● 摘要
空间碎片主要指的是地球轨道上废弃的人造物体，空间碎片或微流星分布在人类空间活动较为频繁的空间区域内，对航天器的碰撞危害影响很大。本文首先介绍了几种典型的航天器防护结构。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材料采用了适用于大变形的无网格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航天器防护结构的全过程。其次，建立空间碎片超高速撞击航天器双层防护结构模型, 对于材料分别是铝和复合材料的双层防护墙结构进行了球形弹丸的撞击, 采用非线性有限元方法中的光滑粒子流体动力算法, 获得了弹丸穿过防护墙后, 碎裂形成碎片云及其对第二层防护墙的损伤效应。计算结果表明在同种结构尺寸和同种撞击条件下，复合材料的多层防护墙结构更能有效地缓减高速空间碎片对航天器的破坏作用。本文还对多层Nextel/ Kevlar防护结构的超高速撞击进行了数值模拟与仿真，计算结果表明，多层防护结构能够更好地破碎弹丸，从而提高防护能力。该数值仿真的方法和结果可以为航天器多层防护结构的参数选择提供参考。