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玄武岩纤维布/铝丝网组合材料的空间碎片防护结构研究

作　者: 傅翔
导　师: 庞宝君
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 空间碎片超高速撞击防护结构铝丝网玄武岩纤维布数值仿真
分类号: V445.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

进入21世纪以后,世界航天事业继续飞速发展,但其带来的副产品—“空间碎片”问题也愈发严重,对在轨航天器及航天员造成巨大的威胁。在现有航天器防护结构逐渐不能够满足防护要求的前提下,应用具有更佳防护性能的新材料成为当务之急。本文对玄武岩纤维布和铝丝网的防护特性进行了介绍,并对玄武岩纤维布/铝丝网组合防护结构进行超高速撞击特性研究。对当今航天器常用的几种防护结构进行调研后,设计了四种总面密度相同的玄武岩纤维布/铝丝网组合防护结构,即玄武岩纤维布/铝丝网作第一层防护屏或填充层的Whipple防护结构,网格双防护结构,多层冲击结构。利用二级轻气炮对这四种防护结构及相同面密度的典型铝板Whipple防护结构进行了超高速撞击地面模拟实验,分析了撞击速度对各防护结构防护性能的影响。在撞击速度相近时,对每种结构的防护性能做了对比,发现4种组合防护结构的性能明显好于典型铝板Whipple防护结构。并且在低速段,撞击速度在2 km/s到3.5 km/s之间,玄武岩纤维布/铝丝网组合层作填充层的防护结构的防护效果稍微好于其它三种;在高速段,撞击速度在3.5 km/s到5.5 km/s之间,玄武岩纤维布/铝丝网组合层作填充层的防护结构的防护效果明显好于其它三种,玄武岩纤维布/铝丝网作第一层防护屏的防护结构次之,多层冲击结构与网格双防护结构最差。应用三维绘图软件CATIA对铝合金丝网及玄武岩纤维布完成了几何建模,应用LS-DYNA软件进行了超高速撞击数值仿真,通过实验验证了玄武岩纤维布几何模型及材料模型的有效性。通过数值仿真方法,研究了纯玄武岩纤维布对弹丸动能的消耗能力,分析了组合结构中玄武岩纤维布的安放位置对防护性能的影响。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 课题背景  9-11
  1.2 空间碎片超高速撞击防护结构研究现状  11-15
    1.2.1 航天器防护结构  11-13
    1.2.2 航天器防护材料  13-14
    1.2.3 撞击极限曲线  14-15
  1.3 玄武岩纤维布材料简介  15-17
    1.3.1 玄武岩纤维布材料的性能  15-16
    1.3.2 国内外研究现状  16
    1.3.3 玄武岩纤维布在航天器防护领域的应用  16-17
  1.4 存在的不足  17-18
  1.5 本文的主要研究内容  18-19
第2章实验方法  19-25
  2.1 引言  19
  2.2 实验材料  19-21
    2.2.1 铝合金材料基本性能  19-20
    2.2.2 玄武岩纤维布基本性能  20-21
  2.3 实验设备  21-24
    2.3.1 弹丸发射设备  21-22
    2.3.2 弹丸速度测量设备  22-23
    2.3.3 数码显微镜  23
    2.3.4 电子天平  23-24
  2.4 防护性能评价方法  24
  2.5 本章小节  24-25
第3章玄武岩纤维布与铝丝网组合结构防护性能研究  25-42
  3.1 引言  25
  3.2 玄武岩纤维布/铝丝网组合层作第一层防护屏的Whipple 防护结构  25-28
    3.2.1 结构方案  25-26
    3.2.2 实验结果  26-27
    3.2.3 防护性能分析  27-28
  3.3 玄武岩纤维布/铝丝网组合层作填充层的填充式Whipple 防护结构  28-32
    3.3.1 结构方案  28
    3.3.2 实验结果  28-29
    3.3.3 防护性能分析  29-31
    3.3.4 与Nextel/Kevlar 填充防护结构的性能对比  31-32
  3.4 网格双防护结构  32-35
    3.4.1 结构方案  32-33
    3.4.2 实验结果  33-34
    3.4.3 防护性能分析  34-35
  3.5 多层冲击防护结构  35-38
    3.5.1 结构方案  35-36
    3.5.2 实验结果  36
    3.5.3 防护性能分析  36-38
  3.6 典型铝板Whipple 防护结构  38-39
    3.6.1 结构方案  38
    3.6.2 实验结果  38-39
    3.6.3 防护性能分析  39
  3.7 防护结构性能对比分析  39-41
  3.8 本章小结  41-42
第4章超高速撞击数值模拟研究  42-57
  4.1 引言  42
  4.2 玄武岩纤维布及铝合金丝网的几何建模  42-43
    4.2.1 铝合金丝网的几何建模  42
    4.2.2 玄武岩纤维布的几何建模  42-43
  4.3 数值仿真方法介绍  43-46
    4.3.1 光滑粒子流体动力学方法  43-44
    4.3.2 数值仿真材料模型  44-46
  4.4 超高速撞击数值仿真有效性验证  46-48
  4.5 玄武岩纤维布超高速撞击防护特性研究  48-52
    4.5.1 多层玄武岩纤维布超高速撞击防护结构设计  48
    4.5.2 多层玄武岩纤维布超高速撞击数值仿真  48-52
  4.6 玄武岩纤维布安放位置对组合防护结构防护性能的影响  52-55
    4.6.1 玄武岩纤维布安放位置对弹丸动能消耗量的影响  53-54
    4.6.2 玄武岩纤维布与铝丝网对弹丸破碎能力的差异  54-55
  4.7 本章小结  55-57
结论  57-59
参考文献  59-62
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  62-64
致谢  64

玄武岩纤维布/铝丝网组合材料的空间碎片防护结构研究

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