值模拟结果
• 5.4.3 陶瓷层厚度对防护特性的影响
• 5.4.4 陶瓷化铝板Whipple 防护结构优化分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢