考虑碎片云自相似性的后板损伤模型研究

贾光辉,刘巧霞,张榜

(北京航空航天大学宇航学院,北京100191)

1 引言

空间碎片超高速撞击严重威胁着在轨航天器的安全,为保障在轨航天器的安全运行,1947年Whipple提出在航天器舱壁外面一定距离处放置一块防护屏,即whipple防护[1]。另外,在whipple防护的基础上,还发展了填充式防护或多层防护[2]来保护在轨航天器安全。空间碎片穿透薄板防护屏后形成的碎片云的特性直接影响后板 (舱壁或后继防护屏)的撞击损伤效果,因此,对超高速撞击碎片云进行研究是航天器空间碎片防护结构设计与开发的一个重要技术基础。

碎片云的研究方法主要包括实验研究方法、理论研究方法及数值仿真研究方法。超高速撞击实验方法仅能得到碎片云的边界轮廓,无法跟踪碎片云的所有碎片粒子;理论方法建立碎片云的数学模型过于复杂,现有的数学求解工具不能得到封闭形式的解析解答;数值仿真方法可实时跟踪碎片云粒子的运动轨迹,借助于丰富的仿真数据结果,对碎片云的特性深入分析。

当前国际上对碎片云特性模型 (如碎片云形状模型、速度分布模型、质量分布模型、碎片云对后板载荷分布模型等)进行了研究,其中多数碎片云模型是基于碎片云满足自相似性的假设而得到的。然而,在已有的碎片云自相似性研究[8,9]中,对自相似性现象描述不够充分。为此,本文基于SPH数值仿真结果,全面分析碎片云的自相似性,并分析碎片云的自相似性对后板损伤模型的影响。……