低温下Whipple防护结构超高速撞击效应研究.pdf

航天器环境工程
第28卷第4期
318
SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERIN
2011年8月
低温下 Whipple防护结构超高速撞击效应研究
杨继运,徐坤博。简亚彬,曹燕,李宇,粪自正,赵晶晶
(北京卫星环境工程研究所可靠性与环境工程技术重点实验室,北京100040
摘要:文章研究了低温下空间碎片对典型 Whipple防护结构的超高速撞击效应。首先在二級轻气炮设备上
研制出使用液氩可将橦去靶冷却至-150℃且满足低温超高速撞击试验要求的低温装置。利用该装置开展了低温
条件下的超高速撞击试验,对低温和室温两种条件下的试验结果进行了比对,并分别対冲屏穿孔特性、碎片
云特性和后墙损伤特性之间的差异进行了分析。文章最后给出低温下典型 Whipple防护结构的弹道极限曲线
关键词;空间碎片;陟护结构;超高速撞击;低温效应
中图分类号:V416.5
文献标识码
文章编号:1673-1379(2011)04-0318-05
DOI:10.3969aisa.1673-1379.201.04.003
0概述
对象,研究了室温和低温下超高速撞击碎片云的变
由于热辐射等原因,航天器在轨飞行至地球
化,发现铝合金靶板撞击损伤程度在低温环境下
阴影区时,其表面温度会急剧降低,甚至到100K
有所降低。Numa等人?首次开展了对碳纤维增
的低温。在低温下,航天器表面材料和用于空间
强塑料(CFRP)的低温效应研究,在1.4kms的
碎片防护的结构材料与空间碎片发生撞击时它们
低速撞击下,CFRP板的损伤方式与温度有较大关
的超高速撞击特性将有别于空温状态。 Schaefer
系,而在高速撞击情况下,CFRP板穿孔周围的损
等人叫使用二緞轻气炮设备研究了 Whipple防护
伤与温度没有太大的关系。 Higashikubo等人川通
结构性能与温度的关系,评价弹道极限方程在低
过低温下钢材的撞击层裂研究,并与室温下的撞击
温或高温环境下的适用性,研究发现随着温度降
结果比较,发现低温下钢材的层裂强度增大
低,防护结构性能有较少的增强;而随着温度升
典型 Whipple防护结构由于结构形式简单
高,防护性能略有降低。 Francesconi等人以研究了
便于比較不同温度下的超高速撞击特性,国内曾
低温下缓冲层穿孔大小以及碎片云形状差异。
开展了该结构的初步研究。本文选用典型
wel4使用等离子体动设各对 Kapton膜进行 Whipple F防护结构作为研究对象,追过超尚速撞
了低温环境下撞击试验,发现 Kapton膜内产生应
击试验来比较低温和室温下其防护性能差异。
カ,从而导致表面产生损伤。具体特征是产生了1典型 Whipple I防护结构超高速撞击试验
带有唇边的撞击孔,在撞击孔周围表面有放射状
的溅出物,但没有出现分层现象。男外, Tanaka
典型 Whipple防护结构超高速撞击试验是在北
等人研究了低温下碳钢和铝合金材料的S的超高
京卫星环境工程研究的二级轻气炮上进行。其中
低温试验所需装置的热沉采用面积为360mmx
速撞击现象,通过SEM分析发堄:碳钢材料在
360mm的铜板,其厚度为14mm,在板的中心部
170℃环境下脆性虽有增强,但撞击失效断裂模
位开有直径为60mm的通孔。
式仍表现为韧性断裂,撞击坑形状和尺寸与温度
有关;不同铝合金材料对于撞击坑深和尺寸没有
1.1试验样品
太大的影响,但对撞击速度和材料的初始温度有
低温试验样品采用典型 Whipple防护结构,
比较大的影响。 Ohtani等人以铝合金靶板为研究缓冲层和后墙所选用材料和尺寸见表1。
收稿日期:201104-14;修回日期:2011-06-20
基金项目:国防科工局空间碎片专题研究项目(编号: KS206210
作者简介:杨继运(197S~),男,埒士学位,现主要从事空间碎片防护设计试验验证工作。E-mail:yangjin@126.com
方数据
第4期
_杨继运等:低下 Whipple E防护结构超高速撞击效应研究
表1 Whipple防护结构参数
中,在-136.5~-98℃范固有11次;在63.5℃有
Table I Parameters of the Whipple Shield Structure
材料板厚imn「边长mm「间距im
1次。作为比对,在室温(20℃)下进行了8次试
后2A/
缓冲层
300
验
100
300
全部20次试验均选用球型弹丸,材料
试验方案
为A12A12,撞击角度为0°,试验结果如表2所
在低温下共进行了12次超高速撞击试验,其
表2不同温度下 Whipple防护结构超高速撞击试验结果
Table 2 Results of hypervelocity impact ests for the Whipple shield structure at different temperatures
试验编号[弹丸直径摘击速度「缓冲屏试验温度
Im
kms
后墙试验混度{后增是否穿透
Tyc
CT-I2
CT-02
4.68
96.1
-136.5
CT-04
-110.8
否(临界)
界)
CT-10
97,1
.0
Cr-034850l
CT-0I
-127.3
CT-11
4.50
6.19
CT-07
4.52
5.91
CT0
4.74
6.21
33465
105.0
-104.5
100.0
临否是是否否是是
5.0G
105.0
CT-06
4.24
14
63.5
否(临界)
20.0
RT-03
3.00
20.0
RT-02
3.02
3.80
20.0
20.0
R-06
否否否是
20.0
RT-(4
RT-17
0000
否
20.0
6.44
是
Ri-05
5.00
20.0
2低温对典型 Whipple防护结构超高速为最终测量结果,如表3所示。
撞击特性影响分析
从试验结果看,在相同弹丸直径和撞击速度
2.1绶冲屏穿孔特性
的情况下,低温时的缓冲屏穿孔直径小于室温时
的。例如,在弹丸直径为4.52mm和撞击速度约
在低温和室温情况下,分别对防护结构缓冲屏为5.9km/s条件下,缓冲屏在-100℃下穿孔直径为
穿孔直径进行测量,具体做法是在穿孔处的3820mm,在室温下穿孔直径为8.30mm,如图1所
个方向进行测量,然后取3次测量的平均值作示。
表3防护结构试验后測量结果
Ible
Measurement resulls for the shield str