CN106980727B - 确定高性能波阻抗梯度空间碎片防护材料结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种确定高性能波阻抗梯度空间碎片防护材料的方法，该方法根据空间碎片的防护要求，确定防护目标的尺寸和防护结构的主要参数，再确定波阻抗梯度防护材料的材料组分以及组成波阻抗梯度防护材料的层数，根据选用的材料组分按照阻抗由高到低的顺序排列，首层材料具有高密度高阻抗的特点，后续材料组分阻抗逐层递减，组成波阻抗梯度防护屏；接着确定各层材料组份的厚度而完成。本发明与传统铝合金防护结构相比防护性能提升20％以上，极大的提升了航天器在空间碎片环境中的生存能力，在工程应用中具有广阔的应用前景。

Description

确定高性能波阻抗梯度空间碎片防护材料结构的方法
技术领域
本发明属于空间碎片防护材料技术领域，具体来说，本发明涉及一种高性能波阻抗梯度空间碎片防护材料结构的确定方法。
背景技术
空间碎片是指人类空间活动所产生的太空垃圾。通常它们与航天器相撞的平均速度为高达7km/s，对航天器的安全造成巨大的潜在威胁。为了提升航天器的可靠性和安全性，目前普遍采用由防护屏和后墙(舱壁)组成的Whipple结构或其改进型防护结构来对航天器进行防护。该结构利用加装在舱壁外的防护屏来拦截高速碎片，达到消耗和分散空间碎片动能的效果，从而大大降低了空间碎片对舱壁的破坏作用。防护屏的材料特性对防护结构的防护能力有很大的影响。对于航天器防护材料的选择，要求其在不增加重量的情况下能够有效破碎来袭的空间碎片，更多的传递、耗散其撞击能量，以达到抵御超高速撞击保护航天器的目的。
2009年，侯明强等人【侯明强，龚自正，杨继运，郑建东，童靖宇，向树红.一种新概念密度梯度型高性能空间碎片防护结构.2009年空间环境与材料科学论坛】提出一种新概念密度梯度型空间碎片防护材料，采用该材料所组成的防护结构与传统铝合金Whipple结构相比防护性能得到大幅提升。随后，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【侯明强，龚自正，徐坤博，郑建东，曹燕，牛锦超.Al/Mg阻抗梯度材料超高速撞击机理数值仿真研究.航天器环境工程,2013,30(6):581-585】。利用基于弹丸最大碎片的碎片云模型计算了密度梯度型防护结构的碎片云参数，分析了密度梯度型防护结构性能比Whipple防护结构优异的原因【侯明强，龚自正，徐坤博，郑建东，曹燕，牛锦超.密度梯度型防护结构碎片云特性理论分析.第十一届全国冲击动力学学术会议,2013】。
在工程应用中，需要对不同需求的防护材料进行设计。然而，目前还未提出能够有效设计高性能波阻抗梯度空间碎片防护材料的方法，如何在不增加重量的前提下，高效准确的获得防护性能最优化的防护材料未得到解决。与传统铝合金材料不同，波阻抗梯度防护材料通过调节冲击波在其中的传输路径和时间，来达到破碎弹丸和分散碎片云质量、动量的目的，不同材料组份和厚度对防护性能的影响较大。此外，研究表明：弹丸与防护屏撞击接触产生的第一个冲击波对弹丸的破碎起决定性作用。但是，如果设计不合理，防护屏中的追赶稀疏波将对该冲击波进行卸载，极大的影响了防护性能。因此，如何对波阻抗梯度材料进行设计，获得性能最优化的防护材料，在空间碎片防护领域具有重要意义。本发明从波阻抗梯度材料的防护机理出发，采用理论与数值模拟相结合的方式，实现高性能波阻抗梯度防护材料结构的设计。
发明内容
针对高性能波阻抗梯度防护材料设计方法的不足，提高波阻抗梯度防护材料在工程应用中的灵活性，本发明提出将冲击波理论分析与数值模拟相结合来实现高性能波阻抗梯度防护材料的设计。建立弹丸(碎片)撞击防护屏的冲击波理论模型，基于追赶稀疏波特性，确定波阻抗梯度防护屏第一层厚度与弹丸直径之比，完成第一层材料的设计。采用光滑粒子流(SPH)方法建立超高速撞击数值模型，在特定材料面密度的条件下，对波阻抗梯度材料的组份和厚度进行排列组合，将这些材料组成的防护结构进行超高速撞击数值仿真，对材料组合进行筛选，获得防护性能最大化的防护材料。
本发明需要解决的技术问题包括：(1)波阻抗梯度防护材料中第1层材料和厚度决定了追赶稀疏波的特性，在防护性能中起到决定性的作用，如何对第一层材料的厚度进行设计；(2)波阻抗梯度防护材料是由多种材料组份组成的多层复合材料，如何在不增加重量的前提下对组份/厚度进行优化设计，实现防护性能的最大化。
本发明采用的技术方案如下:
确定高性能波阻抗梯度空间碎片防护材料的方法，包括如下步骤：
步骤1：根据空间碎片的防护要求，确定防护目标的尺寸和防护结构的主要参数，防护目标的尺寸为碎片等效球形弹丸的直径，防护结构的主要参数包括：(1)防护屏与航天器舱壁或需要防护部位的间隔距离，其中防护屏、间距和舱壁组成防护结构；(2)根据空间碎片的防护要求，确定防护屏的面密度，保证防护屏的质量不增加，面密度为材料设计的约束条件；
步骤2：确定波阻抗梯度防护材料的材料组分，其中材料组分选用常用航空航天材料，包括不锈钢、钛合金、铝合金、镁合金或轻质陶瓷材料；
步骤3：确定组成波阻抗梯度防护材料的层数，波阻抗梯度防护材料的层数通常选择在2-4层，层数不易过多，否则降低了对空间碎片的破碎能力，也不宜过少，否则不能有效分散弹丸碎片；
步骤4：将选用的材料组分按照阻抗由高到低的顺序排列，首层材料具有高密度高阻抗的特点，后续材料组分阻抗逐层递减，组成波阻抗梯度防护屏；
步骤5：确定各层材料组份的厚度
5.1确定弹丸和靶中的冲击波参数
基于冲击波理论，确定在7km/s碰撞时弹丸和靶中的冲击波参数，获得弹丸和靶中的冲击波速度、波后粒子速度和密度；
5.2确定波阻抗防护材料第一层材料厚度
在材料的设计中考虑追赶稀疏波的影响，使第一层材料中的冲击波运动时间与稀疏波追赶弹丸中冲击波的时间之和大于弹丸中冲击波到达背表面的时间，结合获得的冲击波参数，计算出弹丸直径与靶中第一层材料厚度的比值，根据防护目标直径确定第一层材料的厚度；
5.3生成波阻抗梯度材料组份-厚度组合
假设波阻抗梯度材料由n种材料组成n层结构，按步骤5.2方法确定第一层材料1的厚度l1，在确定第2～(n-1)层厚度时，以面密度为约束条件，厚度从0.1mm开始，0.1mm为变化梯度，对各材料组份和厚度进行穷尽组合，使各种材料组份-厚度组合都被包含；
5.4建立超高速撞击数值模型
采用AUTO-DYN软件，光滑粒子流(SPH)方法建立超高速撞击数值模型，防护屏为波阻抗梯度材料，材料均采用SPH方法划分粒子，根据自身计算硬件条件确定划分粒子尺寸，在模型中选择Gruneisen物态方程、Steinberg本构模型和Hydro(Pmin)失效模型；
5.5材料组份-厚度组合初选
在7km/s速度点，针对步骤5.3确定的所有材料组份-厚度组合开展超高速正撞击数值仿真，弹丸材料为Al-2A12铝合金，直径取防护目标尺寸，以舱壁是否穿孔作为防护结构失效准则，如果舱壁穿孔则认为在撞击下结构失效防护失败，反则认为防护成功，通过初选；
5.6确定高性能波阻抗梯度防护材料组份-厚度组合形式
对初选出的材料组合，重新建立防护结构数值模型，在3-7km/s开展超高速撞击数值仿真，获得在3、4、5、6和7km/s速度点的撞击极限，采用最小二乘法对它们进行拟合，获得这些防护结构的撞击极限曲线；在某速度点，波阻抗梯防护结构的撞击极限与铝合金结构相比的提升比例即为防护性能提升比例，以此来评价其防护性能，选出具有最高防护性能的波阻抗梯度防护材料，完成高性能波阻抗梯度防护材料的组合形式。
其中，防护屏即所设计的波阻抗梯度防护屏。
其中，所述防护目标尺寸越大，面密度越大。
其中，防护屏厚度通常在1-2mm之间，层数也受到制备工艺的限制。
进一步地，划分粒子尺寸为0.02mm。
其中，撞击极限是在某速度点撞击下结构失效的临界弹丸直径。
采用本发明所提出的高性能波阻抗梯度空间碎片防护材料设计方法，能够有效的避免梯度界面处反射追赶稀疏波对弹丸(空间碎片)中冲击波的影响，提高弹丸的破碎程度，所设计出的防护材料，具有优异的防护性能。经过实验验证，使用所设计的波阻抗梯度材料组成的防护结构能够有效的分散和消耗空间碎片的初始动能，降低对航天器舱壁的损伤程度，在不增加重量的情况下，与传统铝合金防护结构相比防护性能提升20％以上，极大的提升了航天器在空间碎片环境中的生存能力，在工程应用中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的波阻抗梯度防护材料结构示意图；
图2为本发明方法中界面反射追赶稀疏波的示意图；
图3为本发明方法中超高速撞击防护结构数值模型图；
图4为本发明方法中数值仿真失效(防护失败)示意图；
图5为本发明方法中数值仿真未失效(防护成功)示意图。
具体实施方式
以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1为波阻抗梯度防护材料的结构示意图，它由多层材料按照阻抗由高到低的顺序排列组成。首层材料具有高密度高阻抗的特点，能够提升碎片中的冲击波强度和能量，提升碎片的破碎、液化甚至气化程度。根据冲击波原理，当冲击波由高阻抗材料向低阻抗材料中传播时，分别在界面透射和反射一个冲击波和稀疏波。随后的第二层材料具有比第一层低的密度和阻抗，能够在改变冲击波传输路径和时间的同时反射稀疏波增加弹丸的破碎程度和扩散速度。以此类推，最后一层材料具有最低的密度和阻抗，能够达到再次改变冲击波传输路径和反射稀疏波的效果。
基于冲击波理论，分析追赶稀疏波特性，对第一层材料的厚度进行设计。以约束面密度为不增加重量的约束条件(例：面密度等于1.0mm厚铝合金)，对除第一层外的其它材料的组份-厚度进行排列组合。建立超高速撞击数值模型，对每种材料组合进行超高速撞击数值仿真，获得具有最优防护性能的组份-厚度组合，完成高性能波阻抗梯度防护材料的设计。
(1)弹丸和靶中的冲击波参数的确定
碰撞之前弹丸的速度为V。碰撞时，弹丸中压缩区内的粒子速度减小Upp(p代表弹丸，t代表防护屏第一层，Upp是弹丸内粒子相对于移动参考系的速度)，因此粒子速度变为V-Upp。靶内的粒子速度为Upt。根据守恒定律和冲击波理论：
Figure BDA0001258810280000071
可求出粒子速度：
Figure BDA0001258810280000072
其中：
Figure BDA0001258810280000073
冲击波速度分别为：
Dp＝Cp+λpUpp
(4)
Dt＝Ct+λtUpt
(5)
(2)波阻抗防护材料第一层材料厚度的确定
弹丸撞击波阻抗梯度防护材料后，当靶中的冲击波达到第一层界面时，立即反向反射一个稀疏波。来自靶中界面的追赶稀疏波追赶上弹丸中的冲击波阵面时，弹丸中的冲击波速度和强度立刻下降，降低冲击波对弹丸的破碎能力，降低抵御碎片撞击的能力。因此，在材料的设计中应该考虑追赶稀疏波的影响，使靶第一层材料中的冲击波运动时间与稀疏波追赶弹丸中冲击波的时间之和大于弹丸中冲击波到达背表面的时间(图2)。
根据追赶比R的定义(弹丸直径d与靶中第一层材料的厚度l1的比值)，结合冲击波参数的计算结果(4)(5)，即可得到第一层材料的厚度l1。
Figure BDA0001258810280000081
(3)生成波阻抗梯度材料组份-厚度组合
假设波阻抗梯度材料由n种材料组成n层结构，按步骤(2)方法确定第一层材料1的厚度l1。在确定第2～(n-1)层厚度时，以特定面密度为约束条件，即满足式(7)，从厚度0.1mm开始，0.1mm为变化梯度，对各材料组份和厚度进行穷尽组合，使各种材料厚度组合都被包含。
ρm＝ρ1l1+ρ2l2+ρ3l3…+ρnln (7)
(4)建立超高速撞击数值模型
计算采用AUTO-DYN软件，光滑粒子流(SPH)方法建立如图3中的数值模型。防护屏为波阻抗梯度材料，根据工程应用中的实际需求，确定防护间距S(例如：100mm)，舱壁厚度tw(例如：2.5mm)。材料均采用SPH方法划分粒子，根据自身计算硬件条件确定划分粒子尺寸(例如：0.02mm)。在模型中选择Gruneisen物态方程、Steinberg本构模型和Hydro(Pmin)失效模型。
(5)材料组份-厚度组合初选
在7km/s速度点，对组份-厚度组合的所有材料开展超高速正撞击数值仿真，弹丸材料为Al-2A12铝合金，直径取防护目标尺寸。以舱壁是否穿孔作为防护结构失效准则，如果舱壁穿孔认为在撞击下结构失效防护失败(图4)，反则认为防护成功(图5)，通过初选。
(6)确定高性能波阻抗梯度防护材料组份-厚度的组合形式
对初选出的材料组合，重新建立图3中的防护结构数值模型，在3-7km/s开展超高速撞击数值仿真，获得在3、4、5、6和7km/s速度点的撞击极限(撞击极限是在某速度点撞击下结构失效的临界弹丸直径)。采用最小二乘法对它们进行拟合，获得这些防护结构的撞击极限曲线。在某速度点，波阻抗梯防护结构的撞击极限与铝合金结构相比的提升比例即为防护性能提升比例，以此来评价其防护性能，优选出具有最高防护性能的波阻抗梯度防护材料，完成高性能波阻抗梯度防护材料的设计。防护材料不宜选用高分子聚合物等易氧化、熔点低的材料。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.确定高性能波阻抗梯度空间碎片防护材料的方法，包括如下步骤：
步骤1：根据空间碎片的防护要求，确定防护目标的尺寸和防护结构的主要参数，防护目标的尺寸为碎片等效球形弹丸的直径，防护结构的主要参数包括：(1)防护屏与航天器舱壁或需要防护部位的间隔距离，其中防护屏、间距和舱壁组成防护结构；(2) 根据空间碎片的防护要求，确定防护屏的面密度，保证防护屏的质量不增加，面密度为材料设计的约束条件；
步骤2：确定波阻抗梯度防护材料的材料组分，其中材料组分选用常用航空航天材料，包括不锈钢、钛合金、铝合金、镁合金或轻质陶瓷材料；
步骤3：确定组成波阻抗梯度防护材料的层数，波阻抗梯度防护材料的层数通常选择在2-4层，层数不易过多，否则降低了对空间碎片的破碎能力，也不宜过少，否则不能有效分散弹丸碎片；
步骤4：将选用的材料组分按照阻抗由高到低的顺序排列，首层材料具有高密度高阻抗的特点，后续材料组分阻抗逐层递减，组成波阻抗梯度防护屏；
步骤5：确定各层材料组份的厚度
5.1 确定弹丸和靶中的冲击波参数
基于冲击波理论，确定在7 km/s碰撞时弹丸和靶中的冲击波参数，获得弹丸和靶中的冲击波速度、波后粒子速度和密度；
5.2 确定波阻抗防护材料第一层材料厚度
在材料的设计中考虑追赶稀疏波的影响，使第一层材料中的冲击波运动时间与稀疏波追赶弹丸中冲击波的时间之和大于弹丸中冲击波到达背表面的时间，结合获得的冲击波参数，计算出弹丸直径与靶中第一层材料厚度的比值，根据防护目标直径确定第一层材料的厚度；
5.3生成波阻抗梯度材料组份-厚度组合
假设波阻抗梯度材料由n种材料组成n层结构，按步骤5.2方法确定第一层材料1的厚度l1，在确定第2~(n-1)层厚度时，以面密度为约束条件，厚度从0.1mm开始，0.1mm为变化梯度，对各材料组份和厚度进行穷尽组合，使各种材料组份-厚度组合都被包含；
5.4 建立超高速撞击数值模型
采用AUTO-DYN软件，光滑粒子流方法建立超高速撞击数值模型，防护屏为波阻抗梯度材料，材料均采用光滑粒子流方法划分粒子，根据自身计算硬件条件确定划分粒子尺寸，在模型中选择Gruneisen物态方程、Steinberg本构模型和Hydro失效模型；
5.5材料组份-厚度组合初选
在7km/s速度点，针对步骤5.3确定的所有材料组份-厚度组合开展超高速正撞击数值仿真，弹丸材料为Al-2A12铝合金，直径取防护目标尺寸，以舱壁是否穿孔作为防护结构失效准则，如果舱壁穿孔则认为在撞击下结构失效防护失败，反则认为防护成功，通过初选；
5.6 确定高性能波阻抗梯度防护材料组份-厚度组合形式
对初选出的材料组合，重新建立防护结构数值模型，在3-7km/s开展超高速撞击数值仿真，获得在3、4、5、6和7km/s速度点的撞击极限，采用最小二乘法对它们进行拟合，获得这些防护结构的撞击极限曲线；在某速度点，波阻抗梯防护结构的撞击极限与铝合金结构相比的提升比例即为防护性能提升比例，以此来评价其防护性能，选出具有最高防护性能的波阻抗梯度防护材料，完成高性能波阻抗梯度防护材料的组合形式。
2.如权利要求1所述的方法，其中，防护屏即所设计的波阻抗梯度防护屏。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述防护目标尺寸越大，面密度越大。
4.如权利要求1所述的方法，其中，防护屏厚度在1-2 mm之间，层数受到制备工艺的限制。
5.如权利要求1所述的方法，其中，进一步地，划分粒子尺寸为0.02mm。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其中，撞击极限是在某速度点撞击下结构失效的临界弹丸直径。
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