适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，包括以下步骤：a.选择防护材料，并查表得到该材料的雨果尼奥及热动力学参数，b.根据冲击压力准则、内能转化准则、最小厚度准则、动能吸收准则对防护材料进行筛选，得到优选材料。本发明专利技术中，通过深入分析超高速撞击作用下防护材料的防护机理，综合考虑防护材料力学和热动力力学特性，将防护材料的冲击压力、内能转化、最小厚度、动能吸收特性作为优选准则，结合能够定量表征防护材料波阻抗特性和热力学特性的性能系数模型，获得了适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，不仅可以实现对多种防护材料的优选，有效降低材料选择花费的试验成本，还可以为新型高性能防护材料的设计与制备提供理论指导。

Optimization method of high performance materials for space debris protection structure

【技术实现步骤摘要】
适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法
本专利技术涉及空间碎片防护
，尤其涉及一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法。
技术介绍
防护屏概念最早由美国天体物理学家Whipple首先提出，放置于航天器舱壁外侧并与舱壁保持一定间距。防护屏、后墙和一定的间距组成了航天器空间碎片防护结构的基本构型—Whipple防护结构。航天器通过在舱壁外侧添加防护屏，可以使入射的碎片与防护屏超高速碰撞并发生破碎、熔化甚至气化形成二次碎片云，最大限度减小和分散入射碎片的动能，显著减小作用于航天器舱壁的碰撞能流密度，缓解后靶板的损伤破坏效应。研究表明，同等防护能力下，whipple防护结构质量只是单层板结构质量的20％，也就是说可以节省80％是质量。为提高航天器在恶劣空间碎片环境中的生存能力，自上世纪80年代以来，NASA、ESA、JAXA等基于传统Whipple防护结构进行了大量的超高速撞击实验研究，研制出多种高性能防护结构，主要包括多层冲击防护结构、网格双层防护屏防护结构、填充式防护结构、柔性可展开防护结构、泡沫材料防护结构、蜂窝夹层板防护结构等。材料的选择主要有高强度铝合金板、铝网、泡沫铝、蜂窝板、Kevlar纤维布、Nextel陶瓷布等。我国航天器空间碎片防护研究工作起步较晚，且国外一直对我国严格禁运高性能防护材料，面对空间碎片防护工程需求日趋强烈的现状，国内多家开展了高性能防护材料的研制工作，但无论是空间碎片防护材料的工程化应用还是防护能力同国外都有很大差距。空间碎片防护结构的防护性能不仅取决于防护结构，也很大程度上取决于防护材料的物理、化学、力学特性，甚至材料几何构型也密切相关，优异的单一性能不能满足最优要求，如何准确评价防护材料的防护特性，实现高性能防护材料的优选，对于我国高性能防护材料探索设计以及空间碎片防护结构的性能提升具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：为了解决空间碎片防护结构的防护性能不仅取决于防护结构，也很大程度上取决于防护材料的物理、化学、力学特性的问题，而提出的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，包括以下步骤：a.选择防护材料，并查表得到该材料的雨果尼奥及热动力学参数，b.根据冲击压力准则和内能转化准则对防护材料进行初步筛选，c.通过性能系数模型对防护材料进一步优选，d.根据最小厚度准则对防护屏材料进行筛选，得到优选防护屏材料，e.根据动能吸收准则对填充层材料进行筛选，得到优选填充层材料，f.对优选的防护屏材料和填充层材料进行试验验证。作为上述技术方案的进一步描述：所述b步骤中的冲击压力准则计算公式为：对于弹丸：P1＝ρ1Us1μp1对于靶板：P2＝ρ2Us2μp2弹丸与靶板对应的状态方程分别为：Us1＝C1+S1μp1Us2＝C2+S2μp2结合界面连续条件可得：P1＝ρ1(C1+S1μp1)μp1＝ρ1C1μp1+S1μp12P2＝ρ2(C2+S2μp2)μp2＝ρ2C2μp2+S1μp22。作为上述技术方案的进一步描述：所述b步骤中的内能转化准则为：由Hugoniot关系可得冲击压缩过程中材料产生的内能为：eH＝PH(v0-vH)/2材料在等熵卸载到零压后释放的比内能：材料初始熔化所需的比内能：作为上述技术方案的进一步描述：所述c步骤中的性能系数模型为：作为上述技术方案的进一步描述：所述d步骤中的最小厚度准则计算公式为：Top＝Tot+Tt+Tp其中：联立的以上关系式可得：作为上述技术方案的进一步描述：所述e步骤中的动能吸收准则计算公式为：w＝0.5σTεT＝0.5σT2/E。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术中，通过深入分析超高速撞击作用下防护材料的防护机理，综合考虑防护材料力学和热动力力学特性，将防护材料的冲击压力、内能转化、最小厚度、动能吸收特性作为优选准则，结合能够定量表征防护材料波阻抗特性和热力学特性的性能系数模型，获得了适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，不仅可以实现对多种防护材料的优选，有效降低材料选择花费的试验成本，还可以为新型高性能防护材料的设计与制备提供理论指导。附图说明图1为本专利技术提出的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法的优选流程结构示意图；图2为本专利技术提出的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法的冲击压力阻抗匹配法结构示意图；图3为本专利技术提出的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法的冲击压力随材料密度的变化结构示意图；图4为本专利技术提出的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法的防护材料初始熔化速度随熔化热变化结构示意图；图5为本专利技术提出的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法的最优面密度随材料密度的变化结构示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1请参阅图1-5，一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，包括以下步骤：a.选择防护材料，并查表得到该材料的雨果尼奥及热动力学参数，b.根据冲击压力准则和内能转化准则对防护材料进行初步筛选，c.通过性能系数模型对防护材料进一步优选，d.根据最小厚度准则对防护屏材料进行筛选，得到优选防护屏材料，e.根据动能吸收准则对填充层材料进行筛选，得到优选填充层材料，f.对优选的防护屏材料和填充层材料进行试验验证；冲击压力准则：冲击压力取决于撞击速度、入射弹丸和靶板的密度以及冲击压缩因数等参数，它在很大程度上决定了入射弹丸碰撞后的残余内能、温度和物态，冲击压力越高，入射弹丸残余内能越大，温度就越高，物态越倾向于气态，研究表明，与液态粒子和气态粒子相比，固体粒子对后墙的威胁最大，因此缓冲屏材料的选择应以能够在入射弹丸内产生更高冲击压力为原则；内能转化准则：弹丸、防护屏超高速撞击下熔化、气化比例是评价防护屏材料防护性能的重要指标，所以防护屏的选择应该以撞击过程中内能转换比例尽可能大为原则；性能系数准则：碎片云组成材料的相变效应可有效降低其损伤能力，因此，为了使防护屏材料更容易发生熔化、气化，防护屏材料应该较低的熔化温度、熔化热、气化温度、气化热，由冲击压力模型与内能转化模型可知，防护屏熔化、气化特性与材料自身波阻抗特性也密切相关，如何综合考虑防护屏材料热动力学特性与波阻抗特性成为防护材料优选的关键。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，其特征在于，包括以下步骤：/na.选择防护材料，并查表得到该材料的雨果尼奥及热动力学参数；/nb.根据冲击压力准则和内能转化准则对防护材料进行初步筛选；/nc.通过性能系数模型对防护材料进一步优选；/nd.根据最小厚度准则对防护屏材料进行筛选，得到优选防护屏材料；/ne.根据动能吸收准则对填充层材料进行筛选，得到优选填充层材料；/nf.对优选的防护屏材料和填充层材料进行试验验证。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.选择防护材料，并查表得到该材料的雨果尼奥及热动力学参数；
b.根据冲击压力准则和内能转化准则对防护材料进行初步筛选；
c.通过性能系数模型对防护材料进一步优选；
d.根据最小厚度准则对防护屏材料进行筛选，得到优选防护屏材料；
e.根据动能吸收准则对填充层材料进行筛选，得到优选填充层材料；
f.对优选的防护屏材料和填充层材料进行试验验证。


2.根据权利要求1所述的一种适用于空间碎片防护结构的高性能材料优选方法，其特征在于，所述b步骤中的冲击压力准则计算公式为：
对于弹丸：
P1＝ρ1Us1μp1
对于靶板：
P2＝ρ2Us2μp2
弹丸与靶板对应的状态方程分别为：
Us1＝C1+S1μp1
Us2＝C2+S2μp2
结合界面连续条件可得：
P1＝ρ1(C1+S1μp1)μp1＝ρ1C1μp1+S1μp12
P2＝ρ2(C2+S2μp2)μp2＝ρ2C2μp2+S1...

【专利技术属性】
技术研发人员：武强，宋光明，李明，龚自正，张品亮，曹燕，田东波，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11