低温下Whipple防护结构超高速撞击效应研究

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1、航天器环境工程第28卷第4期318SPACECRAFTENVIRONMENTENGINFERING2011年8月低温下Whipple防护结构超高速撞击效应研究杨继运，徐坤博，简亚彬，曹燕，李宇，龚自正，赵晶晶(北京卫星环境工程研究所可靠性与环境工程技术重点实验室，北京100094)摘要：文章研究了低温下空间碎片对典型Whipple防护结构的超高速撞击效应。首先在二级轻气炮设备上研制出使用液氮可将撞击靶冷却至．150℃且满足低温超高速撞击试验要求的低温装置。利用该装置开展了低温条件下的超高速撞击试验，对低温和室温两种条件下的试验结果进行了比对，并分别对缓冲屏

2、穿孔特性、碎片云特性和后墙损伤特性之间的差异进行了分析。文章最后给出低温下典型Whipple防护结构的弹道极限曲线。关键词：空间碎片；防护结构；超高速撞击；低温效应中图分类号：V416．5文献标识码：A文章编号：1673—1379(2011)04—0318-05DoI：10．3969，j．issn．1673—1379．2011．04．003O概述由于热辐射等原因，航天器在轨飞行至地球阴影区时，其表面温度会急剧降低，甚至到100K的低温。在低温下，航天器表面材料和用于空间碎片防护的结构材料与空间碎片发生撞击时它们的超高速撞击特性将有别于室温状态。Schaef

3、er等人【1】使用二级轻气炮设备研究了Whipple防护结构性能与温度的关系，评价弹道极限方程在低温或高温环境下的适用性，研究发现随着温度降低，防护结构性能有较少的增强；而随着温度升高，防护性能略有降低。Francesconi等人12J研究了低温下缓冲层穿孔大小以及碎片云形状差异。Wells[3-41使用等离子体驱动设备对Kapton膜进行了低温环境下撞击试验，发现Kapton膜内产生应力，从而导致表面产生损伤。具体特征是产生了带有唇边的撞击孔，在撞击孔周围表面有放射状的溅出物，但没有出现分层现象。另外，Tanaka等人【51研究了低温下碳钢和铝合金材料6

4、—81的超高速撞击现象，通过SEM分析发现：碳钢材料在．170℃环境下脆性虽有增强，但撞击失效断裂模式仍表现为韧性断裂，撞击坑形状和尺寸与温度有关：不同铝合金材料对于撞击坑深和尺寸没有太大的影响，但对撞击速度和材料的初始温度有比较大的影响。Ohtani等人例以铝合金靶板为研究对象，研究了室温和低温下超高速撞击碎片云的变化，发现铝合金靶板撞击损伤程度在低温环境下有所降低。Numata等人【lol首次开展了对碳纤维增强塑料(CFRP)的低温效应研究，在1．4km／s的低速撞击下，CFRP板的损伤方式与温度有较大关系，而在高速撞击情况下，CFRP板穿孔周围的损伤

5、与温度没有太大的关系。Higashikubo等人【ll】通过低温下钢材的撞击层裂研究，并与室温下的撞击结果【12】比较，发现低温下钢材的层裂强度增大。典型Whipple防护结构由于结构形式简掣13】，便于比较不同温度下的超高速撞击特性，国内曾开展了该结构的初步研究[141。本文选用典型Whipple防护结构作为研究对象，通过超高速撞击试验来比较低温和室温下其防护性能差异。1典型Whipple防护结构超高速撞击试验典型Whipple防护结构超高速撞击试验是在北京卫星环境工程研究的二级轻气炮上进行。其中，低温试验所需装置的热沉采用面积为360mmx360m／n

6、的铜板，其厚度为14mm，在板的中心部位开有直径为60i／ira的通孔。1．1试验样品低温试验样品采用典型Whipple防护结构，缓冲层和后墙所选用材料和尺寸见表l。收稿日期：2011-04．14；修回日期：2011-06．20基金项目：国防科工局空间碎片专题研究项目(编号：KJSP06210)作者简介：杨继运(1975一)，男，博士学位，现主要从事空间碎片防护设计试验验证工作。E．mail：yangiiyun@126．corn．材料板厚／mm边长／mm间距／mm缓冲层A12A121300100后墙33001．2试验方案在低温下共进行了12次超高速撞击试验

7、，其中，在一136．5～．98℃范围有11次；在一63．5℃有1次。作为比对，在室温(20℃)下进行了8次试验。全部20次试验均选用球型弹丸，材料为A12A12，撞击角度为0。，试验结果如表2所不。表2不同温度下Whipple防护结构超高速撞击试验结果Table2ResultsofhypervelocityimpacttestsfortheWhippleshieldstructureatdifferenttemperatures弹丸直径撞击速度缓冲屏试验温度后墙试验温度试验编号后墙是否穿透dp／mmV／(krn·S’1)形℃列℃CT-123．522．80．

8、96

9、2．102_3是CT．023．984．68．96．1．136