文档介绍：第 23 卷第 6 期高压物理学报 Vol. 23 , No. 6
2009 年 12 月 CH IN ESE JOU RNAL OF HI GH PR ESSURE P HYSICS Dec . , 2009
文章编号:100025773 (2009) 0620453207
含泡沫铝防护结构的超高速撞击
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数值模拟研究
贾斌1 ,马志涛2 ,庞宝君1
(1. 哈尔滨工业大学航天工程系,黑龙江哈尔滨 150001 ;
,北京 100084)
摘要:泡沫铝是一种新型航天器防护材料,拥有良好的抵御空间碎片超高速撞击的特性。
模仿泡沫金属的生产原理,建立了泡沫金属微结构几何模型,结合自编的光滑质点流体动力学
程序进行了超高速撞击数值仿真,通过与实验结果的对比,验证了模型的有效性。提出了两种
含泡沫铝的空间碎片防护结构,即填充泡沫铝结构和夹层泡沫铝结构。对这两种结构分别进
行了仿真计算,获得了其撞击极限曲线。分析结果表明,在空间碎片防护领域涉及的大部分撞
击速度区间内,填充泡沫铝结构的防护性能优于夹层泡沫铝结构。
关键词:泡沫铝;防护结构;超高速撞击;SP H ;撞击极限;空间碎片
中图分类号:V423. 42 ;O347 文献标识码: A
1 引言
微流星体及空间碎片的超高速撞击严重威胁航天器的安全在轨运行,造成航天器损伤及发生灾难
性失效的事例已发生多起,有关防护微流星体和空间碎片超高速撞击的研究得到了国内外的高度重
视[ 1] 。基于 1947 年 F . L . Whipple 提出的 Whipple 防护结构,通过高速撞击实验及数值仿真,进行了大
量航天器防护结构性能研究工作,发展了各种防护结构,并用于航天器的安全防护[ 223 ] 。因为超高速撞
击实验的速度限制及费用比较高,超高速撞击数值仿真成为防护结构性能研究的有效方法。常用的方
法有拉格朗日(Lagrange) 、欧拉( Euler) 、拉格朗日2欧拉耦合(AL E) 以及光滑质点流体动力学(S P H) 法
等。采用有效的材料模型和数值模拟方法可以得到与实验非常一致的结果[ 426] 。而超高速撞击数值模
拟的有效性,很大程度上取决于防护结构的材料模型。铝合金等金属材料的材料模型和相关数据得到
了深入研究,具有很高的置信度[ 426] 。
泡沫金属是 20 世纪 80 年代后期迅速发展起来的一种功能与结构一体化的新型工程材料,具有多
种优异性能。欧空局初步开展了涉及泡沫铝的防护结构的超高速撞击实验,结果表明,具有一定厚度的
泡沫铝防护屏能在弹丸中引起多次击波加载,更容易使弹丸破碎甚至熔化,在低至 2. 6 km/ s 的撞击速
度下也能观察到大量弹丸熔化迹象,因此泡沫金属是很好的航天器防护材料之一[ 729] 。但目前的商业计
算软件难以模拟超高速碰撞下泡沫金属的力学行为,因为其提供的材料模型将泡沫金属近似处理为均
匀体,而泡沫金属的孔洞大小与空间碎片模拟弹丸的直径或防护屏厚度相比通常是不可忽略的,而且撞
击后所形成的碎片云微粒撞击泡沫材料孔壁时引起的材料破碎及物态变化是在微观结构上进行的。本
研究根据泡沫金属的生产原理,建立微结构几何模型,结合自编的 SP