CN111152941A - 适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，包括以下步骤：a.选择防护材料，并查表得到该材料的雨果尼奥及热动力学参数，b.根据冲击压力准则、内能转化准则、最小厚度准则、动能吸收准则对防护材料进行筛选，得到优选材料。本发明中，通过深入分析超高速撞击作用下防护材料的防护机理，综合考虑防护材料力学和热动力力学特性，将防护材料的冲击压力、内能转化、最小厚度、动能吸收特性作为优选准则，结合能够定量表征防护材料波阻抗特性和热力学特性的性能系数模型，获得了适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，不仅可以实现对多种防护材料的优选，有效降低材料选择花费的试验成本，还可以为新型高性能防护材料的设计与制备提供理论指导。

Description

适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法

技术领域

本发明涉及空间碎片防护技术领域，尤其涉及一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法。

背景技术

防护屏概念最早由美国天体物理学家Whipple首先提出，放置于航天器舱壁外侧并与舱壁保持一定间距。防护屏、后墙和一定的间距组成了航天器空间碎片防护结构的基本构型—Whipple防护结构。航天器通过在舱壁外侧添加防护屏，可以使入射的碎片与防护屏超高速碰撞并发生破碎、熔化甚至气化形成二次碎片云，最大限度减小和分散入射碎片的动能，显著减小作用于航天器舱壁的碰撞能流密度，缓解后靶板的损伤破坏效应。研究表明，同等防护能力下，whipple防护结构质量只是单层板结构质量的20％，也就是说可以节省80％是质量。为提高航天器在恶劣空间碎片环境中的生存能力，自上世纪80年代以来，NASA、ESA、JAXA等基于传统Whipple防护结构进行了大量的超高速撞击实验研究，研制出多种高性能防护结构，主要包括多层冲击防护结构、网格双层防护屏防护结构、填充式防护结构、柔性可展开防护结构、泡沫材料防护结构、蜂窝夹层板防护结构等。材料的选择主要有高强度铝合金板、铝网、泡沫铝、蜂窝板、Kevlar纤维布、Nextel陶瓷布等。我国航天器空间碎片防护研究工作起步较晚，且国外一直对我国严格禁运高性能防护材料，面对空间碎片防护工程需求日趋强烈的现状，国内多家开展了高性能防护材料的研制工作，但无论是空间碎片防护材料的工程化应用还是防护能力同国外都有很大差距。

空间碎片防护结构的防护性能不仅取决于防护结构，也很大程度上取决于防护材料的物理、化学、力学特性，甚至材料几何构型也密切相关，优异的单一性能不能满足最优要求，如何准确评价防护材料的防护特性，实现高性能防护材料的优选，对于我国高性能防护材料探索设计以及空间碎片防护结构的性能提升具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决空间碎片防护结构的防护性能不仅取决于防护结构，也很大程度上取决于防护材料的物理、化学、力学特性的问题，而提出的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，包括以下步骤：a.选择防护材料，并查表得到该材料的雨果尼奥及热动力学参数，b.根据冲击压力准则和内能转化准则对防护材料进行初步筛选，c.通过性能系数模型对防护材料进一步优选，d.根据最小厚度准则对防护屏材料进行筛选，得到优选防护屏材料，e.根据动能吸收准则对填充层材料进行筛选，得到优选填充层材料，f.对优选的防护屏材料和填充层材料进行试验验证。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述b步骤中的冲击压力准则计算公式为：

对于弹丸：

P₁＝ρ₁U_s1μ_p1

对于靶板：

P₂＝ρ₂U_s2μ_p2

弹丸与靶板对应的状态方程分别为：

U_s1＝C₁+S₁μ_p1

U_s2＝C₂+S₂μ_p2

结合界面连续条件可得：

P₁＝ρ₁(C₁+S₁μ_p1)μ_p1＝ρ₁C₁μ_p1+S₁μ_p1 ²

P₂＝ρ₂(C₂+S₂μ_p2)μ_p2＝ρ₂C₂μ_p2+S₁μ_p2 ²。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述b步骤中的内能转化准则为：

由Hugoniot关系可得冲击压缩过程中材料产生的内能为：

e_H＝P_H(v₀-v_H)/2

材料在等熵卸载到零压后释放的比内能：

材料初始熔化所需的比内能：

作为上述技术方案的进一步描述：

所述c步骤中的性能系数模型为：

作为上述技术方案的进一步描述：

所述d步骤中的最小厚度准则计算公式为：

T_op＝T_ot+T_t+T_p

其中：

联立的以上关系式可得：

作为上述技术方案的进一步描述：

所述e步骤中的动能吸收准则计算公式为：

w＝0.5σ_Tε_T＝0.5σ_T ²/E。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明中，通过深入分析超高速撞击作用下防护材料的防护机理，综合考虑防护材料力学和热动力力学特性，将防护材料的冲击压力、内能转化、最小厚度、动能吸收特性作为优选准则，结合能够定量表征防护材料波阻抗特性和热力学特性的性能系数模型，获得了适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，不仅可以实现对多种防护材料的优选，有效降低材料选择花费的试验成本，还可以为新型高性能防护材料的设计与制备提供理论指导。

附图说明

图1为本发明提出的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法的优选流程结构示意图；

图2为本发明提出的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法的冲击压力阻抗匹配法结构示意图；

图3为本发明提出的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法的冲击压力随材料密度的变化结构示意图；

图4为本发明提出的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法的防护材料初始熔化速度随熔化热变化结构示意图；

图5为本发明提出的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法的最优面密度随材料密度的变化结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-5，一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，包括以下步骤：a.选择防护材料，并查表得到该材料的雨果尼奥及热动力学参数，b.根据冲击压力准则和内能转化准则对防护材料进行初步筛选，c.通过性能系数模型对防护材料进一步优选，d.根据最小厚度准则对防护屏材料进行筛选，得到优选防护屏材料，e.根据动能吸收准则对填充层材料进行筛选，得到优选填充层材料，f.对优选的防护屏材料和填充层材料进行试验验证；

冲击压力准则：冲击压力取决于撞击速度、入射弹丸和靶板的密度以及冲击压缩因数等参数，它在很大程度上决定了入射弹丸碰撞后的残余内能、温度和物态，冲击压力越高，入射弹丸残余内能越大，温度就越高，物态越倾向于气态，研究表明，与液态粒子和气态粒子相比，固体粒子对后墙的威胁最大，因此缓冲屏材料的选择应以能够在入射弹丸内产生更高冲击压力为原则；

内能转化准则：弹丸、防护屏超高速撞击下熔化、气化比例是评价防护屏材料防护性能的重要指标，所以防护屏的选择应该以撞击过程中内能转换比例尽可能大为原则；

性能系数准则：碎片云组成材料的相变效应可有效降低其损伤能力，因此，为了使防护屏材料更容易发生熔化、气化，防护屏材料应该较低的熔化温度、熔化热、气化温度、气化热，由冲击压力模型与内能转化模型可知，防护屏熔化、气化特性与材料自身波阻抗特性也密切相关，如何综合考虑防护屏材料热动力学特性与波阻抗特性成为防护材料优选的关键。

最小厚度准则：超高速撞击下防护屏材料冲击峰值压力、内能转化均对其防护性能具有重要影响，但防护屏厚度对防护结构整体防护性能也至关重要，防护屏厚度过小，来自防护屏的稀疏波就会使冲击波在到达弹丸背表面之前发生追赶卸载，从而导致弹丸无法充分发生破碎、熔化气化，增大对后墙的侵彻能力；防护屏厚度过大又会降低防护屏中的平均冲击压力，导致防护屏破碎不充分产生大尺寸碎片，两种情况均会降低防护屏材料的防护效能，所以存在最优防护屏厚度，最优的防护屏厚度既能保证自身破碎与相变效应，也能使弹丸冲击波有足够时间覆盖整个弹丸。

动能吸收准则：对于填充层防护材料，不仅要求有更高的冲击压力、比内能转化，从而使碎片云进一步发生破碎、熔化、气化，还应最大限度吸收碎片云动能，并阻挡残余碎片，这就要求填充层材料具高强度、高模量、低密度的特点，即更高的比强度、比模量。

与实施例1不同的是

实施例2

请参阅图2和图3，b步骤中的冲击压力准则是基于一维冲击波理论，忽略弹靶撞击前的初始压力，利用动量守恒方程，计算弹丸和靶板中压力，计算公式为：

对于弹丸：

P₁＝ρ₁U_s1μ_p1

对于靶板：

P₂＝ρ₂U_s2μ_p2

弹丸与靶板对应的状态方程分别为：

U_s1＝C₁+S₁μ_p1

U_s2＝C₂+S₂μ_p2

结合界面连续条件可得：

P₁＝ρ₁(C₁+S₁μ_p1)μ_p1＝ρ₁C₁μ_p1+S₁μ_p1 ²

P₂＝ρ₂(C₂+S₂μ_p2)μ_p2＝ρ₂C₂μ_p2+S₁μ_p2 ²。

根据已知材料状态方程参数，利用阻抗匹配法计算材料冲击压力，参考所示为铝弹丸以7km/s速度撞击不同防护材料的冲击压力随材料密度的变化关系，可见高密度材料可产生更高的冲击压力，选取能够使铝合金弹丸初始熔化的材料，也就是冲击压力大于65GPa。

与实施例1不同的是

实施例3

请参阅图4，由击波加热理论可知，材料的熔化或气化与否是由经击波压缩并经等熵卸载后保留在材料中的剩余比内能决定的，超高速撞击产生的强冲击波在传播过程中会导致弹靶材料产生不可逆熵增，熵增过程可认为绝热的，而在稀疏波作用下的卸载过程是等熵的，材料经过两个过程作用后熵增加，即材料的内能增大，将冲击加载过程中内能的增加量减去卸载过程中所释放的能量即为材料中剩余的内能，当材料剩余比内能大于熔化比内能时，材料发生熔化，当剩余比内能大于气化比内能时，材料则发生气化，由Hugoniot关系可得冲击压缩过程中材料产生的内能为：

e_H＝P_H(v₀-v_H)/2

材料在等熵卸载到零压后释放的比内能：

材料初始熔化所需的比内能：

式中，v_H、v_C分别为材料冲击波加载与卸载后的比容，T_m为材料熔点，C_P为材料零压下的比热。

当弹靶材料相同时，防护材料初始熔化速度随熔化热变化关系参考图4所示，初始熔化速度以类似幂函数的形式随熔化热增大而增大。

与实施例1不同的是

实施例4

由冲击压力模型可知与防护材料性能材料波阻抗特性密切相关，由内能转化模型可知，防护材料熔化、气化特性与材料热力学参数也密切相关，为了能够综合考虑材料波阻抗特性和热力学特性，定量描述材料冲击下的相变性能，采用如下性能系数(FOM)模型，c步骤中的性能系数模型为：

其中ρ’＝ρ_AL/ρ，ρ_AL为铝合金密度，ρ为对比材料密度；

H_m＝H_f(AL)/H_f，H_f(AL)为铝合金熔化热，H_f为对比材料熔化热；

T_m＝T_f(AL)/T_f，T_f(AL)为铝合金熔化温度，T_f为对比材料熔化温度；

H_V＝H_V(AL)/H_V，H_V(AL)为铝合金气化热，H_V为对比材料气化热；

T_V＝T_V(AL)/T_V，T_V(AL)为铝合金气化温度，T_V为对比材料气化温度；

R＝[C/C_AL]^0.67[H/H_AL]^0.25[ρ/P_AL]^0.5，C为对比材料弹性波速，C_AL为铝合金弹性波速，H为对比材料布氏硬度，H_AL为铝合金布氏硬度。

热力学参数的数值越小，材料就越容易熔化或汽化，形成碎片的威胁就越小，因此，缓冲屏材料的选择应以高FOM值为原则，由表可见，与铝相比，镁、锡、镉、铅的防护性能较好，而钨和钽的防护性能较差，这与试验结果一致。

表1部分金属材料性能系数

材料	性能系数	材料	性能系数
				镁合金	2.4	钛	0.56
锡	1.99	钢	0.46
				铅	1.90	铜	0.42
镉	1.86	镍	0.42
				铝合金	1.25	钨	0.17
锑	0.87	钽	0.15

与实施例1不同的是

实施例5

请参阅图5，定义稀疏波恰好在弹丸背表面与冲击波相遇时对应的防护屏厚度为最小防护屏厚度，此时冲击波在弹丸中的传播时间T_op恰好与防护屏中冲击波传播时间T_ot、稀疏波传输时间T_t以及背表面稀疏波在弹丸中传输时间T_p相等，d步骤中的最小厚度准则计算公式为：

T_op＝T_ot+T_t+T_p

其中：

联立的以上关系式可得：

求出上式后，利用弹丸长度L_p获得稀疏波无法追赶弹丸中冲击波时对应的最小防护屏厚度。

取铝合金弹丸质量为1g，利用最小厚度模型获得7km/s速度下撞击不同防护屏材料对应的最小厚度，获得最小厚度条件下防护屏对应的最优面密度。不同防护材料最优面密度随材料密度的变化关系参考图5所示，可知材料最优面密度随密度的增大而增大，也就是说防护屏材料密度越大，需要的最优防护屏面密度也就越大，防护结构对应的总体质量也就越大，在优先保证弹丸破碎、熔化、气化条件下，最优面密度越小越好，所以虽然镉、铅有较好的冲击压力特性、熔化气化特性，但由于最优面密度较大也不适用与防护材料。

与实施例1不同的是

实施例6

假设填充层材料应力-应变关系线性变化，材料断裂失效对的应变能为可吸收的最大动能，d步骤中的动能吸收准则计算公式为：

w＝0.5σ_Tε_T＝0.5σ_T ²/E

其中w为单位体积材料应变能,σ_T为材料拉伸强度，E为材料弹性模量。

表2给出了对几种高强纤维材料及高强铝合金的评估结果，对比可知高强纤维材料比金属材料具有更强的动能吸收能力，可优先作为填充层材料。

表2填充层材料对动能的吸收能力

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.选择防护材料，并查表得到该材料的雨果尼奥及热动力学参数；

b.根据冲击压力准则和内能转化准则对防护材料进行初步筛选；

c.通过性能系数模型对防护材料进一步优选；

d.根据最小厚度准则对防护屏材料进行筛选，得到优选防护屏材料；

e.根据动能吸收准则对填充层材料进行筛选，得到优选填充层材料；

f.对优选的防护屏材料和填充层材料进行试验验证。

2.根据权利要求1所述的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，其特征在于，所述b步骤中的冲击压力准则计算公式为：

对于弹丸：

P₁＝ρ₁U_s1μ_p1

对于靶板：

P₂＝ρ₂U_s2μ_p2

弹丸与靶板对应的状态方程分别为：

U_s1＝C₁+S₁μ_p1

U_s2＝C₂+S₂μ_p2

结合界面连续条件可得：

P₁＝ρ₁(C₁+S₁μ_p1)μ_p1＝ρ₁C₁μ_p1+S₁μ_p1 ²

P₂＝ρ₂(C₂+S₂μ_p2)μ_p2＝ρ₂C₂μ_p2+S₁μ_p2 ²。

3.根据权利要求1所述的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，其特征在于，所述b步骤中的内能转化准则为：

由Hugoniot关系可得冲击压缩过程中材料产生的内能为：

e_H＝P_H(v₀-v_H)/2

材料在等熵卸载到零压后释放的比内能：

材料初始熔化所需的比内能：

4.根据权利要求1所述的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，其特征在于，所述c步骤中的性能系数模型为

5.根据权利要求1所述的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，其特征在于，所述d步骤中的最小厚度准则计算公式为：

T_op＝T_ot+T_t+T_p

其中：

联立的以上关系式可得：

6.根据权利要求1所述的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，其特征在于，所述e步骤中的动能吸收准则计算公式为：

w＝0.5σ_Tε_T＝0.5σ_T ²/E。

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