CN109131947A - 一种超高速撞击防护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高速撞击防护装置及方法，其中防护装置包括防护结构和高压电源，高压电源的一个供电端通过电缆与防护结构的前板连接，高压电源的另一个供电端通过电缆与防护结构的后墙连接；防护方法在监测到来袭物体后，同时启动高压电源，以使来袭物体撞击前板形成的碎片云在运动到接近所述后墙时，与后墙之间产生电流放电形成电弧，对碎片云造成破坏。本发明在现有防护结构的基础上，增加了高压电源给防护结构施加高电压，能够降低碎片云对后墙的撞击损伤。

Description

一种超高速撞击防护装置及方法

技术领域

本发明涉及航天器防护技术领域，尤其涉及一种超高速撞击防护装置及方法。

背景技术

Whipple结构是航天器超高速撞击防护中使用的基本结构，一般包括两层具有一定间距的铝板，其中第一层铝板称为前板或缓冲屏，第二层铝板称为后墙，相当于舱壁。其基本防护原理是，利用前板与来袭物体的撞击使来袭物体充分破碎，形成碎片云；碎片云继续向前运动，其携带的动能在飞越两层铝板间距的过程中得到充分扩散，释放，然后后墙再对扩散后的碎片云进行阻挡，Whipple结构能够阻止或减弱太空来袭物体对航天器造成的损坏。

目前，在Whipple结构基础上发展了多种防护结构，它们基本是通过改善防护材料性能来提升防护能力，如采用密度梯度薄板、优选填充层及采用填充式泡沫铝防护结构，这些防护结构的防护效果受限于材料的强度、韧性、密度等性能。通常通过增加材料的厚度或填充层数来提高防护能力，但增加材料厚度或填充层数会影响防护结构的质量，并导致目标载荷成本的增加。

因此，针对以上不足，需要提供一种新思路的撞击防护结构，使其尤其适用于对小尺寸(厘米级以下)物体的超高速(速度不低于3km/s)撞击防护等场合，如航天器防护空间碎片撞击场合等。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有超高速撞击的防护结构通过增加材料的厚度或填充层数来提高防护性能，会影响防护结构整体的质量，并导致成本增加的缺陷，提供一种超高速撞击防护装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超高速撞击防护装置，包括：防护结构和高压电源，

高压电源的一个供电端通过电缆与防护结构的前板连接，高压电源的另一个供电端通过电缆与防护结构的后墙连接。

在根据本发明所述的超高速撞击防护装置中，还包括电源启动装置，用于检测来袭物体出现的信号，以同时启动高压电源。

在根据本发明所述的超高速撞击防护装置中，所述防护结构包括Whipple结构。

在根据本发明所述的超高速撞击防护装置中，所述防护结构包括多层铝板结构。

在根据本发明所述的超高速撞击防护装置中，所述防护结构包括填充式Whipple结构。

在根据本发明所述的超高速撞击防护装置中，所述前板与后墙的距离为80mm到120mm。

在根据本发明所述的超高速撞击防护装置中，所述前板与后墙的距离为100mm。

在根据本发明所述的超高速撞击防护装置中，所述高压电源为高压储能电容；

所述高压储能电容的电容量C通过以下公式确定：

C＝2E/U²，

其中，E表示预设的电容储能，单位为J；U表示电容储能电压，单位为V；

当来袭物体产生的碎片云被电弧放电熔解时，电容储能E为熔化能量E_λ：

E_λ＝mCΔT+mλ，

其中m表示碎片云质量；C表示来袭物体的比热容，ΔT表示来袭物体当前温度与溶解温度之差，λ为来袭物体的溶解热；

或者当来袭物体产生的碎片云被电弧放电蒸发时，电容储能E为蒸发能量E_h：

E_h＝mCΔT+mλ+mh,

其中，h为来袭物体的蒸发热。

本发明还提供了一种超高速撞击防护方法，基于上述任一项所述的超高速撞击防护装置实现，所述防护方法包括，

在监测到来袭物体后，同时启动高压电源，以使来袭物体撞击前板形成的碎片云在运动到接近所述后墙时，与后墙之间产生电流放电形成电弧，对碎片云造成破坏。

在根据本发明所述的超高速撞击防护方法中，所述前板与后墙的距离为80mm到120mm。

实施本发明的超高速撞击防护装置及防护方法，具有以下有益效果：本发明在现有防护结构的基础上，增加了高压电源给防护结构施加高电压，当防护结构的前板被来袭物体超高速撞击后，产生大量微小碎片组成的碎片云，当碎片云运动到接近防护结构后墙时，在碎片云与后墙之间会产生大电流放电，大电流放电产生的电弧通过对碎片进行烧蚀、熔融及气化等作用，对碎片云结构形态造成进一步地破坏，减小了撞击到后墙上的碎片云数量和撞击能量，从而降低了碎片云对后墙的撞击损伤，提升了防护性能，实现了保护航天器的目的。

本发明突破了现有方法中通过改变材料的材质来改善防护结构防护能力的限制，利用强电流减弱超高速撞击损伤，支撑了新型超高速撞击防护技术的发展。

附图说明

图1为根据本发明的超高速撞击防护装置的示例性示意图；

图2为根据本发明的超高速撞击防护装置释放强电流的示例性示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一、结合图1所示，本发明的第一方面，提供了一种超高速撞击防护装置，包括：

防护结构和高压电源3，高压电源3的一个供电端通过电缆4与防护结构的前板1连接，高压电源3的另一个供电端通过电缆4与防护结构的后墙2连接。

本实施方式中的防护结构可以是现有航天器防护中使用的防护结构，这类防护结构通常包括两层铝板，其中一层铝板作为前板，另一层铝板作为后墙。前板作为对抗来袭物体的第一道屏障，二者相撞击后形成碎片云，再继续向后墙移动，由于前板和后墙分别连接高压电源3的一个供电端，因此，前板1与来袭物体共同形成的碎片云在靠近后墙2时，会产生电击穿而产生强电流放电形成电弧，破坏碎片云。这种在现有防护结构基础上，通过强电流放电来减弱撞击，保护航天器的方式，防护性能几乎不受防护结构材料强度、韧性等性能的限制。

进一步地，为了保障装置使用的安全性，所述防护装置在空闲状态时高压电源3与防护结构可以呈断开状态，即高压电源3可以处于关闭状态。因此，可以设置电源启动装置，用于检测来袭物体出现的信号，例如通过红外信号进行判断，以在检测到来袭物体出现的信号时，同时启动高压电源，使来袭物体与前板撞击前，即时接通高压电源，使碎片云与后墙之间能形成电流放电而产生电弧。

作为示例，所述防护结构可以是Whipple结构。

作为示例，所述防护结构可以是多层铝板结构。

作为示例，所述防护结构可以是填充式Whipple结构。

上述三种防护结构是现有典型防护结构的示例，其两层铝板之间均可加载高电压。结合图1所示，其防护结构为典型防护超高速撞击的Whipple结构，通过高压电源3对其进行高电压加载设计。在Whipple结构的第一层铝板和第二层铝板之间，用高压电缆4与高压电源3进行连接，即达到了在防护结构中加载高电压的目的。

对于Whipple结构，电弧施加在前板和后墙之间，可以对绝大部分碎片云产生破坏作用，但要求前板和后墙保持一定的距离(如不低于50mnm)，以保证在无碎片云的情况下不发生电弧击穿；

对于多层铝板结构，电弧施加在最后两层板之间，同样要求这两层板之间有一定的距离(如不低于50mnm)，以保证在无碎片云的情况下不发生电弧击穿；

对于填充式Whipple结构，电弧施加在前板和后墙之间，主要对穿过填充层的碎片产生破坏作用，但由于目前采用的填充层一般为非导电材料，因此前板和后墙之间的距离适当缩短也不会在无碎片云的情况下产生电弧放电。

上述三种类型的防护结构，理论上能够对大部分碎片云(特别是处于碎片云中心区域的、动能较大的、对后墙撞击造成的损伤最严重的部分碎片)产生电弧烧蚀破坏，从而降低甚至消除碎片云对后墙撞击造成损伤。

作为示例，所述前板与后墙的距离可以为80mm到120mm。

前板与后墙的距离通常优选为100mm，也可以采用80mm或120mm不等。基于前板与后墙在无碎片云的情况下不发生电击穿考虑，在无绝缘层填充的情况下建议不小于50mm，在有绝缘层填充的情况下还可以根据绝缘效果进一步缩短。距离过小的弊端在于两层板之间绝缘度不够，使两层板之间未形成碎片云时也产生电弧放电的风险增加；距离过大则会使碎片云过度扩散，碎片相互之间距离拉大，难以形成电弧连锁放电作用。另外距离过大还将造成防护结构体积过大，这对于航天设备而言会造成成本的显著增加。因此，前板与后墙的距离最多可以在50mm-120mm之间选择。

进一步地，所述高压电源可以为高压储能电容。

对于所述高压储能电容，其参数设计主要由存储能量需求决定，同时要求具有较高耐压能力，以满足产生电弧放电的目的。例如当要求电容储能不低于5000J，电压耐压不低于10kV时,根据电容储能公式：

E＝CU²/2

其中，E表示电容储能，单位为J；C表示电容量，单位为F；U表示电容储能电压，单位为V。

可计算出电容量应不低于0.1mF。

当来袭物体产生的碎片云被电弧放电熔解时，电容储能E为熔化能量E_λ：

E_λ＝mCΔT+mλ，

其中m表示碎片云质量；C表示来袭物体的比热容，ΔT表示来袭物体当前温度与溶解温度之差，λ为来袭物体的溶解热；

或者当来袭物体产生的碎片云被电弧放电蒸发时，电容储能E为蒸发能量E_h：

E_h＝mCΔT+mλ+mh，

其中，h为来袭物体的蒸发热。

高压电源的参数选取与来袭物体材料、质量，防护结构的材料、厚度，以及电弧放电作用效率等相关。在不考虑电弧放电作用效率的情况下，可采用上述熔化能量或蒸发能量的公式对电容储能E进行估算，也就是说，实际使用中，计算获得的熔化能量Eλ或蒸发能量Eh可以为近似值：

E_λ≈mCΔT+mλ，

E_h≈mCΔT+mλ+mh。

熔化能量E_λ表示利用电弧放电熔化全部碎片云所需的能量，蒸发能量E_h表示表示利用电弧放电蒸发全部碎片云所需的能量。如果来袭物体及防护结构的材质都为铝，则ΔT约为630C⁰；C约为0.88×10³J/(kg·℃)；λ约为3.98×10⁵J/kg；h约为1.05×10⁷J/kg。举例说明，如来袭物体为直径5mm的铝球、撞击厚度为1mm的铝板，根据撞击产生的碎片云总质量(铝球质量和铝板被击穿产生的质量)，以及铝的比热容、铝的熔解热和铝的蒸发热，根据上式可估算出熔化全部碎片云所需能量约为190J，蒸发能量约为2290J。

电压值的选取与前板与后墙间距、产生碎片云的分布情况、甚至真空环境等相关，关联因素比较多，选择的自由度比较大。根据实验证明，电压选择范围一般为5kV-15kV。如果电压太高对高压电源、防护结构的绝缘成本要求过高，过低则不利于电弧放电。

具体实施方式二、本发明的另一方面还提供了一种超高速撞击防护方法，基于所述的超高速撞击防护装置实现，所述防护方法包括，

在监测到来袭物体后，瞬时启动高压电源，以使来袭物体撞击前板形成的碎片云在运动到接近所述后墙时，与后墙之间产生大电流放电形成电弧，对碎片云造成破坏。

所述防护结构通过高压电源3供电释放强电流的示意如图2所示，超高速飞行的来袭物体与前板1撞击产生碎片云5，碎片云5继续向前运动，在达到后板前的某一适当位置，与后板2之间能自动产生高压电弧放电形成强电流6，再通过大电流对碎片云的反作用来减弱甚至消除碎片云撞击后墙的损伤。从理论上讲，在作用能量较小，低于全体碎片云气化能量时，电流仅能对部分碎片云造成烧蚀、熔融等影响；若作用能量足够高，超过全体碎片云气化能量，将对全部碎片云造成气化，这种情况，就对航天器充分实现了防撞击防护。

本文所述的高压电源，通常指供电电压不低于10kV的电源。

作为示例，所述前板与后墙的距离可以为80mm到120mm。

前板与后墙的距离通常优选为100mm，也可以采用80mm或120mm不等。基于前板与后墙在无碎片云的情况下不发生电击穿考虑，在无绝缘层填充的情况下建议不小于50mm，在有绝缘层填充的情况下还可以根据绝缘效果进一步缩短。距离过小的弊端在于两层板之间绝缘度不够，使两层板之间未形成碎片云时也产生电弧放电的风险增加；距离过大则会使碎片云过度扩散，碎片相互之间距离拉大，难以形成电弧连锁放电作用。另外距离过大还将造成防护结构体积过大，这对于航天设备而言会造成成本的显著增加。因此，前板与后墙的距离最多可以在50mm-120mm之间选择。

对所述防护装置的防撞击损伤效果评价：

一般情况下，碎片云与防护结构后墙撞击，会对后墙造成无鼓包、鼓包、穿孔甚至撕裂等不同模式的损伤，不同模式的损伤结果代表了防护结构不同的防护效果，防护效果由高到低的一般判别标准为无鼓包>鼓包>穿孔>撕裂；在相同损伤模式下，防护效果的判别标准为损伤尺寸越大，防护性能越低。利用这种判别标准，对现有的防护结构与本发明具有强电流作用的防护装置进行对照，通过碎片云对后墙的损伤情况，可以对防护效果进行评价。

综上所述，本发明适用于小尺寸(厘米级以下)物体超高速撞击(速度不低于3km/s)防护等场合，如航天器防护空间碎片撞击的场合等。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种超高速撞击防护装置，其特征在于包括：

防护结构和高压电源，

高压电源的一个供电端通过电缆与防护结构的前板连接，高压电源的另一个供电端通过电缆与防护结构的后墙连接。

2.根据权利要求1所述的超高速撞击防护装置，其特征在于还包括：

电源启动装置，用于检测来袭物体出现的信号，以同时启动高压电源。

3.根据权利要求1或2所述的超高速撞击防护装置，其特征在于：

所述防护结构包括Whipple结构。

4.根据权利要求1或2所述的超高速撞击防护装置，其特征在于：

所述防护结构包括多层铝板结构。

5.根据权利要求1或2所述的超高速撞击防护装置，其特征在于：

所述防护结构包括填充式Whipple结构。

6.根据权利要求1或2所述的超高速撞击防护装置，其特征在于：

所述前板与后墙的距离为80mm到120mm。

7.根据权利要求1或2所述的超高速撞击防护装置，其特征在于：

所述前板与后墙的距离为100mm。

8.根据权利要求1或2所述的超高速撞击防护装置，其特征在于：

所述高压电源为高压储能电容；

所述高压储能电容的电容量C通过以下公式确定：

C＝2E/U²，

其中，E表示预设的电容储能，单位为J；U表示电容储能电压，单位为V；

当来袭物体产生的碎片云被电弧放电熔解时，电容储能E为熔化能量E_λ：

E_λ＝mCΔT+mλ，

其中m表示碎片云质量；C表示来袭物体的比热容，ΔT表示来袭物体当前温度与溶解温度之差，λ为来袭物体的溶解热；

或者当来袭物体产生的碎片云被电弧放电蒸发时，电容储能E为蒸发能量E_h：

E_h＝mCΔT+mλ+mh，

其中，h为来袭物体的蒸发热。

9.一种超高速撞击防护方法，其特征在于：基于权利要求1至8中任一项所述的超高速撞击防护装置实现，所述防护方法包括，

在监测到来袭物体后，同时启动高压电源，以使来袭物体撞击前板形成的碎片云在运动到接近所述后墙时，与后墙之间产生电流放电形成电弧，对碎片云造成破坏。

10.根据权利要求9所述的超高速撞击防护方法，其特征在于：

所述前板与后墙的距离为80mm到120mm。