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超高速碰撞航天器太阳能电池阵的毁伤特性研究

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超高速碰撞航天器太阳能电池阵的毁伤特性研究

作者：张爽沈阳理工大学

学位级别：硕士

航天器太阳能电池阵在轨道运行期间会遭受大量空间碎片的撞击。为了开展航天器太阳能电池阵的防护工作,利用ANSYS/LS-DYNA软件对超高速碰撞航天器太阳能电池阵进行数值模拟并进行实验验证。主要工作如下:进行了不同位置处,超高速碰撞航... 详细信息

航天器太阳能电池阵在轨道运行期间会遭受大量空间碎片的撞击。为了开展航天器太阳能电池阵的防护工作,利用ANSYS/LS-DYNA软件对超高速碰撞航天器太阳能电池阵进行数值模拟并进行实验验证。主要工作如下:进行了不同位置处,超高速碰撞航天器太阳能电池阵毁伤的数值模拟,得到了不同碰撞时刻玻璃盖片的应力云图及有效应力曲线。研究结果表明:a)碰撞后航天器太阳能电池阵玻璃盖片上出现放射性裂纹;b)当碰撞在航天器太阳能电池阵的几何中心位置时,航天器太阳能电池阵的4块玻璃盖片均出现裂纹;c)当碰撞在航天器太阳能电池阵的2块玻璃盖片交界的中心位置时,只有被撞击的2块玻璃盖片上出现裂纹,其余玻璃盖片未受到影响;d)当碰撞在航天器太阳能电池阵的单个玻璃盖片的中心位置时,只有被撞击的玻璃盖片出现裂纹,其余3块未受影响。进行了30°入射角度超高速碰撞太阳能电池阵铝衬板的数值模拟,得到了碰撞速度与穿孔尺寸的关系及不同碰撞时刻铝衬板的应力云图和有效应力曲线。研究结果表明:a)当碰撞航天器太阳能电池阵的中心位置时,碰撞产生椭圆形穿孔,穿孔尺寸在椭圆的长轴和短轴方向上均随碰撞速度的增加而增大,最后趋于稳定;b)当碰撞航天器太阳能电池阵的2块玻璃盖片交界的中心位置时,产生椭圆形穿孔,穿孔尺寸在椭圆的长轴和短轴方向上均随碰撞速度的增加先增大后减小,最后趋于稳定。进行了碰撞角度对航天器太阳能电池阵的毁伤特性研究,得到了斜碰撞时碰撞角度与航天器太阳能电池阵毁伤面积的关系曲线及正碰撞后电池阵的碎片云的飞溅模拟图。研究结果表明:当弹丸进行斜撞击时,航天器太阳能电池阵的毁伤面积随碰撞角度的增加先增大后减小;当进行正碰撞时,航天器太阳能电池阵上出现圆形穿孔,玻璃盖片出现放射性裂纹。进行了实验总体方案设计,开展了30°入射角度碰撞航天器太阳能电池阵中心位置和2块玻璃盖片交界位置及正碰撞航天器太阳能电池阵中心位置的实验;通过数值模拟与实验结果对比分析,两者基本一致。

关键词：超高速碰撞航天器太阳能电池阵裂纹穿孔应力云图

气炮发射获得超高速碰撞器的数值模拟研究进展

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中国科学：物理学、力学、天文学 2014年第5期44卷 547-556页

作者：柏劲松王翔华劲松钟敏胡建波罗国强刘坤唐蜜李平戴诚达沈强吴强谭华张联盟中国工程物理研究院流体物理研究所绵阳621900 中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室绵阳621900 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉430070

航天器结构防护的实验研究需要将克量级的金属飞片加速到10 km/s左右的超高速状态,目前中国工程物理研究院流体物理研究所在二级轻气炮装置上对这一关键技术取得了突破性进展,成功将克量级的LY12铝飞片驱动加速到11.0 km/s,将克量级的... 详细信息

航天器结构防护的实验研究需要将克量级的金属飞片加速到10 km/s左右的超高速状态,目前中国工程物理研究院流体物理研究所在二级轻气炮装置上对这一关键技术取得了突破性进展,成功将克量级的LY12铝飞片驱动加速到11.0 km/s,将克量级的高密度Ta和Pt飞片分别驱动加速到约10.0 km/s和9.0 km/s.本文简要回顾了我们近年来的实验研究结果,并利用研制的高精度MFPPM计算程序对气炮加载驱动超高速飞片过程进行数值模拟,给出的飞片自由面速度与实验测量结果基本一致.考虑到超高速碰撞效应涉及物质熔化、汽化和等离子状态等宽区物态方程问题,进一步发展了具有自主知识产权的LSFC欧拉型计算程序,在气炮加载驱动超高速飞片问题中对其进行了验证,其计算结果与MFPPM的计算结果基本吻合,拟进一步发展后将其应用于超高速空间碎片及其防护的数值模拟研究.

关键词：超高速飞片超高速碰撞气炮装置 MFPPM LSFC

铝超高速碰撞产生等离子体相变潜热的理论研究

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兵工学报 2014年第S2期35卷 347-352页

作者：刘志祥张庆明北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

超高速碰撞对航天器的毁伤除了对防护结构的机械毁伤外,还有对电子器件的电磁毁伤。研究铝超高速碰撞产生等离子体的相变潜热对航天器防护结构的设计具有指导作用。本文以实验测定的电子温度为依据,根据Saha方程得到电离度判据;并以温... 详细信息

超高速碰撞对航天器的毁伤除了对防护结构的机械毁伤外,还有对电子器件的电磁毁伤。研究铝超高速碰撞产生等离子体的相变潜热对航天器防护结构的设计具有指导作用。本文以实验测定的电子温度为依据,根据Saha方程得到电离度判据;并以温度和电离度判据为依据,借鉴Clausius-Clapeyron方程的推导,利用热力学理论对建立在气化基础上的等离子体相变潜热和熵增进行了讨论,且得到了相应的计算公式。

关键词：爆炸力学超高速碰撞等离子体相变潜热熵增

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“超高速碰撞”专题出版前言

爆炸与冲击 2021年第2期41卷 I0001-I0001页

作者：张庆明北京理工大学《爆炸与冲击》

超高速碰撞是指这样一类碰撞:碰撞所产生的冲击压强远远大于(弹靶)材料的强度。在超高速碰撞的最初阶段,材料的性态类似于可压缩流体,遵从流体力学定律。小天体对地球的撞击、空间碎片对航天器的撞击、动能武器对目标的撞击是典型的超... 详细信息

超高速碰撞是指这样一类碰撞:碰撞所产生的冲击压强远远大于(弹靶)材料的强度。在超高速碰撞的最初阶段,材料的性态类似于可压缩流体,遵从流体力学定律。小天体对地球的撞击、空间碎片对航天器的撞击、动能武器对目标的撞击是典型的超高速碰撞现象。

关键词：超高速碰撞可压缩流体动能武器冲击压强流体力学小天体空间碎片专题出版

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铝-铝超高速碰撞产生电磁波机制探讨

兵工学报 2014年第S2期35卷 268-274页

作者：张凯张庆明龙仁荣张东江北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

超高速碰撞过程中,伴随着能量的剧烈释放,以电磁波的形式向外辐射能量。碰撞发光和碰撞产生微波都属于电磁辐射。本文提出了碰撞产生电磁波的3种机制:碰撞产生等离子体的辐射;高速喷溅物的热辐射;冲击作用下材料破坏产生的辐射。结合已... 详细信息

超高速碰撞过程中,伴随着能量的剧烈释放,以电磁波的形式向外辐射能量。碰撞发光和碰撞产生微波都属于电磁辐射。本文提出了碰撞产生电磁波的3种机制:碰撞产生等离子体的辐射;高速喷溅物的热辐射;冲击作用下材料破坏产生的辐射。结合已经进行的超高速碰撞光谱和微波实验,证实了3条机制都会影响电磁波的产生。超高速碰撞过程中会产生等离子体,等离子体的集体振荡会发出微波,等离子体的激发跃迁产生线光谱,等离子体的复合辐射、轫致辐射产生连续光谱。碰撞喷溅物的热辐射可发光也可产生微波,它依赖于喷溅物温度,温度越高产生电磁波波长越短。材料破坏由于微裂纹的出现而产生电磁脉冲,它依赖微裂纹的数量。

关键词：固体力学超高速碰撞电磁辐射等离子体

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纤维织物超高速碰撞热-力学特性数值模拟

载人航天 2023年第4期29卷 427-433页

作者：石景富于东徐铧东刘蕾苗常青哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室哈尔滨150001 哈尔滨工业大学机电学院机械设计系哈尔滨150001

针对纤维织物防护结构在空间碎片超高速碰撞下发生的变形、破碎及温升、相变等热-力学问题,引入Johnson-Cook模型及Gruneisen状态方程,结合纤维织物纱线编织几何模型及FEM-SPH耦合算法,建立了纤维织物超高碰撞数值模型,并研究了纤维织... 详细信息

针对纤维织物防护结构在空间碎片超高速碰撞下发生的变形、破碎及温升、相变等热-力学问题,引入Johnson-Cook模型及Gruneisen状态方程,结合纤维织物纱线编织几何模型及FEM-SPH耦合算法,建立了纤维织物超高碰撞数值模型,并研究了纤维织物强度对超高速碰撞热-力学特性的影响规律。结果表明:随着纤维织物强度的增加,纤维织物防护结构对弹丸的动能吸收能力增强;纤维织物碰撞区域热效应显著,随着纤维织物强度的增加,碰撞区域中心的热效应先增强后减弱;当纤维织物强度在2000 MPa附近时,碰撞区域中心的热效应较为显著。

关键词：纤维织物超高速碰撞热-力学特性空间碎片防护

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高强高模聚乙烯复合材料超高速碰撞实验研究

兵工学报 2010年第S1期31卷 234-237页

作者：王等旺张德志李捷西北核技术研究所陕西西安710024

高强高模聚乙烯(UHIMPE)复合材料具有许多优异性能,在航空航天领域有着广泛的应用前景。利用二级轻气炮,开展了UHIMPE复合材料Whipple防护结构超高速碰撞实验,并与相同面密度的硬铝2A12进行了对比,对前板开孔和后板破坏情况进行了测量... 详细信息

高强高模聚乙烯(UHIMPE)复合材料具有许多优异性能,在航空航天领域有着广泛的应用前景。利用二级轻气炮,开展了UHIMPE复合材料Whipple防护结构超高速碰撞实验,并与相同面密度的硬铝2A12进行了对比,对前板开孔和后板破坏情况进行了测量和观察。根据实验结果定性分析了UHIMPE复合材料防护结构弹道极限曲线的走向。实验结果表明,UHIMPE复合材料不能更有效地破碎弹丸,有着比硬铝2A12更差的防护性能。

关键词：空间碎片超高速碰撞 Whipple防护结构高强高模聚乙烯复合材料弹道极限

Whipple防护屏超高速碰撞碎片云动量分布研究

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兵工学报 2014年第S2期35卷 164-168页

作者：王惠王昭张德志陈博李捷唐仕英西北核技术研究所陕西西安710024

碎片云动量对航天器舱壁撞击损伤有着直接影响,本文通过数值模拟对Whipple防护屏超高速碰撞碎片云动量分布规律进行了研究,另外,对超高速碰撞碎片云扩散半径、动量比、Whipple防护屏后靶破坏情况等进行了分析。结果表明,碎片云动量密度... 详细信息

碎片云动量对航天器舱壁撞击损伤有着直接影响,本文通过数值模拟对Whipple防护屏超高速碰撞碎片云动量分布规律进行了研究,另外,对超高速碰撞碎片云扩散半径、动量比、Whipple防护屏后靶破坏情况等进行了分析。结果表明,碎片云动量密度随落点半径大致呈三角形分布,但并不是随半径增大线性递减的,相同撞击条件下,受统计区域面积和数据间隔距离的影响,碎片云动量密度峰值以及变化趋势会有所不同。

关键词：爆炸力学超高速碰撞碎片云动量分布数值模拟 Whipple防护屏

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空间碎片超高速碰撞复合板数值模拟分析

兵工学报 2010年第S1期31卷 69-73页

作者：刘群陈朗伍俊英北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

为了研究复合板对空间碎片超高速碰撞的防护能力,采用光滑粒子动力学计算方法,对飞片超高速撞击复合板的过程进行了数值模拟计算。建立了飞片撞击复合板的计算模型,对比了不同结构复合板和金属板结构的防护能力,分析了不同厚度比复合板... 详细信息

为了研究复合板对空间碎片超高速碰撞的防护能力,采用光滑粒子动力学计算方法,对飞片超高速撞击复合板的过程进行了数值模拟计算。建立了飞片撞击复合板的计算模型,对比了不同结构复合板和金属板结构的防护能力,分析了不同厚度比复合板的防护特性。结果表明:采用前陶后铝结构的复合板具有较好防护能力,同质量下,双层复合板的防护能力优于双层铝板和钢板;对于相同质量的前陶后铝结构复合板,陶瓷和铝层的厚度存在最佳比值,使其具有最佳的防护能力。

关键词：超高速碰撞复合板防护能力