玄武岩/Kevlar纤维布填充防护结构撞击极限及损伤特性

为了研究玄武岩/Kevlar纤维布填充防护结构的撞击极限和损伤特性,采用非火药驱动二级轻气炮进行超高速撞击实验,拟合撞击极限曲线,并与Nextel/Kevlar填充防护结构及三层铝防护结构进行比较。结果表明:玄武岩/Kevlar填充防护结构具有和Nextel/Kevlar填充防护结构类似的防护效果,防护性能优于三层铝防护结构。进一步研究填充防护结构铝合金防护屏、纤维布填充层及铝合金舱壁的损伤形式,分析了造成防护屏、填充层与舱壁不同损伤形貌的原因,探索了玄武岩/Kevlar纤维布填充防护结构的防护机理,得出玄武岩纤维布填充层使弹丸碎化,而Kevlar填充层消耗、吸收和分散弹丸或碎片云的能量。

填充式防护结构弹道极限方程的多指标寻优

为获得适用于国内填充式防护结构超高速撞击的弹道极限方程,采用多指标寻优的方法,对NASA填充式防护结构的弹道极限方程以国内实验数据为依据进行修正.结果发现:采用第1类指标(总体预测率和安全预测率)和第2类指标(预测误差平方和)联合对方程的系数进行修正,可获得预测效果更好的修正方程.通过对方程低速段和高速段的整体系数进行修正,最终获得单填充组、单一材料的双填充组以及两种材料的双填充组防护结构弹道极限方程的总体预测率分别为93.3%,90%和88.9%,而安全预测率全部高达100%,可很好满足工程的需求.可见,基于不同填充式防护结构的实验数据分别进行弹道极限方程的修正,可获得相应结构预测能力较优的方程.

填充式防护结构填充层撞击特性研究

填充式防护结构是国际空间站广泛应用的一种空间碎片防护结构,填充层材料的选择是填充式防护结构研制的最重要环节。对国内可用的几种高模量、高强度填充层材料进行了超高速撞击试验,并根据试验结果进行了工程应用推荐。

填充式泡沫铝防护结构的弹道极限

为了探索泡沫材料在空间防护上的应用,结合实验和数值模拟,绘制了弹速0.5～7.0km/s范围内填充式泡沫铝防护结构的弹道极限曲线,并与Whipple结构进行了比较。结果表明:填充式泡沫铝防护结构的防护性能优于同等面密度、总厚度的Whipple结构;孔隙率对填充式泡沫铝防护结构防护性能影响较小。

填充式防护结构弹道极限方程的差异演化优化

综合建模形式弹道极限方程中存在11个待定参数,从理论上讲,采用穷举法可以获得其数值大小,但需要的计算时间过长,储存空间巨大,不宜实现,为解决此问题,改用差异演化算法。基于填充式实验数据,采用差异演化算法对综合建模形式弹道极限方程的11个待定参数进行了多目标优化计算。结果显示,方程的总体预测率为82.35%,安全预测率为100%,平均相对误差平方和为0.001 3。该方程对其他来源的49个实验数据的预测结果显示,总体预测率提升了1.32%,安全预测率降低了4.08%,平均相对误差平方和增加了0.007 3,表明差异演化算法适用于解决多参数多目标的弹道极限方程建模问题。

空间站填充式防护结构撞击特性研究

针对我国空间站的三类填充式防护结构开展了超高速撞击试验,获取了两类撞击角度0°、30°和两类撞击速度3.1km/s、6.4km/s的撞击极限。结果表明这三类防护结构展现出一些独特的防护性能,第一类防护构型:在3.1km/s时,30°的撞击极限比0°的低0.5mm,而在6. 4km/s时,30°的撞击极限和0°的撞击极限基本一样;第二类防护构型:在3. 1km/s时,30°的撞击极限比0°的低0.75mm,而在6. 4km/s时,30°的撞击极限和0°的撞击极限基本一样;第三类防护构型:在3. 1km/s时,30°的撞击极限比0°的低0.5mm,而在6.4km/s时,30°的撞击极限比0°的撞击极限低0.25mm。基于试验结果建立了撞击极限方程,可用于空间站的空间碎片风险评估。

超高速撞击玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构研究

利用二级轻气炮对玄武岩及Kevlar纤维布填充Whipple防护结构进行了超高速撞击实验研究.以Nextel/Kevlar撞击极限曲线为参照,分析了双层未涂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构和双层涂环氧树脂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构的防护性能、填充材料及舱壁的损伤情况.实验表明:双层未涂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构和双层涂环氧树脂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构在高速区都具有优良的防护性能.此外,通过涂环氧树脂胶改善了玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构在高速区的防护性能.Kevlar纤维丝在低速区主要依靠塑性变形及断裂吸收弹丸的动能,玄武岩纤维丝在高速区主要依靠脆性断裂及高温碳化将弹丸破碎或融化为尺寸更小的碎片或熔球,减轻了对舱壁的损伤.玄武岩及Kevlar纤维丝在高速区存在高温熔化及碳化现象.

超高速撞击Kevlar纤维布填充防护结构研究

利用二级轻气炮,对Kevlar纤维布填充Whipple防护结构进行了超高速撞击实验研究。基于Nextel/Kevlar撞击极限曲线,分析了单层及双层Kevlar纤维布填充防护结构的防护性能以及填充材料、舱壁的损伤情况。实验表明,Kevlar纤维布填充Whipple防护结构在低速区具有优良的防护性能。分层布局可改善Kevlar纤维布填充Whipple防护结构在低速区的防护性能。在低速区,Kevlar纤维丝主要依靠大量的塑性变形及断裂吸收弹丸的动能;在高速区,Kevlar纤维丝存在高温熔化及碳化现象,使弹丸破碎或熔化为更小的碎片或熔球,从而减轻对舱壁的损伤。

填充式防护结构弹道极限方程形式建模

为获得适用于国内填充式防护结构在超高速撞击条件下的弹道极限方程，对国内学者采用量纲分析方法建立填充式防护结构弹道极限方程（国内方程）的过程进行改进，获得了适用于国内陶瓷纤维布／碳纤维布（Ce／Ca）的填充式结构弹道极限方程形式。由于将填充材料的厚度测量改进为面密度测量，新的弹道极限方程形式，更便于国内填充式防护结构的建模。

基于Adaboost的填充式防护结构超高速撞击损伤预测

填充式防护结构的显式弹道极限方程在对弹丸进行超高速撞击损伤预测时,由于填充材料、填充方式的不同,会导致预测结果与实测数据存在一定偏差。对此,采用机器学习方式将该问题转化为二分类问题,以碰撞过程中的弹丸撞击参数、防护结构参数作为分类特征,构建了基于Adaboost的填充式防护结构超高速撞击损伤预测模型。该模型以分类回归树(CART)作为弱分类器,通过对一系列弱分类器的加权组合生成强分类器,并通过对训练样本的循环使用,实现了小样本集下的撞击损伤预测。实验结果表明,建立的Adaboost预测模型对填充式防护结构的超高速撞击损伤具有良好的预测效果,总体预测率与安全预测率相比于NASA的弹道极限方程均提高了14. 3%,具有更强的通用性。通过不同训练样本规模下的交叉检验,证明了该模型具有良好的鲁棒性与准确性。

载人航天器密封舱结构超高速撞击易损性

载人航天器密封舱是载人航天任务航天员在轨安全工作和生活的重要保障,为掌握载人航天器密封舱防护结构易损特性、准确获取密封舱防护结构易损性模型,基于二级轻气炮,开展了某载人航天器玄武岩/芳纶纤维填充式防护结构试验件撞击试验,获取了3类防护结构试验件撞击极限直径,完成了防护屏、填充层和舱壁结构撞击损伤特性分析,结果表明,相同撞击速度下,防护屏穿孔孔径与弹丸直径正相关,玄武岩/芳纶纤维填充层对弹丸和碎片云有较强破碎作用和能量分散作用,降低对密封舱结构损伤,沿主撞击方向碎片云能量是引起舱壁结构花瓣形裂纹穿孔的主要因素。针对试验数据,采用遗传算法和多元线性/非线性回归方法对NASA Christiansen方程、W-S穿孔方程进行修正,提升了预示精度,其中总体预测率从59.1%提升到100%,安全预测率从81.8%提升到100%,准确建立了适用于中国某大型载人航天器玄武岩/芳纶纤维填充式防护结构的撞击极限经验方程和穿孔经验方程等两类易损性模型,为在轨任务风险工程评估提供依据和奠定基础。