● 摘要
空间碎片环境日益恶化，既威胁到航天器舱壁的蜂窝夹层板结构，也可能对星载设备造成损伤导致其失效（失效的形式并不局限于传统意义上的穿透状态），而目前国内外对航天器结构损伤特别是星载设备的撞击损伤研究才刚起步，尚不能满足工程需要。为此本文利用数值仿真方法对这一问题进行探讨，旨在为航天器结构/设备的损伤评价技术研究提供一定的参考依据。通过调研结构的损伤类型，并结合航天器舱壁及星载设备的结构特性，提出以穿透作为蜂窝板舱壁结构的损伤准则，以穿透、剥落、层裂作为设备结构的损伤准则。损伤模式的研究和准则的确定为本文损伤评价研究奠定了基础。特定损伤模式下的极限方程是开展损伤评价的核心内容。本文根据撞击特点确定了蜂窝板及MLI包覆蜂窝板（简称为包覆蜂窝板）结构的极限穿透方程形式及相关的待定系数；根据设备的失效情况，在星载设备的极限方程中引入待定损伤因子，得到本文用于设备损伤评价的待定极限损伤方程。本文采用SPH算法及SPH-FEM混合算法进行数值仿真。通过设计仿真试验研究了蜂窝板和包覆蜂窝板结构的极限穿透情况，得到用于评价蜂窝板穿透的极限方程的关键参数。同时，通过仿真研究了星载设备的三种极限损伤（穿透、剥落、层裂）情况，获得用于评价设备不同损伤情况的极限损伤方程。在极限方程的基础上，对比了包覆/未包覆MLI的蜂窝板的极限穿透情况，并研究了蜂窝板面板厚度、撞击角度等对蜂窝板极限穿透的影响。在撞击速度为3km/s处包覆材料对极限穿透直径的提升幅度最大；撞击角度越大，极限穿透直径的变化越快。同时，基于星载设备极限方程编写了用于快速评价设备损伤的软件，通过研究结构、材料参数的对损伤的影响来探讨减损的方法。本文中，改变设备面板厚度减损效果最好。进一步，利用数值仿真研究了撞击角度对蜂窝板损伤的影响，主要研究了碎片云运动，蜂窝芯子和后板损伤情况。发现蜂窝芯子具有阻挡碎片云扩散，并聚拢碎片粒子的“通道效应”，撞击角度的增大使“单通道效应”向“多通道效应”转变，蜂窝后面板的损伤状态由穿孔逐渐转变为塑性变形。