题目：航天器充气式多层防护结构研究

摘 要充气式多层防护结构具有重量轻、柔性可折叠、在轨道运行时可展开的良好特性，是提高航天器运载效率的一种有效方法。对航天器充气式多层防护结构遭碎片撞击后的侵彻过程进行仿真模拟研究可以降低试验研究的成本，节约时间，具有重要的实际意义。本文具体的研究内容如下：1. 充气式多层防护结构所使用的材料的比较和选择。2. 在超高速撞击模拟过程中，结构变形的特点决定了所适用的算法。本文对各向同性的铝弹丸采用了适于大变形的无网格SPH算法，对各向异性的复合材料Kevlar和Nextel采用了传统的Lagrange算法，将以上两种算法加以耦合用来模拟金属弹丸超高速撞击由复合材料组成的充气式多层防护结构的全过程。3. 在充气式多层防护结构所选取的Kevlar和Nextel的总层数为2~4层，总厚度均为0.9cm，总间距为15cm的情况下，通过对总层数、各层厚度、材料排列顺序、各层之间间距的不同组合，得到了多种防护结构形式。对以5个不同半径的铝弹丸超高速垂直撞击以上结构的过程进行数值模拟，得到弹丸的极限速度，绘制出各个防护结构的弹道极限曲线，利用数值模拟的结果可用来分析侵彻过程和比较防护效果的好坏。4. 本文还对在倾角θ=30°和θ=45°时的二层充气式防护结构在5个不同半径铝弹丸超高速斜撞击过程进行了数值模拟，得到了弹丸极限速度，绘制了弹道极限曲线，分析了不同倾角时超高速斜撞击的侵彻过程。尤其是对斜撞击和垂直撞击的特点进行了比较和分析。通过比较得到：在充气式多层防护结构的Kevlar材料和Nextel材料的总厚度均为0.9cm和总间距为15cm情况下，二层、三层、四层防护结构在垂直撞击和二层防护结构斜撞击时的防护性能的一些规律。该数值仿真的方法和结果可以为航天器充气式多层防护结构的层数、各层厚度、材料排列顺序、各层之间间距的选择提供参考。