[发明专利]动能高效耗散防护屏

说明书

本发明公开了一种动能高效耗散防护屏，包括依次焊接或者粘附连接的高性能波阻抗梯度材料、多孔材料和背板，其中高性能波阻抗梯度材料由两种或多种材料组分以波阻抗由高到低的顺序排列；第二层的多孔材料具有蜂窝或泡沫的多孔结构，能够进一步吸收碎片动能；第三层的背板为合金背板，主要起固定作用，同时再次耗散碎片动能。本发明的防护结构，具有轻质化、集成度高、占用空间小、使用灵活等特点，能够高效耗散和分散空间碎片动能，在不增加重量和占用空间的前提下大幅提升了航天器抵御空间碎片的能力。

技术领域

本发明涉及空间碎片防护技术领域，尤其是涉及一种动能高效耗散空间碎片防护结构。

背景技术

空间碎片撞击产生的极高压力超过航天器材料屈服强度的数十到数百倍，会穿透航天器表面，破坏内部的器件和系统，造成航天器功能严重损伤，甚至导致航天器彻底解体/爆炸失效。上世纪四十年代，天体物理学家F.L.Whipple 提出在航天器外部一定间隔处放置一层金属薄板来破碎弹丸，消耗弹丸动能，将入射弹丸的点载荷变为面载荷，从而减小航天器所受的微流星体撞击损伤，该结构被称为Whipple防护结构。国际上通用的空间碎片防护结构都是在 Whipple防护结构的基础上发展演变而来的，包括：单防护屏增强型防护结构、多层冲击防护结构和填充式Whipple防护结构等。

材料特性对防护结构防护能力有很大的影响。对于航天器防护材料的选择，要求其能够有效破碎来袭的空间碎片，更多的传递、耗散其撞击能量，以达到抵御撞击并对航天器进行有效防护的目的。与国外相比，国内由于受先进防护材料制备能力的限制，在航天器防护方面具有较大差距。一些防护屏通过牺牲表面平整性，通过表面异型化处理来提升空间碎片的破碎能力【CN102514737A、 CN102490912A】，或者采用两层或多层防护屏设计【CN102514737A、 CN105109709A、CN103466104A】，来抵御空间碎片撞击，使结构变得复杂，并且占用了大量航天器上宝贵的空间资源。

由于航天材料工程应用的苛刻要求，发展一种具有密度低、结构简单、体积小、应用灵活等特点的动能高效耗散防护结构具有重要意义。

发明内容

针对空间碎片环境的严峻形势和航天器碎片防护的迫切需求，本发明提出了一种具有动能高效耗散特性的新型空间碎片防护结构，提升了航天器的安全性和可靠性。

本发明以限定防护屏面密度为约束条件，保证防护结构的轻质化，采用一体化平面单一防护屏结构，减小了其与舱壁之间的间距，释放了更多的可使用空间。

本发明采用了如下的技术方案加以实现：

动能高效耗散防护屏，包括依次焊接或者粘附连接的高性能波阻抗梯度材料、多孔材料和背板，其中第一层的高性能波阻抗梯度材料由两种或多种材料组分以波阻抗由高到低的顺序排列，外表面作为受撞击面具有最高的波阻抗，充分破碎空间碎片，后续的低阻抗部分改变冲击波传输路径和时间，充分分散和耗散碎片动能；第二层的多孔材料具有蜂窝或泡沫的多孔结构，能够进一步吸收碎片动能；第三层的背板为合金背板，主要起固定作用，同时再次耗散碎片动能。

其中，高性能波阻抗梯度材料包括钛合金、铝合金或镁合金等合金材料。

其中，所述高性能波阻抗梯度材料通过轧制或粉末冶金方法制备。

进一步地，所述高性能波阻抗梯度材料通过表面强化处理的方式对其表面进行处理。

其中，所述表面强化方式包括微弧氧化或表面喷丸，提升防护屏迎风面的硬度和强度。

其中，多孔材料为铝蜂窝板、泡沫铝、泡沫镁和/或聚氨酯泡沫。

其中，所述背板为铝合金或镁合金的轻质合金背板。

进一步地，所述高性能波阻抗梯度材料、多孔材料和背板的厚度范围分别为0.5-2.0mm，1.5-5.0mm和0.2-0.5mm。