CN104029827A - 纤维棒填充式波纹夹层结构 - Google Patents

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郭锐
周昊
南博华
杨天豪
申世军
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Abstract

本发明公开了一种纤维棒填充式波纹夹层结构，包括外层平板、内层平板、波纹板、纤维棒和填充树脂；外层平板与内层平板平行，所述波纹板设置在外层平板和内层平板之间，波纹板的波纹延伸方向与外层平板平行，纤维棒设置于外层平板和波纹板围成的空腔中以及内层平板和波纹板围成的空腔中，并在上述空腔中均填满填充树脂。本发明能够有效地抵御空间碎片对航天器外部结构和内部设施的撞击损伤，起到良好的防护作用并有效减小附加防护质量。

Description

纤维棒填充式波纹夹层结构
技术领域
本发明涉及空间碎片防护领域，具体涉及一种纤维棒填充式波纹夹层结构。
背景技术
随着航天技术的飞速发展，人类的航天活动日益频繁，从而导致空间环境日趋复杂，空间碎片的数量也逐年增多。空间碎片与航天器撞击的平均相对速度可达10 km/s，超高速撞击引起的机械损伤效应严重威胁着在轨航天器的安全运行。因此，航天器防护结构设计是空间碎片防护领域的研究重点。
目前国内外普遍采用的空间碎片防护结构主要基于Whipple于1947年提出的Whipple防护结构。迄今为止，在其基础上已经设计开发出了单缓冲板Whipple防护结构、网格双缓冲板防护结构、多层冲击防护结构和夹层复合防护结构等防护构型。这些传统的防护结构在空间碎片防护中取得了一定的成效，但随着空间碎片环境的日趋恶化，航天器防护任务也愈发艰巨，传统的防护结构已经很难满足防护需求。为了更好地提升航天器的防护性能，同时尽可能地减少防护结构的附加质量，必须开发新型的防护结构并研制先进的防护材料。
我国对空间碎片防护问题的研究起步较晚，在相关的技术领域中一直处于落后状态。先进防护结构的设计和优化以及高性能防护材料的研制是我国在航天器空间碎片防护研究中的重点方向，以最小的防护结构重量实现最大的防护效能是此类研究的中心目标，因此开发新型的轻量化防护结构势在必行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤维棒填充式波纹夹层结构，能够使航天器有效抵抗空间碎片的高速撞击，同时实现防护结构的轻量化。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种纤维棒填充式波纹夹层结构，包括外层平板、内层平板、波纹板、纤维棒和填充树脂；外层平板与内层平板平行，所述波纹板设置在外层平板和内层平板之间，波纹板的波纹延伸方向与外层平板平行，纤维棒设置于外层平板和波纹板围成的空腔中以及内层平板和波纹板围成的空腔中，并在上述空腔中均填满填充树脂。
所述波纹板的波纹形状为三角形或梯形。
所述纤维棒结构为圆柱体，上述圆柱体外表面与其所在空腔的三个接触面均相切。
上述圆柱体体外表面与其所在空腔的三个接触面中必有一个接触面为外层平板或内层平板。
所述外层平板、内层平板以及波纹板的材料相同，为铝合金、钛合金或镁合金。
所述纤维棒材料为玄武岩纤维、碳纤维或玻璃纤维。
上述填充树脂为环氧树脂。
本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）结构的内、外层平板和波纹板均可以有效分解高速撞击的空间碎片，分散并削弱其损伤能量，三者的组合应用使得空间碎片在撞击本结构时，将连续受到三次阻挡，这将对空间碎片进行更加充分的分解，并大幅度降低碎片云的速度，防护效果更加显著；
（2）结构中的纤维棒具有极高的强度，能够增强防护结构的整体强度，防止结构在受空间碎片撞击时发生严重破坏，同时纤维棒能够有效阻挡碎片的穿过，大幅度地削减碎片云的运动速度，使防护结构更加有效地分散碎片云的能量；此外，纤维棒的密度较低，可在一定程度上减轻防护结构的质量；
（3）结构中的填充树脂亦可对空间碎片进行破碎和熔化，吸收其撞击能量。
附图说明
图1为本发明的纤维棒填充式波纹夹层结构的装配示意图，其中图（a）中波纹板的波纹形状为三角形，图（b）中波纹板的波纹形状为梯形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
一种纤维棒填充式波纹夹层结构，包括外层平板1、内层平板3、波纹板2、纤维棒4和填充树脂5；外层平板1与内层平板3平行，所述波纹板2设置在外层平板1和内层平板3之间，波纹板2的波纹延伸方向与外层平板1平行，纤维棒4设置于外层平板1和波纹板2围成的空腔中以及内层平板3和波纹板2围成的空腔中，并在上述空腔中均填满填充树脂5。
所述波纹板2的波纹形状为三角形或梯形。
所述纤维棒4结构为圆柱体，上述圆柱体外表面与其所在空腔的三个接触面均相切。
上述圆柱体体外表面与其所在空腔的三个接触面中必有一个接触面为外层平板1或内层平板3。
所述外层平板1、内层平板3以及波纹板2的材料相同，为铝合金、钛合金或镁合金。
所述纤维棒4材料为玄武岩纤维、碳纤维或玻璃纤维。
上述填充树脂5为环氧树脂。
实施例1
参照图1（a），一种纤维棒填充式波纹夹层结构，包括外层平板1、内层平板3、设置在内外层平板中间的波纹板2、设置在内外层平板和波纹板围成空腔中的圆柱形纤维棒4和填充在空隙中的树脂5。外层平板1、波纹板2和内层平板3的构成材料可选择轻质合金，钛合金；外层平板1、内层平板3和波纹板2的厚度可以相同；波纹板的波纹形状为三角形；纤维棒4的材料为碳纤维；填充树脂5为低密度环氧树脂；外层平板1、波纹板2和内层平板3通过专用粘合剂粘接为一体，纤维棒4***内外层平板和波纹板围成的空腔中，最后使用低密度树脂5进行填充封装，以形成一种纤维棒填充式波纹夹层结构。
实施例2
参照图1(b)，一种纤维棒填充式波纹夹层结构，包括外层平板1、内层平板3、设置在内外层平板中间的波纹板2、设置在内外层平板和波纹板围成空腔中的圆柱形纤维棒4和填充在空隙中的树脂5。外层平板1、波纹板2和内层平板3的构成材料可选择轻质合金，如铝合金；外层平板1、内层平板3和波纹板2的厚度可以相同；波纹板的波纹形状为梯形；纤维棒4的为玄武岩纤维；填充树脂5为低密度环氧树脂；外层平板1、波纹板2和内层平板3通过专用粘合剂粘接为一体，纤维棒4***内外层平板和波纹板围成的空腔中，最后使用低密度树脂5进行填充封装，以形成一种纤维棒填充式波纹夹层结构。
本发明外层平板1、内层平板3和波纹板2均可以有效分解高速撞击的空间碎片，分散并削弱其损伤能量，三者的组合应用使得空间碎片在撞击本结构时，将连续受到三次阻挡，这将对空间碎片进行更加充分的分解，并大幅度降低碎片云的速度，防护效果更加显著。
纤维棒4具有极高的强度，能够增强防护结构的整体强度，防止结构在受空间碎片撞击时发生严重破坏，同时纤维棒4能够有效阻挡碎片的穿过，大幅度地削减碎片云的运动速度，使防护结构更加有效地分散碎片云的能量；此外，纤维棒4的密度较低，可在一定程度上减轻防护结构的质量。
填充树脂5亦可对空间碎片进行破碎和熔化，吸收其撞击能量。
综上所述，空间碎片在穿过本发明结构的过程中，将受到各个部分的联合分解作用，损伤能量将被大幅度分散和吸收。因此，本发明的纤维棒填充式波纹夹层结构能够有效地抵御空间碎片对航天器外部结构和内部设施的撞击损伤，起到良好的防护作用并有效减小附加防护质量。

Claims (7)

1. 一种纤维棒填充式波纹夹层结构，其特征在于：包括外层平板（1）、内层平板（3）、波纹板（2）、纤维棒（4）和填充树脂（5）；外层平板（1）与内层平板（3）平行，所述波纹板（2）设置在外层平板（1）和内层平板（3）之间，波纹板（2）的波纹延伸方向与外层平板（1）平行，纤维棒（4）设置于外层平板（1）和波纹板（2）围成的空腔中以及内层平板（3）和波纹板（2）围成的空腔中，并在上述空腔中均填满填充树脂（5）。
2. 根据权利要求1所述纤维棒填充式波纹夹层结构，其特征在于：所述波纹板（2）的波纹形状为三角形或梯形。
3. 根据权利要求1所述纤维棒填充式波纹夹层结构，其特征在于：所述纤维棒（4）结构为圆柱体，上述圆柱体外表面与其所在空腔的三个接触面均相切。
4. 根据权利要求3所述纤维棒填充式波纹夹层结构，其特征在于：上述圆柱体体外表面与其所在空腔的三个接触面中必有一个接触面为外层平板（1）或内层平板（3）。
5. 根据权利要求1所述纤维棒填充式波纹夹层结构，其特征在于：所述外层平板（1）、内层平板（3）以及波纹板（2）的材料相同，为铝合金、钛合金或镁合金。
6. 根据权利要求1所述纤维棒填充式波纹夹层结构，其特征在于：所述纤维棒（4）材料为玄武岩纤维、碳纤维或玻璃纤维。
7. 根据权利要求1所述纤维棒填充式波纹夹层结构，其特征在于：上述填充树脂（5）为环氧树脂。
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