中国空气动力研究与发展中心的空间碎片超高速撞击试验研究进展

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1、工程技术载人航天2011年第6期中国空气动力研究与发展中心的空间碎片超高速撞击试验研究进展柳森黄洁李毅周智炫马兆侠兰胜威陈鸿陈萍(中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所)摘要介绍空间碎片超高速碰撞试验方面的研究进展，主要包括：试验能力、在航天器部件和防护结构方面的超高速碰撞试验等。在试验能力方面，发展了8序列激光阴影照相技术，为瞬态撞击过程监测提供了有效手段；在超高速碰撞试验研究方面，开展了温度对Whipple防护屏弹道极限的影响研究、铝合金板的超高速撞击碎片云特性研究，以及舷窗玻璃、压力容器、舱外航天服、模拟电子设备等的超高速

2、碰撞试验，获得了相关试验件的撞击特性。关键词超高速碰撞碎片云舷窗玻璃航天服分类号V524．3文献标识码A文章编号1674—5825(2011)06—0017—071引言2超高速碰撞设备简介我国气动研究与发展中心自由飞弹道靶实验室自由飞弹道靶实验室拥有四座弹道靶设备，分在过去几十年的发展中，建成了国内最大的超高速别是200m自由飞弹道靶，超高速碰撞靶A、B、c。其弹道靶设备群。配备的二级轻气炮口径分别为中，碰撞靶A，B，c配备的二级轻气炮口径分别为7．6mm、16mm、25mm、37mm和50mm，最高发射速7．6mm，25mm和16mm

3、；自由飞弹道靶靶室长200m，度可达8．6km／s，发展了配备齐全的各类瞬态测试设直径1．5m，发射器口径分为37mm和50mm两种。图备。随着近年来空间碎片，微流星体对航天器的威胁1给出了该实验室的二级轻气炮发射能力，其中，碰越来越大，实验室利用超高速碰撞靶设备开展了空撞靶C(16mm口径)的最高发射速度可达8．6km／s。间碎片的超高速撞击研究。其中，Whipple屏弹道极开展的大部分空间碎片撞击试验都在碰撞靶A(图限参数研究，超高速碰撞下的光辐射和电磁辐射测量，辐射器、烧蚀防热材料、空间站防护构型等典型航天器部件的超高速撞击特性试

4、验研究工作已在2008年的第59届国际宇航联大会上发表_11，蜂窝板、压力容器的超高速撞击试验等在2009年第五届欧洲空间碎片会议上发表[2．3]。本文主要介绍实验室在2008年底和2009年完成的部分超高速碰撞研究工作，包括温度对Whipple防护屏弹道极限的影响研究，铝合金板的超高速撞击碎片云特性研究，飞船舷窗玻璃、舱外航天服和模拟电子设备的撞击特性研图1二级轻气炮发射能力究等。来稿日期：2011-05—10；修回日期：2011-08—04。作者简介：柳森(1967．11一)，男，博士，研究员，主要从事超高速碰撞动力学、超高速空气动

5、力学研究工作。17载人航天2011年第6期工程技术图2超高速碰撞靶A图4温度对弹道极限曲线的影响典型的趟蛸■_蹦雌剥落⋯1■■■■一一一—■■■■A12024-T3铝合金后墙失效模式A一2叠穿透图3超高速碰撞靶CL、鼓包—J(未失效)典型的2A122)和碰撞靶C(3)上进行l11。铝合金后墙剥落弹道靶配备了瞬时测量设备，包括阴影iS影系损伤模式(失效)统、激光测速系统、光辐射测量系统等。固(穿失透效)3温度对Whipp1e屏弹道极限的影响研究『4，51图5不I司铝合金后墙的失效模式对比试验中采用石英加热器加热，可将靶材加热至150~C；

6、采用液氮制冷方法，可将靶材降温至一ll0℃。的A12024一T3铝合金后墙失效模式中，材料即使是防护屏和弹丸材料为铝。Whipple防护屏结构由发生了剥落或穿透，后墙背面也没有产生明显的鼓缓冲墙，后墙和验证板组成，问距100mm。缓冲墙、后包；而2A12材料主要有三种损伤模式，在撞击还未墙和验证板尺寸皆为180mmx180mmx2mm。弹丸直使后墙失效时已经产生了较明显的鼓包，只有当撞径d=3．00mm～5．25Inn，撞击速度V=4．0km／s～6．0km／s，击强度不断增大，鼓包发展到一定程度时才会在鼓撞击角度0=0。。通过试验发现

7、：与室温下的试验结果包顶端出现剥落与穿透，最后导致后墙失效。由此推相比，l50时Whipple防护屏的临界弹丸直径以下断，2A12在强冲击载荷下的断裂韧性要可能要高于降了3．7％，而一110时Whipple防护屏的临界弹丸AL2024一T3。直径增大了7．49％(见图4)。该试验结果与文献6的4铝合金板的超高速撞击碎片云特性研究[8-111试验结果基本一致。『欠14还给了考虑温度软化效应后利用Chris—用实验室发展的8序列激光阴影照相系统，开tiansen方程『1计算得到的弹道极限曲线。从图中可展了铝合金板的超高速撞击碎片云特性研究。

8、图6以看}fJ，试验得到2A12Whipple防护屏的弹道极为典型的铝板在超高速撞击下的碎片云8序列激光限参数均大于Christiansen方程的预测值，初步分阴影照片。试验参数为：撞击速度V=5．03km