● 摘要
空间碎片环境的日益恶化，威胁在轨航天器的安全运行。卫星的碎片防护能力可以由其表面的Nextel/Kevlar填充式防护结构来提供，而目前对于Nextel/Kevlar填充式防护结构的超高速撞击特性和防护性能的研究还不能完全满足工程实际的需要，为此本文利用计算机数值仿真的方法对这一问题进行了探讨，旨在为航天器Nextel/Kevlar填充式防护结构的碎片防护性能评估和结构设计提供一定的参考依据。计算机数值仿真方法的适用性是超高速撞击仿真研究的基础，通过与物理试验数据的比较，确定了将SPH算法作为本文采用的数值仿真方法，并结合根据撞击速度选择状态方程和强度模型的方法，研究了Nextel/Kevlar填充式防护结构的超高速撞击特性。材料参数的准确性是影响数值仿真精度的关键因素之一，针对航天器Nextel/Kevlar填充式防护结构，本文利用数值仿真方法，以物理试验数据为基准，对AL1100、AL6061和AL2024三种金属材料的材料模型参数进行了修正，并且使用相同的研究方法给出了填充材料Nextel的材料模型以及修正了另一种填充材料Kevlar的材料模型，最终结合ESA的填充式防护结构的弹道极限曲线的试验数据，验证了本文的数值仿真能够很好地描述填充式防护结构超高速撞击的碎片防护性能，即是通过本文的数值仿真策略基本获得了一套可以用来研究Nextel/Kevlar填充式防护结构超高速撞击碎片防护性能的数值仿真方法，这对于指导防护结构的设计是有一定意义的。弹道极限方程是超高速研究的一个重要内容，本文结合试验设计和数据拟合方法，在弹道极限方程综合建模技术的基础之上，结合前述的数值仿真策略，确定了具有较高精度的Nextel/Kevlar填充式防护结构数值仿真技术，并且完全通过数值仿真获得了其弹道极限方程，该方程预测ESA国际空间站的Nextel/Kevlar填充式防护结构的弹道极限时，最大的相对误差不超过10%，比综合建模弹道极限方程的预测精度略有提高。另外，对于网状防护结构，本文提出了三种建模方法，即是雕刻方法、伪编织方法和编织方法，通过建模与数值仿真可以得出：在处理大碎片超高速撞击网状防护结构的问题时，大碎片质量、碎片云动能以及剖切面处碎片云粒子动能的仿真方面没有明显的差异，而在单元数目、仿真所需时间方面的差异就比较大；但是，在碎片直径与网状防护结构的编织尺寸比较接近的条件下，碎片质心的撞击位置为网状防护结构的网眼中心时，碎片云的形状呈现为前细后粗的倒蘑菇型，碎片质心的撞击位置为网状防护结构的交叉结点时，碎片云的形状呈现为前端略微凹陷的扁平型，碎片质心的撞击位置为网状防护结构的网丝边线时，碎片云的形状呈现为马鞍形，均表明碎片质心的撞击位置不同，从而造成碎片云团的形状、碎片云动能均不相同，这就要求在处理小碎片的情况时，不能够忽略模型几何结构差异对防护效果的影响；结合NASA的空间碎片防护手册所提供的网状防护结构的结构尺寸，本文针对其进行了防护性能的数值仿真研究，并且定量的给出了网状防护结构防护性能与碎片直径、碎片速度、网丝直径和网状防护结构面密度这四个设计变量之间的关系函数，对于指导航天器防护结构设计中的网状防护结构的设计具有一定的参考意义。