空间碎片撞击气瓶穿孔孔径预测公式研究

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1、第28卷第1期航天器环境工程20I1，I2JSPA(1F(’RAFTENVIRONMENTENGINEERING1空间碎片撞击气瓶穿孔孔径预测公式研究周广东，贾光辉，泉浩芳(北京航空航天大学宇航学院，北京100191)摘要：星上压力容器中储存有高压气体或液体，在受到空间碎片和微流星体超高速撞击时可能发生灾难性事故。文章采用均>--j实验设计方法对星上常用高压气瓶的超高速撞击仿真方案进行了试验设计，并通过LS．DYNA仿真软件对其进行了超高速撞击数值仿真，获取了不同参数的弹丸撞击气瓶时气瓶器壁穿孔孔径．通过对器壁穿孔孔径的数据拟合，建立了无防护情况下气瓶器壁的穿孔孔径预测

2、公式．与试验结果对比表明，建立的穿孔孔径预测公式具有一定的预测精度。关键词：超高速撞击；空间碎片；均>--j实验设计；压力气瓶；穿孔孔径中图分类号：V520；V528文献标识码：A文章编号：1673-1379(2011)01—0011-04DoI：10．3969巧．issn．1673．1379．2011．01．002O引言航天器上各种压力容器储存了液体和高压气体，其受到微流星体或空间碎片的撞击会带来十分严重的后果。因此研究确定压力容器失效同撞击条件的关系是很有必要的。压力容器被空间碎片击穿后的损伤模式十分复杂，器壁上通常会出现多个弹坑或穿孔，且可能伴随裂纹出现。压力容器

3、的失效模式可分为“穿孔失效”、“花瓣形裂纹穿孔失效”与“灾难性失效”3类，其中“花瓣形裂纹穿孔失效”的严重程度介于“穿孔失效”与“灾难性失效”之间⋯。造成气瓶破坏失效的影响因素很多，如果通过试验来确定气瓶失效与撞击条件的关系，则需要进行大量的超高速撞击试验。而对星上气瓶这种昂贵的部件进行超高速撞击试验所需的费用是非常高的。而数值仿真方法成本低，是研究气瓶超高速撞击现象的重要辅助手段。本文主要研究卫星高压气瓶的穿孔失效模式情形。用均匀实验设计方法对数值仿真方案进行设计，对星上高压气瓶开展了超高速数值仿真研究，获得了不同撞击参数下气瓶器壁的损伤孔径。采用MatLab拟合软件

4、工具对仿真获取的损伤孔径进行了数据拟合，确定了气瓶器壁的穿孔孔径预测公式。该公式描述了气瓶器壁穿孔孔径与弹丸直径、弹丸撞击速度和撞击角度的关系。研究成果可为航天器遭遇空间碎片撞击的风险评估及制定相应的防护措施提供依据。l高压气瓶超高速撞击数值仿真方案设计气瓶器壁的超高速撞击特性是由撞击参数和材料性能综合决定的，包括弹丸材料性能、弹丸直径、撞击速度、撞击角度、气瓶厚度、气瓶材料性能等。文献【2】认为：由于在弹丸与气瓶的超高速撞击过程中由撞击所产生的冲击压力超过气瓶器壁材料强度几个量级，而由内压载荷引起的器壁应力远远低于其材料强度，且弹丸直径又远小于气瓶直径，因此可忽略容器

5、内压载荷及其曲率的影响。文献[2】通过对试验数据的拟合建立了在弹丸正撞击速度为6．5Irjn／'$、无防护情况下气瓶器壁的穿孔孔径预测公式为辱：2．52×【1．47—0．97(-笔-6-)+0．39(-竽)2】×口“J3{l—exp[一1．16(寻一1)】)。(1)Z式(1)没有考虑弹丸撞击速度和撞击角度对穿孔孔径的影响，只适用于6．5km／s的正撞击情况。在文献【3】所建立的穿孔孔径经验公式的基本形式上，本文建立了穿孔孔径一般表达式为收稿日期：2010．08．06：修回日期：2010．12．23作者简介：周广东(1984_一)，男，硕士研究生，专业方向为飞行器设计；联

6、系电话：(010)82313324．贾光辉(1966_一)。男，博士后，副教授，主要研究方向为飞行器设计与防护．12航天器环境T程第28卷等=彳(专^(c。s矿×”exp[-。(芳-1)】}’(2)式中：Dn表示气瓶器避最大穿孔孔径：砟表示弹丸直径；彳、B、C、D为4个拟合系数；口表示弹丸撞击角度(弹丸入射方向与靶板法线的夹角)；％表示弹丸撞击速度；cb表示器壁声速；db表示器壁的极限穿透直径，可表示为【4】瓯=t咋cosOi，(3)式中：BH表示靶板材料布氏硬度：佛表示弹丸密度；J9b表示靶板(对应器壁)密度：，表示靶板厚度。对于本文的研究对象高压气瓶来说，t、BH、

7、G、佛、Pb皆为常量。弹丸材料为2A12铝合金，密度2．78g／cm3。气瓶材料为TC4钛合金，厚度为4．6mml21。钛合金材料声速Cb=5．13km／s，密度为4．4199／cm3，BH为335。式(2)中讳为速度％和口的函数，则式(2)就是一个只有3个独立自变量(磊、口和％)的函数。为了拟合的需要，除了式(2)的3个独立自变量外，同时还要考虑4个拟合系数，为此需要较多的仿真试验点。3个自变量的取值范围确定如下：1)弹丸直径为3～16mm；2)弹丸速度为6～13km／s·3)弹丸入射角度为00～480，每隔2。确定一个仿真试验点。针对