[发明专利]确定高性能波阻抗梯度空间碎片防护材料结构的方法

摘要

本发明公开了一种确定高性能波阻抗梯度空间碎片防护材料的方法，该方法根据空间碎片的防护要求，确定防护目标的尺寸和防护结构的主要参数，再确定波阻抗梯度防护材料的材料组分以及组成波阻抗梯度防护材料的层数，根据选用的材料组分按照阻抗由高到低的顺序排列，首层材料具有高密度高阻抗的特点，后续材料组分阻抗逐层递减，组成波阻抗梯度防护屏；接着确定各层材料组份的厚度而完成。本发明与传统铝合金防护结构相比防护性能提升20％以上，极大的提升了航天器在空间碎片环境中的生存能力，在工程应用中具有广阔的应用前景。

主权项

确定高性能波阻抗梯度空间碎片防护材料的方法，包括如下步骤：步骤1：根据空间碎片的防护要求，确定防护目标的尺寸和防护结构的主要参数，防护目标的尺寸为碎片等效球形弹丸的直径，防护结构的主要参数包括：(1)防护屏与航天器舱壁或需要防护部位的间隔距离，其中防护屏、间距和舱壁组成防护结构；(2)根据空间碎片的防护要求，确定防护屏的面密度，保证防护屏的质量不增加，面密度为材料设计的约束条件；步骤2：确定波阻抗梯度防护材料的材料组分，其中材料组分选用常用航空航天材料，包括不锈钢、钛合金、铝合金、镁合金或轻质陶瓷材料；步骤3：确定组成波阻抗梯度防护材料的层数，波阻抗梯度防护材料的层数通常选择在2‑4层，层数不易过多，否则降低了对空间碎片的破碎能力，也不宜过少，否则不能有效分散弹丸碎片；步骤4：将选用的材料组分按照阻抗由高到低的顺序排列，首层材料具有高密度高阻抗的特点，后续材料组分阻抗逐层递减，组成波阻抗梯度防护屏；步骤5：确定各层材料组份的厚度5.1确定弹丸和靶中的冲击波参数基于冲击波理论，确定在7km/s碰撞时弹丸和靶中的冲击波参数，获得弹丸和靶中的冲击波速度、波后粒子速度和密度；5.2确定波阻抗防护材料第一层材料厚度在材料的设计中考虑追赶稀疏波的影响，使第一层材料中的冲击波运动时间与稀疏波追赶弹丸中冲击波的时间之和大于弹丸中冲击波到达背表面的时间，结合获得的冲击波参数，计算出弹丸直径与靶中第一层材料厚度的比值，根据防护目标直径确定第一层材料的厚度；5.3生成波阻抗梯度材料组份‑厚度组合假设波阻抗梯度材料由n种材料组成n层结构，按步骤5.2方法确定第一层材料1的厚度l1，在确定第2～(n‑1)层厚度时，以面密度为约束条件，厚度从0.1mm开始，0.1mm为变化梯度，对各材料组份和厚度进行穷尽组合，使各种材料组份‑厚度组合都被包含；5.4建立超高速撞击数值模型采用AUTO‑DYN软件，光滑粒子流(SPH)方法建立超高速撞击数值模型，防护屏为波阻抗梯度材料，材料均采用SPH方法划分粒子，根据自身计算硬件条件确定划分粒子尺寸，在模型中选择Gruneisen物态方程、Steinberg本构模型和Hydro(Pmin)失效模型；5.5材料组份‑厚度组合初选在7km/s速度点，针对步骤5.3确定的所有材料组份‑厚度组合开展超高速正撞击数值仿真，弹丸材料为Al‑2A12铝合金，直径取防护目标尺寸，以舱壁是否穿孔作为防护结构失效准则，如果舱壁穿孔则认为在撞击下结构失效防护失败，反则认为防护成功，通过初选；5.6确定高性能波阻抗梯度防护材料组份‑厚度组合形式对初选出的材料组合，重新建立防护结构数值模型，在3‑7km/s开展超高速撞击数值仿真，获得在3、4、5、6和7km/s速度点的撞击极限，采用最小二乘法对它们进行拟合，获得这些防护结构的撞击极限曲线；在某速度点，波阻抗梯防护结构的撞击极限与铝合金结构相比的提升比例即为防护性能提升比例，以此来评价其防护性能，选出具有最高防护性能的波阻抗梯度防护材料，完成高性能波阻抗梯度防护材料的组合形式。