CN107140238B - 动能高效耗散防护屏 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动能高效耗散防护屏，包括依次焊接或者粘附连接的高性能波阻抗梯度材料、多孔材料和背板，其中高性能波阻抗梯度材料由两种或多种材料组分以波阻抗由高到低的顺序排列；第二层的多孔材料具有蜂窝或泡沫的多孔结构，能够进一步吸收碎片动能；第三层的背板为合金背板，主要起固定作用，同时再次耗散碎片动能。本发明的防护结构，具有轻质化、集成度高、占用空间小、使用灵活等特点，能够高效耗散和分散空间碎片动能，在不增加重量和占用空间的前提下大幅提升了航天器抵御空间碎片的能力。
Description
技术领域
本发明涉及空间碎片防护技术领域，尤其是涉及一种动能高效耗散空间碎片防护结构。
背景技术
空间碎片撞击产生的极高压力超过航天器材料屈服强度的数十到数百倍，会穿透航天器表面，破坏内部的器件和***，造成航天器功能严重损伤，甚至导致航天器彻底解体/***失效。上世纪四十年代，天体物理学家F.L.Whipple 提出在航天器外部一定间隔处放置一层金属薄板来破碎弹丸，消耗弹丸动能，将入射弹丸的点载荷变为面载荷，从而减小航天器所受的微流星体撞击损伤，该结构被称为Whipple防护结构。国际上通用的空间碎片防护结构都是在 Whipple防护结构的基础上发展演变而来的，包括：单防护屏增强型防护结构、多层冲击防护结构和填充式Whipple防护结构等。
材料特性对防护结构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，以达到抵御撞击并对航天器进行有效防护的目的。与国外相比，国内由于受先进防护材料制备能力的限制，在航天器防护方面具有较大差距。一些防护屏通过牺牲表面平整性，通过表面异型化处理来提升空间碎片的破碎能力【CN102514737A、 CN102490912A】，或者采用两层或多层防护屏设计【CN102514737A、 CN105109709A、CN103466104A】，来抵御空间碎片撞击，使结构变得复杂，并且占用了大量航天器上宝贵的空间资源。
由于航天材料工程应用的苛刻要求，发展一种具有密度低、结构简单、体积小、应用灵活等特点的动能高效耗散防护结构具有重要意义。
发明内容
针对空间碎片环境的严峻形势和航天器碎片防护的迫切需求，本发明提出了一种具有动能高效耗散特性的新型空间碎片防护结构，提升了航天器的安全性和可靠性。
本发明以限定防护屏面密度为约束条件，保证防护结构的轻质化，采用一体化平面单一防护屏结构，减小了其与舱壁之间的间距，释放了更多的可使用空间。
本发明采用了如下的技术方案加以实现：
动能高效耗散防护屏，包括依次焊接或者粘附连接的高性能波阻抗梯度材料、多孔材料和背板，其中第一层的高性能波阻抗梯度材料由两种或多种材料组分以波阻抗由高到低的顺序排列，外表面作为受撞击面具有最高的波阻抗，充分破碎空间碎片，后续的低阻抗部分改变冲击波传输路径和时间，充分分散和耗散碎片动能；第二层的多孔材料具有蜂窝或泡沫的多孔结构，能够进一步吸收碎片动能；第三层的背板为合金背板，主要起固定作用，同时再次耗散碎片动能。
其中，高性能波阻抗梯度材料包括钛合金、铝合金或镁合金等合金材料。
其中，所述高性能波阻抗梯度材料通过轧制或粉末冶金方法制备。
进一步地，所述高性能波阻抗梯度材料通过表面强化处理的方式对其表面进行处理。
其中，所述表面强化方式包括微弧氧化或表面喷丸，提升防护屏迎风面的硬度和强度。
其中，多孔材料为铝蜂窝板、泡沫铝、泡沫镁和/或聚氨酯泡沫。
其中，所述背板为铝合金或镁合金的轻质合金背板。
进一步地，所述高性能波阻抗梯度材料、多孔材料和背板的厚度范围分别为0.5-2.0mm，1.5-5.0mm和0.2-0.5mm。
进一步地，以限定防护屏面密度为约束条件，保证防护结构的重量不增加。
其中，所述防护结构的面密度与1mm厚铝合金相等。
本发明的防护结构，集成了高性能波阻抗梯度材料、多孔材料和背板，将其置于舱壁前一定距离，可代替典型的铝合金Whipple结构的防护屏。本发明的防护结构，具有轻质化、集成度高、占用空间小、使用灵活等特点，能够高效耗散和分散空间碎片动能，在不增加重量和占用空间的前提下大幅提升了航天器抵御空间碎片的能力。所提出的防护结构，保证了表面平面性，减小了防护屏与舱壁之间的间距，释放了更多的可使用空间,
附图说明
图1为本发明的动能高效耗散空间碎片防护结构结构示意图。
其中，1、高性能波阻抗梯度材料层；2、多孔材料层；3、背板； 4、舱壁。
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。
本发明动能高效耗散空间碎片防护结构，如图1所示，由防护屏、间距S 和舱壁4组成，其关键在于动能高效耗散防护屏。该动能高效耗散防护屏由高性能波阻抗梯度材料1、多孔材料2和背板3组成，以限定防护屏面密度为约束条件，对高性能波阻抗梯度材料、多孔材料和背板的厚度进行优化设计，在提升防护性能的同时保持结构轻质化。
第一层为高性能波阻抗梯度材料，该材料由两种或多种材料组分以波阻抗由高到低的顺序排列。受撞击面具有最高的波阻抗，达到充分破碎空间碎片的效果，后续低阻抗部分改变冲击波传输路径和时间，增加冲击波的内能转化，分散和耗散空间碎片初始动能。此外，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。该反射稀疏波能够使空间碎片进一步破碎和分散。在材料组分选择时，应避免其它空间环境效应的影响，如原子氧、空间辐照等，采用常用航天金属材料，如：钛合金、铝合金、镁合金等。通过轧制或粉末冶金等方法制备波阻抗梯度材料。可通过表面强化处理的方式，如微弧氧化、表面喷丸等，提升防护屏迎风面的硬度和强度，或生成陶瓷、非晶合金等，增加破碎空间碎片的能力。
第二层为多孔材料，该材料由蜂窝或泡沫等多孔结构组成，材料可为铝蜂窝板、泡沫铝、泡沫镁、聚氨酯泡沫等。该类疏松多孔材料能够起到缓冲的作用，再次改变冲击波传输路径，增加传输时间，提升空间碎片的破碎程度。同时，由于多孔材料发生大规模塑性形变，堆积大量的热量使材料发生熔融甚至气化，将动能转化为内能，达到耗散动能的效果。可采用焊接或者粘附的方式将其与第一层波阻抗梯度材料低阻抗面结合在一起。
第三层为背板，起到固定作用，使防护屏在被撞击后保持较高的完整度。也可起到再次阻挡空间碎片提升防护性能的作用。可采用铝合金或镁合金等轻质合金作为背板。采用焊接或者粘附的方式将其与第二层多孔材料结合，形成一体化防护屏结构。
形成防护屏后，将其置于舱壁(或需要防护的元器件、管路、子***等重要部位)前一定间距，间距可根据实际工程应用情况，针对不同航天器，不同部位进行优化调整。
实施例：
防护结构组成：
第一层：0.3mm厚的TC4钛合金，0.2mm厚的6061铝合金组成的波阻抗梯度材料；
第二层：1.7mm PR-6710聚氨酯泡沫；
第三层：0.2mm厚的6061铝合金。
其中第一层采用轧制复合法将TC4钛合金(4.17g/cm3)和6061铝合金(2.69 g/cm3)制成波阻抗梯度材料，用双组份环氧树脂胶粘剂将第二层聚氨酯泡沫粘附在波阻抗梯度材料低阻抗面上，再用双组份环氧树脂胶粘剂将第三层铝合金粘附在聚氨酯泡沫上，最终形成一种动能高效耗散防护屏。
所制备的防护屏的面密度与1mm厚铝合金相等，防护屏与舱壁间距为100 mm。经过验证，该结构与传统铝合金Whipple结构相比，在3.5-6.5km/s防护性能大幅度提升。
波阻抗梯度材料轧制制备工艺及参数：
将板材切割成100mm×100mm的规格，对复合的表面进行钢刷打磨，然后将 0.3mm厚TC4钛合金(4.17g/cm3)和0.2mm厚6061铝合金(2.69g/cm3)进行堆叠，四角进行铆接，然后放入加热炉进行加热。
(1)表面处理：钛合金和铝合金表面的氧化膜对于轧制复合是不利的，因此需要在轧制复合前去除其表面的氧化膜。本实施例采用机械打磨的方式去除表面氧化膜，然后用酒精等对表面进行冲洗。
(2)铆接：在轧制复合过程中，由于钛和铝的力学性能(变形抗力、塑性和延伸率)不同，以及在热轧过程中可能使表面再次氧化。因此需要对板材进行铆接，一个目的是对两种板材进行固定，使其轧制过程容易咬入，防止轧制过程中轧件错位；另一个目的是防止处理后的表面再次氧化。
(3)加热：加热的目的是减小变形抗力，提高复合板的结合性能。在本实施例中采用的温度是420℃-460℃，加热时间为15-30min。
(4)热轧复合：将铆接好的钛/铝板材试样加热并保温一定时间后取出，送入轧辊辊缝进行轧制，使其产生一定的压下量。热轧过程中二辊轧机的参数为：轧辊
轧制速度0.2-0.6m/s；最大轧制力100t。
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.动能高效耗散防护屏，包括依次焊接或者粘附连接的平面性高性能波阻抗梯度材料、多孔材料和背板，其中第一层的高性能波阻抗梯度材料由两种或多种材料组分通过轧制复合制成且波阻抗由高到低的顺序排列，外表面作为受撞击面具有最高的波阻抗，充分破碎空间碎片，后续的低阻抗部分改变冲击波传输路径和时间，充分分散和耗散碎片动能；第二层的多孔材料具有蜂窝或泡沫的多孔结构，能够进一步吸收碎片动能；第三层的背板为合金背板，主要起固定作用，同时再次耗散碎片动能，高性能波阻抗梯度材料组分包括钛合金、铝合金或镁合金；其中，以限定防护屏面密度为约束条件，保证防护结构的重量不增加，其中，所述防护结构的面密度与1mm厚铝合金相等。
2.如权利要求1所述的动能高效耗散防护屏，其中，所述高性能波阻抗梯度材料通过表面强化处理的方式对其表面进行处理。
3.如权利要求2所述的动能高效耗散防护屏，其中，所述表面强化方式包括微弧氧化或表面喷丸，提升防护屏迎风面的硬度和强度。
4.如权利要求1-3任一项所述的动能高效耗散防护屏，其中，多孔材料为铝蜂窝板、泡沫铝、泡沫镁或聚氨酯泡沫。
5.如权利要求1所述的动能高效耗散防护屏，其中，所述背板为铝合金或镁合金的轻质合金背板。
6.如权利要求1-3任一项所述的动能高效耗散防护屏，其中，所述高性能波阻抗梯度材料、多孔材料和背板的厚度范围分别为0.5-2.0mm，1.5-5.0 mm和0.2-0.5mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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