空间环境对航天器编织材料结构防护性能的影响

作     者：刘家赫 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：管公顺

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：空间碎片 高速撞击 编织材料 高低温交变 

摘      要：随着航天活动的日益频繁，空间碎片对航天器在轨运行安全的威胁趋于更加严重。航天器的实际运行环境较为复杂，主要包括空间碎片环境、高真空环境、高低温交变环境、电子辐照环境等，其中，高低温交变环境是影响航天器表面材料性能的主要因素。航天器防护结构通常位于最外层，防护材料温度变化更为剧烈，温度变化范围为-180℃到200℃。因此，有必要开展空间高真空环境下，高低温交变作用对航天器防护结构高速撞击特性影响的研究。本文主要利用二级轻气炮，对铝合金丝网、Kevlar纤维布和玄武岩纤维布，三种常用的航天器编织材料的单防护屏结构和填充式防护结构，进行高速撞击实验，研究其在经历多次高低温交变环境作用后的高速撞击损伤与防护特性的变化规律。重点研究在不同撞击速度区间内，高低温交变次数对编织材料防护层高速撞击损伤特性与结构防护性能的影响。本文取得的结果可为航天器防护结构的设计工作提供基础性参考。 首先，研究了铝网单防护屏结构和填充式防护结构在不同撞击速度和高低温交变处理次数情况下的高速撞击损伤特性。结果表明：随着高低温交变处理循环次数的增加，在低速段，弹丸破碎程度变化不明显，在高速段，弹丸破碎程度逐渐减轻;在本文实验速度范围内，铝合金丝网损伤程度加重，单防护屏结构和填充式防护结构高速撞击防护性能均逐渐下降。 其次，研究了玄武岩纤维布单防护屏结构和填充式防护结构在不同撞击速度和不同高低温交变处理次数情况下的高速撞击损伤特性。结果表明：在弹丸处于低速段区间，随着高低温交变循环处理次数的增加，弹丸破碎程度无明显变化，但舱壁撞击损伤逐渐减弱，即防护结构抵抗撞击的能力逐渐提高;在弹丸处于高速区间，随着高低温交变循环处理次数的增加，玄武岩纤维布对高速弹丸的破碎作用逐渐减弱，防护结构抵抗撞击的能力逐渐降低。 最后，针对单防护屏结构和填充式防护结构，以Kelver纤维布为防护材料，研究了在不同撞击速度和不同高低温交变循环处理次数情况下防护结构的高速撞击损伤特性和防护特性。结果表明：随着高低温交变循环处理次数的增加，Kevlar纤维布拉伸强度和拉伸应变率明显提高，剪切作用逐渐下降，表现为Kelver纤维布单防护屏结构的高速撞击防护性能逐渐升高，填充式防护结构的高速撞击防护性能逐渐降低。