空间站复合材料收紧装置刚度及静力试验分析

针对空间站柔性翼在展开及收拢状态,通过地面结构试验,对复合材料收紧装置试验件刚度及强度进行试验摸底。对试验项目进行设计,分别对面外刚度、面内刚度、0°工况强度、90°工况强度6个工况条件进行测试,获取了复合材料收紧装置试验件的刚度、强度数据。通过强度试验可知,Y向位移最大,X方向位移最小,且理论与实际偏差小于12%,证明复合材料收紧装置理论预测方法有效,可以为后续复合材料收紧装置结构优化及工艺制造提供有效理论支撑。

填充空心球/铝基复合材料结构的超高速撞击损伤特性研究

针对人类航天活动在空间中积累的大量空间碎片严重威胁在轨运行航天器安全,急需开发具有优良防护性能的新材料防护结构问题,初步研究填充空心球/铝基复合材料Whipple防护结构的撞击特性,获得相关撞击损伤数据,与填充实心铝板的Whipple防护结构进行对比,并评估空心球/铝基复合材料作为一种航天器防护材料的可行性。

空间碎片柔性防护结构超高速撞击试验研究

针对由多层柔性复合材料制成的柔性防护屏构成的空间碎片柔性防护结构的防护效果问题,进行了超高速撞击试验和撞击损伤测试分析,得到了芳纶纤维布、芳纶环氧复合材料及铝合金多屏防护结构的空间碎片防护性能,结果表明:柔性防护结构具有较高的折叠效率(展开折叠比≥8),能有效减小防护结构的发射体积;柔性防护结构展开后,可显著增加防护结构的防护屏数和屏间距,能显著提高其防护性能;在碎片撞击速度3.5 km/s时,柔性防护结构可以达到与相同面密度铝合金防护结构相当的防护能力。该柔性防护结构可为空间舱站、卫星等航天器碎片防护提供一条有效的解决途径。

高强高模聚乙烯复合材料超高速碰撞实验研究

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。

波阻抗梯度材料加强型Whipple结构撞击极限研究

为研究一种改进型的波阻抗梯度材料防护结构Ti/Al/Mg结构的撞击极限,采用二级轻气炮以3.0~8.0 km/s的速度对Ti/Al/Mg结构、Al/Mg结构和2A12结构开展了超高速撞击实验,建立了Ti/Al/Mg结构的撞击极限曲线。结果表明:高阻抗的钛合金表层能产生更高的冲击压力和温升,使弹丸充分破碎;在面密度相同的条件下,与Al/Mg结构和2A12结构相比,Ti/Al/Mg结构具有更强的防护性能。通过理论计算得到Ti/Al/Mg结构撞击极限曲线的区间转变速度小于7.0 km/s,但其实验撞击极限曲线上并未出现明显的区间转变,在实验速度范围内,撞击极限随着撞击速度的提升而增大,这与典型Whipple结构撞击极限曲线存在差异。

中低密度材料飞片超高速撞击铝防护结构实验研究

空间碎片相对于在轨航天器具有10 km/s左右的平均撞击速度,且处于低轨道90%数量的空间碎片密度属于中低密度材料,针对空间碎片撞击速度及材料密度的特点,采用电炮、磁驱动超高速飞片发射技术,开展了14 km/s速度低密度材料(Mylar)和近9 km/s速度中密度材料(2A12铝)超高速撞击单/双层铝防护结构的实验研究,得到了低密度材料飞片对2A12铝单/双层防护结构撞击损伤实验结果,以及中密度材料飞片超高速撞击形成碎片云对舱壁的损伤结果。结果分析表明:14 km/s速度的低密度材料飞片撞击2A12铝材料形成的碎片云中无熔化成分,而近9 km/s速度的中密度材料飞片撞击形成的碎片云以液态、甚至是气态为主;与单层防护结构相比,双层防护结构对14 km/s的低密度材料飞片有着更好的防护效果。

碳纤维/环氧树脂复合材料3.0~6.5km/s超高速撞击成坑特性研究

为研究碳纤维/环氧树脂复合材料在超高速撞击下的成坑特性,利用二级轻气炮开展了直径为1.00~3.05 mm的铝球以3.0~6.5 km/s的速度正撞击尺寸为100 mm×100 mm×20 mm的碳纤维/环氧树脂复合材料靶板的实验,获得了碳纤维/环氧复合材料靶板的成坑形貌特征,并测量了坑深、成坑表面积、表面损伤面积等尺寸。结合文献数据分析了靶板的无量纲成坑深度p/d_(p)、无量纲坑径系数D_(h)/d_(p)、表面损伤面积等效直径D_(e)等随撞击速度、撞击能量的变化规律。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料的无量纲成坑深度p/d_(p)和无量纲坑径系数D_(h)/d_(p)均与撞击速度呈2/3次幂关系;表面损伤面积等效直径D_(e)与弹丸撞击能量E呈幂函数关系;成坑深度大于成坑半径。

纤维编织材料超高速撞击特性实验研究

与铝合金等材料相比,纤维编织材料具有质量轻、可柔性折叠等优点,可应用于柔性充气展开防护结构,进而构建多屏、大间距防护结构,提升防护效率。考虑不同性能纤维编织材料对多屏防护结构防护性能的影响,通过实验研究了不同材料制成的多屏防护结构对空间碎片的防护性能,防护屏材料包括玄武岩纤维编织材料、芳纶纤维编织材料及铝板。在超高速弹丸撞击载荷作用下,与多屏铝板防护结构相比,多屏纤维编织材料防护结构具有更高的防碎片撞击效果;对多屏纤维编织材料防护结构来说,前两屏采用玄武岩纤维编织材料,后两屏采用芳纶纤维编织材料时,防护效果更好,说明多屏防护结构的前置防护屏采用软化温度较高的无机纤维编织材料时,可能会更好地破碎弹丸,从而提高防护结构的碎片撞击防护性能。

新型波阻抗梯度材料的数值仿真与试验研究

空间碎片已经成为影响航天器在轨安全的突出因素,寻求新的轻质高抗撞击防护材料和结构是确保航天器任务成功的关键技术之一。本文针对一种铝镁波阻抗梯度防护材料和以其为缓冲屏的防护结构,从试验和数值仿真两个方面评价了其超高速撞击性能。结果显示,在同等面密度条件下,Al-Mg梯度防护结构防护性能比铝合金Whipple防护结构提高了25%以上,或者在同等防护能力条件下,Al-Mg梯度防护结构重量比铝合金Whipple防护结构减轻25%以上。由于这种梯度防护结构的几何构型简单,因此将在航天器工程任务中有较好的工程应用前景。

航天器透明材料超高速撞击特性试验研究

为满足透明结构空间碎片防护的需求,本文介绍了透明材料的撞击特性验证方法,针对PC、PMMA、耐辐照玻璃等透明材料开展了超高速撞击试验验证,获得了不同材料在超高速撞击后的破坏形式、缺陷大小等,并经分析得到了不同材料的弹道极限。结果表明,若以是否击穿为准则,本试验采用的透明材料的防护能力都强于1.5mm厚5A06铝板,PC材料的防护能力强于PMMA和耐辐照玻璃,PMMA的防护能力与耐辐照玻璃相当。

抗超高速撞击多层结构复合材料研究

本文介绍了抗超高速撞击多层结构复合材料的设计、制备和实验,并对结果进行了讨论,实验证明,以SiC陶瓷基复合材料为防护层、以空心微珠或多孔变密度复合材料为缓冲层、以编织物复合材料为结构层的多层结构复合材料,具有面密度低、抗撞击速度范围宽、抗撞击性能好的特点。

抗高速碰撞复合材料的结构研究与分析

分析了国外以抗动能弹丸碰撞为主的多功能复合材料与结构，叙述了国外的发展简况、基本防护设想，介绍了空间站的抗动能方案或设想，以及抗动能武器的设想。对多功能复合材料与结构研究提出了几点值得重视的看法。

正撞击下双层墙结构防护屏防护性能仿真研究

文章利用AUTODYN软件对铝合金球形弹丸正撞击双层墙防护结构进行了仿真研究,比较了双层墙防护结构中铝合金材料和复合材料防护屏的防护性能。结果表明:在相同的面密度和构型下,双层墙防护结构中铝合金防护屏的防护效果优于复合材料防护屏。

Al/Mg阻抗梯度材料超高速撞击机理数值仿真研究

文章采用数值仿真方法研究了Al/Mg阻抗梯度材料在超高速撞击下的响应过程，分析了冲击波在阻抗梯度材料中的传播规律，计算了撞击过程中的能量耗散情况，并与弹丸撞击铝合金靶的结果进行了比较。研究结果表明，相对于铝合金材料，Al/Mg阻抗梯度材料：1）延长了冲击波的传播时间，使峰值压力脉冲的比冲量提升了30%～50%；2）提高了塑性功和内能转化量，使不可逆功增加了10%。由此证明阻抗梯度材料的防护性能优于铝合金。

不同填充层材料的空间碎片防护结构性能试验研究

航天器外用来防护空间碎片超高速撞击的填充防护结构一般以高强度高模量的组合纤维布(如Nextel\Kevlar)作为填充层。为初步评估填充层材料特性对填充防护结构防护性能的影响,并据此设计防护性能好、质量小、成本低的防护结构,通过试验对比研究了Nextel\Kevlar纤维布、Basalt\Kevlar纤维布、气凝胶\玻纤复合材料、木层、玻璃钢板及铝板作为填充层时对结构防护性能的影响。试验中采用的铝球弹丸直径为4.0~5.5 mm,撞击速度为3.0~5.0 km/s。试验结果显示:与面密度相同的铝板填充结构相比,在较高撞击速度(约5 km/s)下,纤维布类填充结构展现出良好的防护性能,但在较低速度(约3 km/s)下却性能较差;木层填充结构在较高和较低撞击速度下均表现出良好的防护性能。以上结果结合机理分析,为填充防护结构设计提供了初步优化思路。

空间站结构材料及设计研究

简要介绍了空间站构型的演变和发展过程 ,说明了各种不同结构的优缺点 ,并对桁架、密封舱等结构及其材料进行了详细地论述 ,具体包括结构及结构材料的设计要求、材料的选择、加工制造工艺等方面。

密度梯度薄板超高速撞击特性的实验研究

以二级轻气炮作为加载手段,在撞击速度范围为4.0—7.0 km/s内获得了Ti6Al4V/Ly12 Al/聚酰胺纤维密度梯度薄板的穿孔特性、验证板损伤特性和弹道极限特性.与Ly12 Al薄板的相应实验结果的对比显示,在相同撞击速度下,该密度梯度薄板的穿孔直径更大,且随撞击速度的增大而增加;其验证板上的撞击坑尺寸小,且随撞击速度的增大而减小;其弹道极限比Ly12 Al薄板的弹道极限高50%以上.分析认为,超高速撞击下Ti6Al4V/Ly12 Al/聚酰胺纤维密度梯度薄板中高阻抗的Ti6Al4V产生的峰值冲击压力比Ly12 Al薄板的峰值冲击压力高,这增强了对弹丸的破碎能力;而其中的聚酰胺纤维层延长了冲击波在薄板中的传播时间,增大了冲击波的耗散,使撞击过程中转化的不可逆功增多,从而消耗了弹丸更多的动能.使用这种密度梯度材料作为防护屏具有很好的抗撞击能力,在航天器空间碎片防护工程应用中具有很大的潜力.