粉尘微粒子高速撞击光学玻璃损伤行为研究

论文摘要

随着航天技术的不断发展,微小空间碎片和微流星体（空间粉尘）高速撞击累积损伤效应日益引起关注。本文在合理剪裁空间粉尘环境模式的基础上,利用粉尘静电加速器、扫描电镜、能谱仪和分光光度计及计算机仿真技术,分别针对三种表面镀膜光学玻璃,以微米级铝粉高速撞击光学玻璃为研究对象,考察粉尘微粒子高速撞击光学玻璃损伤行为特征,同时评价相应的损伤效应。Grün微流星体模型和ORDEM2000碎片模型计算结果显示,低地球轨道（LEO）上微米级空间碎片的通量较微流星体高一至两个数量级,400km轨道上直径为20mm的光学玻璃在轨运行一年可能遭受尺寸为1μm10μm空间粉尘撞击的概率接近100%。扫描电镜观察结果表明,粉尘高速撞击造成三类镀膜光学玻璃的损伤形式均包括玻璃靶体破坏和粒子附着。就靶体损伤而言,镀膜K208玻璃表面的破坏形式主要是形成大小不等的撞击坑;镀膜石英玻璃表面的破坏形式主要表现在复合涂层穿孔及复合膜与玻璃基体的分离上;而镀膜非晶玻璃的表面破坏形式主要是涂层被破坏形成丝状物。就粒子附着而言,在镀膜K208玻璃和镀膜石英玻璃所产生的影响区域要远远大于其自身的尺寸;在镀膜非晶玻璃上的影响区域与其自身的尺寸大致相当。光学性能测试结果显示,粉尘粒子高速撞击对镀膜K208玻璃透过率的影响最大,对于镀膜石英玻璃反射率和镀膜非晶玻璃透过率的影响相对较小,而对光学性能所产生的影响在近紫外-可见光波段最为严重。数值模拟仿真结果表明,非线性有限元模拟软件ANSYS/LS-DYNA可用于3μm、5μm和10μm尺寸粉尘微粒子高速撞击石英玻璃过程的模拟,在遭受小尺寸粒子以较低速度撞击时,玻璃靶体表现出类似于延性材料的撞击形貌。对比发现,数值模拟结果接近空间搭载试验结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及研究目的和意义
• 1.2 空间粉尘环境研究概况
• 1.2.1 空间微流星体
• 1.2.2 微小空间碎片
• 1.2.3 粉尘环境工程模型
• 1.3 玻璃靶材高速撞击损伤研究进展
• 1.3.1 高速撞击基本理论
• 1.3.2 玻璃靶材高速撞击损伤特征
• 1.3.3 空间粉尘高速撞击玻璃靶材损伤行为
• 1.3.4 空间粉尘高速撞击玻璃靶材损伤效应
• 1.4 高速撞击地面模拟试验
• 1.4.1 典型模拟试验装置
• 1.4.2 粉尘静电加速撞击试验
• 1.5 计算机模拟在高速撞击研究中的应用
• 1.5.1 基于网格的模拟方法
• 1.5.2 基于无网格的模拟方法
• 1.5.3 高速撞击材料动力学
• 1.5.4 LS-DYNA软件在高速撞击模拟中的应用
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 试验材料及试验方法
• 2.1 空间粉尘环境剪裁工具
• 2.2 试验材料
• 2.3 撞击模拟试验
• 2.3.1 试验设备
• 2.3.2 试验过程
• 2.4 分析测试方法
• 2.5 数值模拟工具软件
• 第3章 空间粉尘环境剪裁
• 3.1 引言
• 3.2 空间微流星环境剪裁
• 3.3 空间微小碎片环境剪裁
• 3.4 空间粉尘撞击概率计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 粉尘高速撞击光学玻璃损伤行为及效应
• 4.1 引言
• 4.2 镀膜光学玻璃材料力学性能表征
• 4.2.1 镀膜K208 玻璃
• 4.2.2 镀膜石英玻璃
• 4.2.3 镀膜非晶玻璃
• 4.3 光学玻璃损伤行为分析
• 4.3.1 镀膜K208 玻璃损伤形貌
• 4.3.2 镀膜石英玻璃损伤形貌
• 4.3.3 镀膜非晶玻璃损伤形貌
• 4.4 光学玻璃损伤效应分析
• 4.4.1 镀膜K208 玻璃透过率变化
• 4.4.2 镀膜石英玻璃反射率变化
• 4.4.3 镀膜非晶玻璃透过率变化
• 4.5 本章小结
• 第5章 粉尘高速撞击光学玻璃计算机模拟仿真
• 5.1 引言
• 5.2 模拟仿真基本过程
• 5.3 模拟仿真建模
• 5.3.1 材料本构方程
• 5.3.2 网格划分
• 5.4 典型仿真模拟结果
• 5.5 仿真模拟结果与试验结果比较
• 5.5.1 小尺寸撞击坑之间的比较
• 5.5.2 大尺寸撞击坑之间的比较
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢