基于缩放实验的Whipple结构撞击特性

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1、2013年2月第39卷第2期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsFebruary2013Vol_39No．2基于缩放实验的Whipple结构撞击特性张晓天贾光辉(北京航空航天大学宇航学院，北京100191)摘要：针对航天器空间碎片防护问题，基于缩放实验方法，开展了7km／s以上超高速碰撞仿真研究．建立了单板和Whipple防护结构的仿真模型，并对铝．铝撞击问题和镉．镉撞击问题进行了多工况仿真．通过实验结果与数值仿真的对比，表明了数值仿真技术的正确性，并

2、从仿真角度验证了缩放实验方法的有效性．对缩放实验方法的适用性进行了仿真验证，结果表明该方法对弹丸形状适用性较好，对3～4km／s以上撞击速度的适用性较好，但对Whipple防护结构后板存在一定误差．分析了Whipple结构后板的失效模式，提出了失效模式的不连续性导致了缩放实验方法的误差．最后通过数值仿真计算了Whipple结构7km／s以上弹道极限特性，提出了失效模式的不连续性造成了在该速度段弹道极限曲线的分叉现象．关键词：缩放实验方法；空间碎片；超高速碰撞；数值仿真中图分类号：V414．6文献标识码：A文章编号：1001—5965(2013

3、)02．0168-05InvestigationofWhippleshieldhypervelocityimpactbasedOffscaledtestmethodZhangXiaotianJiaGuanghui(SchoolofAstronautics，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100191，China)Abstract：Hypervelocityimpactabove7km／swasinvestigatedbasedonscaledtestmethodfors

4、pacecraftshieldingissue．SimulationmodelsofsinglebumperandWhippleshieldwerebuilt，bothAI-AIimpactandCd-Cdimpactproblemsweresimulatedundermultiplecases．Thecomparisonoftestandsimulationshowedthevalidityofsimulationtechniqueandscaledtestmethodwasalsoverifiedfromtheviewofsimulati

5、on．Ada—ptednessanalysiswasappliedonscaledtestmethod．Theresultshowsthatthemethodiswelladaptedfortheimpactorshapeandimpactvelocity，buthaslargererrorfortherearwallofWhippleshield．Failuremodea-nalysisofWhippleshieldrearwallindicatedthattheerrorwascausedbythediscontinuityoffailu

6、remode．BallisticlimitwasinvestigatedfinallyforWhippleshieldabove7km／s．Theresultshowsthatthediscontinuityoffailuremodeintherearwallcausethebifurcationofballisticlimitcurvewithinthisvelocityrange．Keywords：scaledtestmethod；spacedebris；hypervelocityimpact；numericalsimulation随着太

7、空探索的进一步深入，空间碎片防护也成为一个关注热点．目前能进行可靠追踪和躲避的多为低地球轨道上大于10cm的碎片，为了抵御更多无法观测的小碎片撞击，必须为大型航天器设计防护结构．这就需要对空问碎片撞击防护结构的过程——超高速碰撞过程进行研究．目前的超高速碰撞分析技术包括地面碰撞实验和数值仿真两大类．地面碰撞实验准确度高，但是设备复杂，成本高；数值仿真易于实施，成本低，是开展大量研究的有效途径．空间碎片撞击航天器的平均相对速度大于7km／s¨1，而目前的实验设备只能对7km／s以下的球形弹丸撞击进行可靠有效的实验．7km／s以上撞击特性只能通过

8、外推的方式获得．另一方面，数值仿真技术虽然能够收稿13期：2011-01-06；网络出版时间：2013-02-2515：57网络出版地址：WWW．cnki．net／