航天器含缺陷防护结构的高速撞击损伤及疲劳研究

发布时间：2020-08-31 16:03

　　随着航天事业的发展,空间碎片的数量越来越多,航天器在轨运行时,可能会受到空间碎片的撞击。为了应对空间碎片的威胁,在舱壁外间隔一定距离安装一层或多层薄板防护屏,当空间碎片撞击防护屏时会破碎成更小的碎片,其能量也会随之分散,从而达到保护航天器安全的目的,铝合金是目前使用最多的防护屏材料。同时,由于没有大气层的保护,航天器在轨道上受到辐射波动较大,防护屏中的热应力变化也很剧烈。基于以上背景,本文针对航天器含缺陷防护结构的高速撞击现象和疲劳效应,重点研究含弹坑、气泡和裂纹缺陷铝板Whipple防护结构的防护性能,以及含穿孔、弹坑缺陷防护屏的疲劳特性。首先,应用二级轻气炮加载技术进行了弹丸高速正撞击含弹坑、裂纹缺陷铝板Whipple防护结构实验研究,获取了含弹坑、裂纹缺陷铝板Whipple防护结构高速撞击损伤特性,与无缺陷铝板Whipple防护结构高速撞击损伤特性比较,分析了弹坑、裂纹缺陷对铝板Whipple防护结构高速撞击损伤特性的影响。第二、在Christiansen改进型撞击极限方程的基础上,通过数值模拟得到含弹坑、气泡和裂纹缺陷铝板Whipple防护结构撞击极限曲线,与无缺陷铝板Whipple防护结构撞击极限曲线比较,总结了含弹坑、气泡和裂纹缺陷对铝板Whipple防护结构性能影响的规律。第三、通过数值模拟比较弹丸撞击含弹坑、气泡和裂纹缺陷防护屏之后弹丸形态变化、应力波在弹丸和防护屏中的传播、弹丸速度的变化以及由弹丸和防护屏组成的系统能量的转化,分析了缺陷对航天器防护结构性能影响的机理。最后、通过数值模拟研究了穿孔、弹坑缺陷对防护屏疲劳极限的影响,计算了含穿孔、弹坑缺陷防护屏裂纹扩展的Paris区的参数,并分析了残余应力对防护屏疲劳极限的影响,利用数值模拟结果总结了残余应力对防护屏疲劳极限影响的经验公式。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V528;V445.1
【部分图文】：

空间碎片,地带,人类,环境

图 1-1 空间碎片环境在探索太空过程中，人类有意无意地带来了大量的空间碎片。1956 年，由于宇航员爱德华.华特的疏忽，将一双手套遗失在轨道上，这双手套以每小时 2.8 万千米的速度飞行，对航天器的威胁极大。据统计，在执行任务环绕地球的太空轨道中有近 10 万件由宇航员丢弃的垃圾，包括剃刀、牙膏、螺栓等、，另外，运载火箭部件也是空间碎片的重要组成部分[3]。1991 年 5 月，在美国用 Delta 火箭发射雨云 6 号卫星的过程中，产生了 237 块空间碎片。1999 年 10 月中国发射风云一号气象卫星时，运载火箭长征一号的第三级被遗留在了轨道上，2000 年 3 月 11 日，燃料箱推进剂混合爆炸，产生 316 块碎片[4]。2005 年 1 月 17 日，美国的 ThorBurner2A火箭残骸和中国用于发射风云一号的运载火箭残骸当空相撞，撞击产生了严重的后果，导致中国运载火箭残骸近地点轨道高度下降，美国的火箭废弃物被撞碎成四个较大的部分和许多小碎片[5-7]。由于空间碎片的数量庞大，其与航天器相撞的概率也相当高，例如，1984 年，为了研究近地轨道空间碎片的数据，美国航空航天局发射了一个长期暴露装置(LDEF)，该装置在发射 6 年后由航天飞机收回，检测到其表面有大量由空间碎片

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验证仿真模型的准确性，这样就可以在极大地降低成本的同时达到于疲劳寿命研究，一般都是通过实验得到材料的疲劳性能，再通过数析部件的载荷谱，利用线性累积损伤准则研究部件的疲劳寿命。对于，使用断裂力学的相关知识，可以很好地计算裂纹的参数和模拟裂纹本文通过高速撞击实验与数值模拟相结合的手段研究缺陷对铝板结构的影响，通过多款数值模拟软件的联合仿真来研究含缺陷防护屏方案了含弹坑缺陷铝板 Whipple 防护结构和含裂纹缺陷铝板 Whipple 防击实验，如图 2-1 所示，弹丸采用直径为 3.2mm、3.97mm、4.76m，防护屏采用尺寸为 200×200×1mm 的 2A12 铝板，舱壁采用尺寸为m 的 5A06 铝板，防护屏与舱壁的距离为 100mm，弹丸的撞击速度在间，撞击角度为 0°。使用哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击中心的级轻气炮作为发射装置发射铝球，磁感应测速系统测量铝球的速度

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- 9 -c) 裂纹缺陷图 2-2 缺陷设置示意图高速撞击实验，实验分组如表 2-1 所示，构高速撞击实验，主要目的是研究弹坑缺响以及含弹坑缺陷铝板 Whipple 防护结缺陷铝板 Whipple 防护结构高速撞击实验ple 防护结构高速撞击损伤特性。表 2-1 实验分组弹丸直径(mm) 3.2、3.97、4.76 3.97、4.76

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