超高速撞击中的弹丸形状效应数值模拟研究

《超高速撞击中的弹丸形状效应数值模拟研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航天器环境工程第27卷第5期570SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2010年l0月超高速撞击中的弹丸形状效应数值模拟研究徐坤博1，龚自正1一，(1．北京卫星环境工程研究所，北京100094；侯明强1，代福1，郑建东12．北京空间飞行器总体设计部，北京100094)摘要：文章用AUTODYN仿真软件对球形、圆锥形．圆柱形和盘形4种不同形状弹丸超高速撞击Whipple防护结构所产生的碎片云形貌特征及对后墙的毁伤程度进行了数值仿真研究．对比分析结果指出：质量与速度相等的4种不同形状弹丸撞击缓冲屏所产生的碎片云有明显差异；弹丸长径比越小，穿过缓冲屏后的破

2、碎程度越大；在5km／s撞击速度下，球形弹丸对后墙的毁伤程度最小，而圆柱形弹丸的毁伤程度最大。这说明弹丸的形状对超高速撞击结果有显著影响，在航天器超高速撞击风险评估和防护工程设计中应充分考虑弹丸的形状效应。球形弹丸的弹道极限曲线在防护结构的碎片防护能力评价时存在高估的问题，在实际工作中要特别注意这一点。关键词：空间碎片；超高速撞击；弹丸形状效应；数值仿真中图分类号：V520．7；TBll5文献标识码：^文章编号：1673-1379(2010)05-0570_06DoI：10．3969／j．issn．1673—1379．2010．05．0050引言随着人类航天活动的日益频繁，空间

3、碎片数量急剧增长，与航天器相撞的风险在增加。由于平均相对撞击速度可达10km／s，会对航天器造成严重的撞击损伤后果，因此对航天器的在轨长寿命、高可靠安全运行构成了现实威胁。空间碎片防护设计已成为航天器(特别是载人航天器)设计必不可少的环节和航天技术领域的研究热点之一。航天器的碎片撞击风险评估与防护设计需要大量的超高速撞击特性数据。为了获取空间碎片超高速撞击特性数据，国内外开展了大量的地面模拟试验研究。空间碎片超高速撞击特性与模拟弹丸的材料、质量、形状、速度、撞击方向、环境温度等因素密切相关。长时间以来，为地面试验模拟方便，研究人员通常选用标准球形弹丸开展空间碎片撞击特性的研究。

4、实际上绝大多数空间碎片的实际形状并非球形，有圆锥形、圆柱形、盘形等。因此，为了较真实地反映空间碎片的超高速撞击特性，必须研究非球形弹丸对航天器的损伤和对防护结构防护性能的影响。人们常使用二级轻气炮来进行速度小于7km／s的空间碎片超高速撞击模拟试验。近年来，为了模拟速度大于7h眺的空间碎片撞击试验，还发展了许多可发射非球形弹丸的新的超高速发射技术，例如：阻抗梯度飞片超高速发射技术(HVL)【l】可将盘形钛飞片的速度发射至19km／s，定向聚能加速器(ISCL)[2-3J可将长径比为1～1．5圆柱状弹丸的速度发射至11．5kllffs，等。这些新的超高速发射技术可发射形状各不相同

5、的弹丸，这就给试验数据之间的分析比对带来了可能。由于空间碎片形状多种多样，而目前的试验技术可以模拟的碎片形状有限，且实际的试验成本高、耗时长，所以开展超高速撞击数值仿真研究是实际试验的有力补充手段，经济高效，可方便地用于非球形弹丸超高速撞击特性的研究。1972年R0benH．Morrison最早在国际上开展超高速撞击弹丸形状效应的研究[41，他通过试验获得了在撞击速度接近7km／s时不同质量与长径比的圆柱形、球形弹丸对航天器典型Whipple防护结构的撞击毁伤效果。此后，Evansl51、Willi锄sen【6-71、收稿日期：2010．05．12；修回日期：2010．08．2

6、3基金项目：国家重点基础研究发展计划973(项目编号：2010CB731600)和国家国防科工局空间碎片专项(项目编号：KJSP06209，KJSP06210)资助项目作者简介：徐坤博(1984一)，女，硕士研究生，专业研究方向为空间碎片防护。E．mail：xkb．龚自正(19“一)，男，研究员，博士生导师，现任国家国防科工局空间碎片防护专家组副组长，主要从事航天器空间碎片超高速撞击防护、材料动态力学性能和高压物理研究。E-mail：gongzz@263．net．第5期徐坤博等：超高速撞击中的弹丸形状效应数值模拟研究571HuKuifengt引、Beissel[9】等人用数值模

7、拟方法相继开展了超高速撞击弹丸形状效应的研究，并得到不同形状弹丸的弹道极限曲线。国内的张伟等人【Io．n】基于等效球形直径对多种形状弹丸的撞击特性做了数值模拟研究。徐金中【l2】利用光滑粒子流体动力学(SPH)方法在进行空间碎片超高速碰撞数值仿真研究时，也涉及到了对弹丸形状效应的讨论。这些初步研究结果显示，非球形弹丸沿主轴方向撞击时，其对航天器的损伤比球形弹丸大，各种非球形的弹丸对防护结构的损伤均大于球形弹丸。对于双层板防护结构，危害程度的估计比实际高1倍，对单层板防护结构则高出3倍。总的来