● 摘要
随着航天活动的开展，空间碎片环境严重地威胁着在轨航天器的安全运行。对于大于10 cm的空间碎片，可以采取规避的办法进行主动防护；对于为数众多的微小空间碎片，需要建立在工程模式的基础上进行风险评估，采取设置防护屏的方法进行防护。本课题所研究的充气式防护结构是一种能够提高运载效率且满足大型空间飞行器长期在轨性能的新型防护结构。本文的主要研究内容如下：1. 概述了目前国内外的主要空间碎片环境模型。通过分析其建模的优缺点，确定了适合本课题的空间碎片模型，并给出了空间碎片环境参数计算公式。2. 通过对超高速撞击特性进行分析，详细考察了薄板穿孔、碎片云特性、中厚板成坑及双层板的撞击特性，对薄板穿孔特性进行数值模拟，总结了一些穿孔和成坑公式。3. 进行充气式防护结构的设计分析及其材料的选择。推导出了防护层厚度、承力层厚度的几何公式，并确定了层间距几何约束。4. 系统地研究了Nextel/Kevlar纤维材料的损伤机理和抗弹性能。结合包含损伤和应变率效应的材料动态本构方程，建立了纤维材料板弹道极限速度的预测公式。5. 对空间碎片超高速撞击充气式防护结构进行数值模拟，分别采用拉格朗日方法、欧拉方法和SPH方法对单层Nextel防护结构碰撞过程进行模拟，从模拟结果分析各种方法的优缺点，并从中选择出最适合本课题的模拟方法对双层和三层Nextel/Kevlar防护结构碰撞过程进行模拟，从而证明所建防护结构模型的有效性。关键词：空间碎片，防护结构，结构设计，超高速撞击
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