[發明專利]適用于空間碎片防護結構的高性能材料優選方法

有效

• 申請號: 202010004519.2
• 申請日: 2020-01-03
• 公開（公告）號: CN111152941B
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 武強;宋光明;李明;龔自正;張品亮;曹燕;田東波
• 申請（專利權）人: 北京衛星環境工程研究所
• 主分類號: B64G1/52
• 分類號: B64G1/52;B64G1/22;G16C60/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種適用于空間碎片防護結構的高性能材料優選方法，包括以下步驟：a.選擇防護材料，并查表得到該材料的雨果尼奧及熱動力學參數，b.根據沖擊壓力準則、內能轉化準則、最小厚度準則、動能吸收準則對防護材料進行篩選，得到優選材料。本發明中，通過深入分析超高速撞擊作用下防護材料的防護機理，綜合考慮防護材料力學和熱動力力學特性，將防護材料的沖擊壓力、內能轉化、最小厚度、動能吸收特性作為優選準則，結合能夠定量表征防護材料波阻抗特性和熱力學特性的性能系數模型，獲得了適用于空間碎片防護結構的高性能材料優選方法，不僅可以實現對多種防護材料的優選，有效降低材料選擇花費的試驗成本，還可以為新型高性能防護材料的設計與制備提供理論指導。

技術領域

本發明涉及空間碎片防護技術領域，尤其涉及一種適用于空間碎片防護結構的高性能材料優選方法。

背景技術

防護屏概念最早由美國天體物理學家Whipple首先提出，放置于航天器艙壁外側并與艙壁保持一定間距。防護屏、后墻和一定的間距組成了航天器空間碎片防護結構的基本構型—Whipple防護結構。航天器通過在艙壁外側添加防護屏，可以使入射的碎片與防護屏超高速碰撞并發生破碎、熔化甚至氣化形成二次碎片云，最大限度減小和分散入射碎片的動能，顯著減小作用于航天器艙壁的碰撞能流密度，緩解后靶板的損傷破壞效應。研究表明，同等防護能力下，whipple防護結構質量只是單層板結構質量的20％，也就是說可以節省80％是質量。為提高航天器在惡劣空間碎片環境中的生存能力，自上世紀80年代以來，NASA、ESA、JAXA等基于傳統Whipple防護結構進行了大量的超高速撞擊實驗研究，研制出多種高性能防護結構，主要包括多層沖擊防護結構、網格雙層防護屏防護結構、填充式防護結構、柔性可展開防護結構、泡沫材料防護結構、蜂窩夾層板防護結構等。材料的選擇主要有高強度鋁合金板、鋁網、泡沫鋁、蜂窩板、Kevlar纖維布、Nextel陶瓷布等。我國航天器空間碎片防護研究工作起步較晚，且國外一直對我國嚴格禁運高性能防護材料，面對空間碎片防護工程需求日趨強烈的現狀，國內多家開展了高性能防護材料的研制工作，但無論是空間碎片防護材料的工程化應用還是防護能力同國外都有很大差距。

空間碎片防護結構的防護性能不僅取決于防護結構，也很大程度上取決于防護材料的物理、化學、力學特性，甚至材料幾何構型也密切相關，優異的單一性能不能滿足最優要求，如何準確評價防護材料的防護特性，實現高性能防護材料的優選，對于我國高性能防護材料探索設計以及空間碎片防護結構的性能提升具有重要意義。

發明內容

本發明的目的在于：為了解決空間碎片防護結構的防護性能不僅取決于防護結構，也很大程度上取決于防護材料的物理、化學、力學特性的問題，而提出的一種適用于空間碎片防護結構的高性能材料優選方法。

為了實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：

一種適用于空間碎片防護結構的高性能材料優選方法，包括以下步驟：a.選擇防護材料，并查表得到該材料的雨果尼奧及熱動力學參數，b.根據沖擊壓力準則和內能轉化準則對防護材料進行初步篩選，c.通過性能系數模型對防護材料進一步優選，d.根據最小厚度準則對防護屏材料進行篩選，得到優選防護屏材料，e.根據動能吸收準則對填充層材料進行篩選，得到優選填充層材料，f.對優選的防護屏材料和填充層材料進行試驗驗證。

作為上述技術方案的進一步描述：

所述b步驟中的沖擊壓力準則計算公式為：

對于彈丸：

P₁＝ρ₁U_s1μ_p1

對于靶板：

P₂＝ρ₂U_s2μ_p2

彈丸與靶板對應的狀態方程分別為：