[发明专利]基于弹丸碎片云速度和质量分布的缓冲板防护评估方法

说明书

本发明涉及一种基于弹丸碎片云速度和质量分布的缓冲板防护评估方法，属于撞击防护评估技术领域，解决了现有缓冲板评估方法未考虑冲击波空间分布不能对缓冲板的防护效果进行准确评估的问题。方法包括：根据弹丸超高速正撞击缓冲板的碰撞速度、弹丸半径以及材料初始声速，得到弹丸上任一碰撞接触点形成冲击波的初始冲击波波速；基于初始冲击波波速、弹丸直径、缓冲板厚度以及材料初始声速，得到冲击波衰减时的冲击波马赫数和冲击波波速，进而得到弹丸边缘物质飞散速度；基于弹丸边缘物质飞散速度，计算弹丸形成的碎片云剥落区的速度，基于缓冲板厚度、弹丸半径、材料初始声速和碰撞速度，计算弹丸发生层裂的质量分布，进而评估缓冲板防护效果。

技术领域

本发明涉及撞击防护评估技术领域，尤其涉及一种基于弹丸碎片云速度和质量分布的缓冲板防护评估方法。

背景技术

随着人类对太空的不断探索，人类在宇宙产生的太空垃圾愈来愈多，使得空间环境日益恶劣，相比于微流星体，轨道碎片严重地威胁着在轨航天器的正常运行。目前，大多防护结构基于Whipple结构进行改进，其基本思想是在航天器外舱壁前一定距离处放置一层薄板作为缓冲板，当空间碎片超高速撞击缓冲板时，与缓冲板一起破碎形成碎片云。碎片云在缓冲板后的空间中得到充分的膨胀，从而碎片云碰撞舱壁是面积较大的分布载荷，显著减少了对航天器的损伤。将缓冲板防护结构应用到实际中时，需要对缓冲板的防护效果进行评估，从而确定缓冲板是否满足防护要求。

目前，在对缓冲板进行防护效果评估时，通常是通过多次球形弹丸超高速正撞击缓冲板试验，测试成本较高，且受外界因素干扰较大。在理论研究中，基于球形弹丸超高速正撞击缓冲板分析碎片云形成过程中的冲击波传播和相互作用，得到碎片云的运动规律，进而根据碎片云的运动规律特征得到缓冲板的防护效果。但是，目前碎片云的形成过程分析主要基于生成的冲击波为一维冲击波，未考虑冲击波的空间分布，不能够准确的描述冲击波完整的传播过程和对碎片云的影响，进而不能对缓冲板的防护效果进行准确评估。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于弹丸碎片云速度和质量分布的缓冲板防护评估方法，用以解决现有缓冲板评估方法未考虑冲击波的空间分布不能对缓冲板的防护效果进行准确评估的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种基于弹丸碎片云速度和质量分布的缓冲板防护评估方法，所述方法包括：

根据弹丸超高速正撞击缓冲板的碰撞速度、弹丸半径以及材料初始声速，得到所述弹丸上任一碰撞接触点形成冲击波的初始冲击波波速；

基于所述初始冲击波波速、弹丸直径、缓冲板厚度以及材料初始声速，得到冲击波衰减时的冲击波马赫数和冲击波波速，进而得到弹丸边缘物质飞散速度；

基于弹丸边缘物质飞散速度，计算弹丸形成的碎片云剥落区的速度；基于缓冲板厚度、弹丸半径、材料初始声速和碰撞速度，计算弹丸发生层裂的质量分布；

根据所述碎片云剥落区的速度与发生层裂的质量分布，评估缓冲板的防护效果。

进一步地，

根据所述碎片云剥落区的速度与发生层裂的质量分布，评估缓冲板的防护效果，具体为：

所述弹丸形成的碎片云剥落区的速度分布包括碎片云外轮廓速度和轮廓内速度；

碎片云剥落区外轮廓速度和轮廓内速度数值越大，弹丸和缓冲板材料破碎越充分，缓冲板防护效果越好；

弹丸发生层裂的质量分布越大，碎片云中质量密集部分占比越小，缓冲板防护效果越好。

进一步地，所述碎片云外轮廓速度包括平移速度u_c和膨胀速度u_e，通过下式表示：

式中，u_fz和u_fr分别为弹丸边缘物质飞散速度的z轴分量和r轴分量；